Câmpul magnetic al Pământului (sau câmpul geomagnetic) este un câmp magnetic puternic care se întinde de la interiorul Pământului până în spațiul cosmic, acolo unde interacționează cu vântul solar, un flux de particule încărcate electric emise de Soare. Câmpul magnetic funcționează că un scut protector împotriva radiațiilor solare și joacă un rol esențial în susținerea sistemelor vii de pe planeta noastră.
Originea câmpului geomagnetic
Câmpul magnetic al Pământului își are originea într-o regiune din interiorul planetei denumită nucleu exterior, care este un strat de fier și nichel topit situat la adâncimea de aproximativ 2.890 km. Combinația dintre natura fluidă a nucleului exterior, rotația Pământului și curenții de convecție generați de căldura radiantă a nucleului interior creează un sistem în care fluidul încărcat electric aflat în mișcare generează un câmp magnetic – proces denumit „geodinam”.
Teoria geodinamului susține că aceste mișcări complexe ale fluidului din interiorul Pământului, declanșate de forțele ce acționează asupra nucleului exterior, creează curenți electrici. Ca rezultat al efectului de dinam, acești curenți electrici generează și mențin, la rândul lor, câmpul magnetic. Drept urmare, originea câmpului geomagnetic este strâns legată de proprietățile fizice și procesele dinamice de la nivelul nucleului exterior al Pământului.
Este important de menționat că teoria geodinamului se bazează pe cunoștințele și dovezile existente în prezent. Cu toate acestea, există numeroase aspecte ale generării câmpului geomagnetic care continuă să fie investigate și rafinate.
Proprietățile câmpului geomagnetic
Câmpul geomagnetic prezintă o serie de proprietăți distinctive: are o structură dipolară, este decalat față de polii geografici, are intensitate și direcție variabile, se inversează de-a lungul timpului geologic. Haideți să le luăm pe rând!
Structura dipolară
Structura dipolară a câmpului magnetic se referă la faptul că acesta prezintă doi poli – nord și sud -, la fel ca un magnet. Liniile câmpului geomagnetic pornesc din polul sud și reintră prin polul nord. Totuși, câmpul magnetic al Pământului nu este un dipol perfect, deoarece prezintă o serie de mici deviații.
Liniile câmpului magnetic sunt perturbate de vântul solar. De asemenea, există mici variații ale câmpului magnetic cauzate de modificările din interiorul și scoarța Pământului.
În cazul unui câmp magnetic dipolar, tăria câmpului descrește odată cu creșterea distanței față de sursă. În plus, direcția câmpului magnetic la un moment dat este dată de direcția liniilor de câmp la momentul respectiv.
Câmpurile magnetice dipolare se întâlnesc în multe alte locuri din natură, nu doar în cazul planetelor. De exemplu, numeroase stele au un câmp magnetic dipolar, la fel ca multe galaxii. Câmpurile magnetice sunt esențiale pentru înțelegerea multor fenomene, de la comportamentul particulelor în plasmă până la structura la scară largă a universului.
Decalarea față de polii geografici
Câmpul magnetic al Pământului nu se aliniază perfect cu polii geografici din motive care țin de modul în care câmpul geomagnetic este generat. După cum am menționat mai sus, câmpul magnetic este generat de mișcarea fluidului conductiv din nucleul exterior al Pământului, care creează curenți electrici și, implicit, un câmp magnetic fluctuant.
Câmpul magnetic nu este static, ci suferă mici modificări ale tăriei și direcției sale în decursul timpului, fenomen cunoscut sub denumirea de variație seculară. Aceste modificări sunt rezultatul condițiilor dinamice din nucleul exterior. Drept urmare, aliniamentul polilor magnetici deviază, ceea ce îi face să fie decalați față de polii geografici ai planetei.
Declararea dintre polii geografici și polii geomagnetici este importantă pentru navigație. Sistemele de navigație, inclusiv cele bazate pe busolă și pe GPS, trebuie să țină cont de această decalare pentru a furniza date precise.
Intensitate și direcție variabile
Direcția și intensitatea câmpului geomagnetic variază în timp datorită efectului de dinam ce are loc în nucleul exterior al Pământului, dar și datorită unor factori externi. Acest lucru a fost observat pentru prima dată în secolul al XIX-lea, când s-a constat că acul busolei deviază lent odată cu trecerea timpului.
