Sguardi magnetici

Geomagnetismo

Nel tempo, l’uso pratico della bussola aveva messo in evidenza un comportamento dell’ago magnetico che era più complesso dalla semplice rotazione per orientarsi verso una direzione predefinita. Fu nel 1581 che Robert Norman pubblicò un opuscolo, “The Newe Attractive”, in cui raccoglieva molte osservazioni riguardanti l’orientamento del campo magnetico. In particolare egli dimostrò, attraverso la costruzione di una bussola in cui l’ago poteva ruotare in un piano verticale, che il campo magnetico non era sempre parallelo all’orizzonte, ma aveva un orientamento tanto più verticale quanto più ci si avvicinava ai poli. Aveva scoperto l’inclinazione magnetica.
Qualche anno prima, si deve a Cristoforo Colombo, nel 1492, la prima attestazione della declinazione magnetica, la caratteristica che ha il campo magnetico terrestre di non essere esattamente parallelo all’asse di rotazione del pianeta. Questo fa sì che il Polo Nord Magnetico e il Polo Nord Geografico non coincidano. Nel 2014 i due assi formavano un angolo di circa 11.3° e l’asse magnetico è in continuo movimento con una velocità di circa 6.6′ all’anno verso est.
Le misurazioni sull’entità e orientamento del campo magnetico terrestre si sono succedute nel corso dei secoli ad opera di geografi, fisici, astronomi e navigatori, andando a costruire un quadro molto complesso della sua variabilità nei vari punti del globo.
Finalmente nel 1837 il grande fisico matematico tedesco Carl Friedrich Gauss utilizzò le armoniche sferiche per analizzare quantitativamente i dati numerici sulle misurazioni del campo magnetico.
Il risultato della sua analisi è che il 94% dell’energia associata al campo magnetico terrestre è equivalente a quella di un dipolo, come un enorme magnete, posto al centro della Terra e orientato secondo l’asse magnetico.
Il resto dell’energia, responsabile delle non uniformità rilevate, è da attribuirsi a effetti locali dovuti al contributo estremamente variabile della crosta terrestre.
Nelle immagini che seguono si vede il contributo delle varie armoniche all’energia del campo e una sua schematizzazione con il modello del dipolo, in cui l’andamento delle linee di forza giustifica l’orientamento dell’ago della bussola, sia in base alla declinazione che all’inclinazione.

Oggigiorno le teorie che cercano di spiegare l’origine del campo magnetico attraverso l’ipotesi di un vero e proprio magnete posto al centro della Terra non sono più considerate valide, soprattutto grazie alla constatazione che la temperatura del nocciolo del pianeta, che si stima intorno ai 5400°C, sarebbe superiore alla temperatura di Curie del ferro di cui è composto che è di soli 768°C.

Il modello fondamentalmente oggi più accreditato per spiegare l’origine del magnetismo terrestre è quello della dinamo ad autoeccitazione (geodinamo se lo si applica alla Terra). In questo modello il nucleo esterno, cioè la parte liquida del nucleo terrestre, composto per l’80% da ferro e per il resto prevalentemente da nichel, si comporterebbe come un conduttore in movimento, essendo in rotazione col pianeta agitato dalle correnti dovute alla rotazione (forza di Coriolis).
In questo modello è sufficiente che un campo magnetico transitorio investa il conduttore in movimento per generare delle correnti indotte che producono un campo magnetico che, per autoinduzione, produce delle ulteriori correnti in grado di produrre a loro volta un campo magnetico in grado di autosostenersi.
Questo modello è stato proposto per la prima volta nel 1919 dal professore di matematica all’università di Cambridge Joseph Larmor e successivamente raffinato dal fisco giapponese T. Rikitake mediante l’introduzione di una seconda dinamo per spiegare il periodico annullamento e inversione di polarità del campo.
Il modello a doppia dinamo di Rikitake, tuttavia, non ha scritto la parola fine su questo campo di ricerca in quanto le caratteristiche del campo magnetico terrestre sono ancora troppo complesse da spiegare. Nell’immagine a fianco si vede una schematizzazione di un modello in cui diverse “dinamo” sono generate nel nucleo esterno agitate da moti di convezione e di Coriolis. I modelli matematici per descrivere con maggiore precisione il fenomeno del geomagnetismo sono in continua evoluzione e sostanzialmente cercano di modellizzare in maniera sempre più sofisticata l’interazione fra i movimenti della massa fluida del nucleo esterno con le correnti elettriche che vi albergano.