Variația geomagnetică seculară se referă la modificările pe termen lung ale câmpului magnetic al Pământului. Termenul este utilizat pentru a descrie modificările ce au loc la intervale de mai multe mii de ani. Principala cauză a acestui fenomen este mișcarea fierului topit din nucleul exterior.
Variația geomagnetică seculară este neregulată și complexă. Ea poate varia mult de la o regiune la alta sau în timp. De exemplu, tăria câmpului magnetic poate crește în anumite zone și se poate reduce în altele. În mod similar, polul nord magnetic – punctul în care liniile câmpului magnetic sunt verticale – se deplasează cu o rată de circa 10 km pe an.
Câmpul magnetic poate fi influențat și de activitatea solară. Erupțiile solare și ejecțiile de masă coronală pot trimite către Pământ valuri de particule încărcate electric, perturbând câmpul magnetic și cauzând furtuni geomagnetice.
Alți factori care pot influența câmpul geomagnetic sunt mișcările plăcilor tectonice, modificările din distribuția maselor datorate topirii gheții și creșterii nivelurilor mării și chiar activitățile umane.
Inversarea polilor magnetici
La o scară a timpului de sute de mii sau milioane de ani, câmpul magnetic al Pământului se poate inversat complet, fenomen cunoscut sub denumirea de inversare geomagnetică. În timpul aceste inversări, polul nord magnetic și polul sub magnetic își schimbă locurile. Ultima inversare geomagnetică, denumită inversarea Brunhes-Matuyama, a avut loc în urmă cu 780.000 de ani.
Se crede că inversările geomagnetice sunt rezultatul unor procese dinamice complexe de la nivelul nucleului exterior al Pământului. Mișcarea fluidului topit și câmpul magnetic generat pot avea unu comportament haotic, ceea ce duce la perioade de instabilitate în care câmpul magnetic slăbește și polii se pot inversa.
În ciuda naturii dramatice a unui astfel de eveniment, nu există dovezi că o inversare geomagnetică ar avea un efect catastrofal asupra vieții de pe Pământ. Totuși, slăbirea câmpului magnetic poate face ca la suprafața planetei să ajungă mai multe radiații, ceea ce poate avea diferite efecte asupra atmosferei și vieții.
Structura și componentele câmpului geomagnetic
Câmpul magnetic al Pământului se întinde mii de kilometri în spațiu, formând o regiune denumită magnetosferă. Structura sa este complexă și este caracterizată prin câteva componente principale.
Câmpul dipolar (câmpul principal)
Un câmp dipolar este un câmp magnetic care are doi poli egali și opuși: polul nord și polul sud. El este denumit după cel mai simplu tip de magnet – magnetul dipolar.
În cazul câmpului magnetic al planetei noastre, acesta este aproximat la un dipol axial geocentric, adică el poate fi reprezentat sub forma unui magnet în formă de bară localizat în centrul Pământului, aliniat cu axa de rotație de planetei. Potrivit acestui model, liniile câmpului magnetic pornesc de la polul sud, se curbează de-a lungul planetei și reintră pe la polul nord, creând astfel un tipar similar cu cel al unui magnet în formă de bară.
Este important de menționat că acest model este doar o simplificare. În realitate, câmpul geomagnetic are componente mai complexe, fiind o combinație de componente dipolare și diferite componente non-dipolare, care includ componente de tip cvadripolar sau octupolar.
Câmpul non-dipolar
Un câmp non-dipolar se referă la orice componentă a unui câmp magnetic care nu corespunde modelului de dipol (câmpul magnetic cu doi poli). Câmpul magnetic al Pământului este compus dintr-un dipol și din câteva componente non-dipol, ceea ce îi conferă variabilitate și complexitate. Componenta dipolară este cea dominantă.
Componentele non-dipolare includ componente de tip cvadripolar, octupolar sau superioare, fiecare adăugând un nivel de complexitate câmpului magnetic. Un câmp magnetic cvadripolar prezintă patru poli – doi poli nord și doi poli sud -, în timp ce un câmp magnetic octupolar are opt poli – patru poli nord și patru poli sud. Toate acestea adaugă mai multă complexitate câmpului magnetic.
Câmpul magnetic al scoarței
Câmpul magnetic al scoarței terestre, denumit și câmpul magnetic litosferic, se referă la acea parte a câmpului magnetic al Pământului care este generată de rocile magnetice din scoarță și partea superioară a mantalei (litosfera).
Mineralele magnetice din roci, cum este magnetitul, se pot magnetiza atunci când se răcesc dincolo de o temperatura numită punctul Curie. Acest lucru se întâmplă cel mai adesea în cazul rocilor magmatice, cum este bazaltul, care se formează atunci când roca topită (magma) se răcește și se solidifică.
Magnetizarea rocilor se aliniază cu direcția liniilor câmpului geomagnetic de la momentul răcirii. Acest fapt oferă o înregistrare permanentă a direcții și intensității câmpului și este principiul din spatele paleomagnetismului, care studiază câmpul magnetic din trecut înregistrat în roci.
Câmpul magnetic al scoarței este mult mai slab decât câmpul magnetic principal. Totuși, el poate crea variații și anomalii locale ce pot fi detectate la suprafață sau cu ajutorul sateliților. De exemplu, câmpul litosferic este puternic în regiunile bogate în bazalt, cum sunt faliile oceanice, unde se formează scoarță nouă.
Curenții ionosferici și magnetosferici
Curenții ionosferici și magnetosferici fac parte din interacțiunea complexă dintre câmpul magnetic al Pământului și vântul solar – un flux de particule încărcate electric emise de Soare. Ei joacă în rol crucial în dinamica ionosferei și magnetosferei. Acest lucru poate duce la fenomene precum furtunile geomagnetice și aurorele.
Curenții ionosferici sunt curenții din ionosfera Pământului – acea parte a atmosferei care este ionizată de radiația solară. Ionosfera se întinde de la circa 60 km până la circa 1.000 km deasupra suprafeței terestre. Ionosfera este o plasmă și conține un amestec de ioni, electroni și particule neutre, deci este capabilă se transporte curenți electrici.
Principalii curenți ionosferici sunt electrojetul ecuatorial (un curent îngust care curge spre est în apropierea ecuatorului magnetic) și electrojeturile aurorale (care curg în jurul regiunilor polare și sunt asociate cu aurorele).
Curenții magnetosferici sunt curenții din magnetosfera Pământului – regiunea spațiului din jurul planetei dominată de câmpul geomagnetic. Există mai multe tipuri de curenți magnetosferici: curentul inelar (curge în jurul Pământului în planul ecuatorial al magnetosferei), curentul cozii magnetosferei (curge în coada magnetosferei, acea parte a magnetosferei care este împinsă de vântul solar în direcție opusă Soarelui) și curenții Birkeland (curg de-a lungul liniilor câmpului geomagnetic, conectând magnetosfera cu ionosfera).
Câmpul geomagnetic și magnetosfera
Întinzându-se de pe Pământ până în spațiu, magnetosfera este regiunea în care câmpul geomagnetic domină vântul solar. Vântul solar comprimă magnetosfera pe partea luminată a planetei și o întinde sub forma unei cozi pe partea întunecată a planetei. Această regiune găzduiește o serie de fenomene complexe, cu sunt centurile de radiație Van Allen, plasmasfera și altele.
Câmpul magnetic al Pământului este un sistem complex, cu multiple componente care interacționează. El este dinamic, având o structură în permanentă schimbare datorită proceselor din interiorul Pământului și din spațiu.
Ilustrație a magnetosferei: 1 – frontul câmpului; 2 – magnetoteacă; 3 – magnetopauză; 4 – magnetosferă; 5 – lobul nordic al cozii; 6 – lobul sudic al cozii; 7 – plasmasferă. | Ilustrație: DENNIS GALLAGHER/WIKIMEDIA COMMONS
Importanța câmpului geomagnetic
Câmpul geomagnetic îndeplinește câteva roluri vitale care sunt cruciale pentru viață și sistemele tehnologice de pe Pământ.
Protecția față de radiația solară și cosmică
Câmpul magnetic al Pământului joacă un rol primordial în protejarea vieții față de radiația solară și cosmică vătămătoare. Acest lucru este posibil datorită principiilor fundamentale ale electromagnetismului. Potrivit acestor principii, particulele încărcate electric aflate în mișcare generează un câmp magnetic și sunt afectate de câmpurile magnetice. Așadar, vântul solar este influențat de câmpul geomagnetic atunci când ajunge la planeta noastră.
Câmpul magnetic exercită o forță asupra particulelor încărcate electric. Direcția acestei forțe este întotdeauna perpendiculară pe direcția mișcării particulei și pe direcția câmpului magnetic. Aceasta face ca particulele să se miște pe o traiectorie spiralată de-a lungul liniilor de câmp magnetic.
Atunci când vântul solar se întâlnește cu magnetosfera, cea mai mare parte a particulelor încărcate electric sunt reflectate și urmează liniile de câmp magnetic. Apoi ele ocolesc Pământul la fel cum apa unui râu ocolește o piatră.
Particule capturate de liniile câmpului magnetic formează centurile de radiații Van Allen. Aceste centuri au aspectul a două gogoși de particule energetice care înconjoară Pământul. Particulele se deplasează în spirală de-a lungul liniilor de câmp și sar înainte și înapoi între acestea.
Liniile câmpului geomagnetic canalizează o parte din particulele încărcate electric, în special pe acelea cu energie joasă, către regiunile polare ale Pământului. La aceste nivel, ele interacționează cu atmosfera și produc aurorele polare.
În esență, câmpul geomagnetic acționează ca un scut protector. El reflectă cea mai mare parte a vântului solar departe de planetă, dar capturează o parte din acesta în centurile de radiații. Acest fenomen este esențial pentru menținerea atmosferei și protejarea vieții terestre față de radiația solară și cosmică nocivă.
Formarea magnetosferei
Magnetosfera este regiunea de spațiu din jurul Pământului unde câmpul magnetic al planetei domină forțele electromagnetice prezente. Această zonă funcționează ca o bulă protectoare care ecranează Pământul față de radiația care îl bombardează constant.
Magnetosfera își are originile în câmpul magnetic intern al Pământului. Ea este generată în urma agitației continue a fierului topit din nucleul exterior. Acest efect de geodinam creează un câmp magnetic care se extinde în spațiu.
Interacțiunea câmpului magnetic cu vântul solar determină structura magnetosferei. Aceasta este comprimată pe partea luminată (partea dinspre Soare) a planetei, formând o zonă denumită magnetoteacă. Granițele laterale ale magnetosferei se numesc fronturi, iar la acest nivel vântul solar încetinește și deviază de-a lungul câmpului magnetic. Pe partea întunecată a planetei (partea opusă Soarelui), vântul solar întinde magnetosfera sub forma unei cozi. Limita magnetosferei din zona cozii se numește magnetopauză.
Câmpul geomagnetic este utilizat în navigație
Utilizarea câmpului geomagnetic în navigație este posibilă deoarece liniile câmpului magnetic converg în două puncte de pe suprafața planetei: polul nord magnetic și polul sud magnetic. Cea mai simplă metodă de utilizare a câmpului magnetic în navigație este busola, în instrument utilizat de secole de către navigatori și exploratori.
O busolă conține un magnet mic (de obicei un ac magnetizat) care se aliniază singur cu liniile câmpului magnetic și indică polul nord magnetic. Astfel, știind în care direcție se află nordul, navigatorii pot determina celelalte puncte cardinale (sud, est și vest) și se pot orienta pe hartă.
Numeroase animale migratoare, cum sunt păsările, țestoasele marine și chiar unele bacterii, prezintă un simț al câmpului geomagnetic (magnetorecepție). Ele se folosesc de această abilitate înnăscută pentru a naviga pe rutele lor de migrație.
Sistemele de navigația moderne, inclusiv cele bazate pe GPS (Sistemul de Poziționare Globală), includ adesea magnetometre pentru a măsura câmpul magnetic al Pământului. Aceste sisteme fac ajustări privind diferența dintre polul nord geografic și polul nord magnetic pentru a furniza informații precise.
În aviație și navigație maritimă, hărțile și instrumentele furnizează adesea informații atât în domeniul real (geografic), cât și în domeniul magnetic. Aceasta permite piloților și marinarilor să navigheze cu precizie cu ajutorul busolelor magnetice, însă luând în considerare, în același timp, variațiile locale ale câmpului geomagnetic.
Sursa: Earth.com