Il campo magnetico terrestre
La Terra produce un campo magnetico che può essere descritto supponendo che al centro della Terra esista una barra magnetica, inclinata di circa 11° 30' rispetto all'asse di rotazione; esso genera linee di forza che escono dal Sud magnetico per rientrare dal Nord magnetico. Il campo influenza gli oggetti magnetici come l'ago di una bussola, che si dispone parallelamente alle linee di forza.
La direzione indicata dall'ago della bussola non corrisponde esattamente a quella dei poli geografici, ma nell'emisfero settentrionale indica un punto che si trova nelle Isole della regina Elisabetta a nord del Canada (75°N), mentre in quello boreale indica un punto sulla costa dell'Antartide, nella Terra della principessa Adelia (68°S). Perciò i due poli magnetici non sono diametralmente opposti come quelli geografici, ma la loro congiungente passa a circa 1200 km dal centro della Terra. La differenza tra la direzione del polo geografico e quella del polo magnetico genera è definita da un angolo sul piano dell'orizzonte detto declinazione magnetica.
Se l'ago ha la possibilità di ruotare anche sul piano verticale, si dispone orizzontalmente solo all'equatore ed è in posizione verticale se lo si pone ai poli magnetici. Nelle altre località forma un angolo con il piano orizzontale detto inclinazione magnetica.
L'intensità del campo geomagnetico è misurata con speciali strumenti, i magnetometri, e l'unità di misura è il gauss (G), che è un sottomultiplo del tesla (1T=104 G); sulla superficie terrestre il campo magnetico è circa 0,5 gauss, 20 volte più piccolo di quello di un normale magnete a ferro di cavallo.
Il campo magnetico terrestre è soggetto a variazioni che possono essere di breve periodo (da ore ad anni), a causa di interazioni tra il campo interno della Terra e gli strati conduttivi dell'atmosfera, oppure dell'ordine di centinaia di migliaia di anni, e si possono rilevare dall'analisi delle rocce basaltiche.
Declinazione e inclinazione magnetica
Campo magnetico terrestre
Origine del campo magnetico
Nel modello sopra rappresentato si immagina la Terra come se possedesse una barra magnetizzata al suo interno. In realtà non è pensabile che possa esserci qualcosa di magnetizzato in maniera permanente, poiché sopra un certo valore, detto punto di Curie, generalmente attorno ai 500°C, i materiali magnetici perdono il loro magnetismo, e l'interno della Terra ha una temperatura molto più alta.
Si è proposto pertanto un modello, detto della dinamo autoeccitante. Il nucleo esterno, ricco di ferro e allo stato fuso, è in continuo movimento a causa della rotazione terrestre, oltre che per le correnti convettive prodotte dal calore derivante dal decadimento degli isotopi radioattivi; sapendo che una corrente elettrica che attraversa un conduttore produce un campo magnetico e viceversa, per l'innesco della «geodinamo» basta che il nostro pianeta abbia attraversato occasionalmente qualche campo sporadico, probabilmente di origine solare, mentre erano già in atto i moti convettivi. Da quel momento, finché ci sarà una fonte di energia per mantenere in movimento il materiale fluido, il nucleo può continuare a mantenere attivo un campo magnetico in un ciclo che si autoalimenta.
Modello di dinamo autoeccitante
Paleomagnetismo
Le informazioni sul campo magnetico del passato possono essere ricavate dallo studio delle rocce, in particolare di quelle che contengono minerali ferrosi (magnetite, ematite), che lo hanno fossilizzato sotto forma di magnetizzazione residua, molto debole; questo fenomeno è detto paleomagnetismo.
Gli atomi possono orientarsi, se ne hanno la possibilità, secondo il campo magnetico del luogo in cui si trovano; infatti, essi possiedono elettroni in movimento che sono sensibili ai campi magnetici. Se i minerali dotati di suscettività magnetica (sensibilità al campo magnetico) si trovano ad una temperatura superiore al punto di Curie, e ciò si ha con un magma fuso, gli atomi dei minerali si dispongono in modo casuale. A mano a mano che la temperatura diminuisce sotto questo valore e il magma comincia a solidificarsi, gli atomi si orientano secondo la direzione del campo magnetico presente in quel momento in quel punto e la loro posizione rimane “fossilizzata” (magnetizzazione termorimanente) quando la roccia si è completamente solidificata. In questo modo è possibile ricostruire la storia del campo magnetico della Terra.
Orientamento dei minerali ferrosi
Si può avere anche una magnetizzazione detritica (o deposizionale). I sedimenti detritici contengono piccolissimi granuli ferromagnetici che si allineano secondo il campo magnetico durante la sedimentazione. Dopo aver toccato il fondo (del mare, di un fiume, di un lago), i granuli magnetici sono immersi in una fanghiglia acquosa in cui sono ancora liberi di ruotare, come gli aghi di una bussola, per allinearsi al campo magnetico terrestre. È dopo la litificazione, quando il sedimento diventa dura roccia, che i granuli restano bloccati e non sono più in grado di orientarsi nuovamente.
Magnetizzazione dei sedimenti
Apparente spostamento dei poli
Lo studio delle colate laviche di epoche diverse in alcune località del globo ha mostrato un fenomeno interessante. Se si osserva l'orientamento dei minerali ferrosi all'interno delle rocce, si nota che, nella successione delle epoche, essi presentano una disposizione differente, come se il polo nord magnetico si fosse progressivamente spostato. Allo stesso modo, rocce della stessa età, ma di zone diverse, danno posizioni differenti del polo nord magnetico.
Da qui si possono formulare due ipotesi: o i poli magnetici si sono spostati nel corso del tempo (migrazione dei poli magnetici), oppure si sono spostati i continenti.
Effettivamente i poli possono spostarsi, ma senza allontanarsi di molto dai poli geografici, perché il campo magnetico dipende anche dalla rotazione terrestre, mentre le misurazioni fatte sulle rocce indicano il polo nord in posizioni anche prossime all'equatore o, addirittura, la presenza di due poli nord. Inoltre, se si fossero effettivamente spostati i poli, avremmo la stessa curva di migrazione in tutti i continenti.
Se non sono stati i poli a spostarsi devono necessariamente essersi spostati i continenti, e questa è una delle prove a favore della Tettonica delle Placche. Infatti, se ad esempio si spostano le masse continentali del Nordamerica e dell'Europa facendone combaciare i bordi, le curve di migrazione dei poli vengono a coincidere.
Apparente migrazione dei poli
Inversione di polarità
Il campo magnetico non mantiene sempre la medesima orientazione, ma subisce una inversione di polarità (il polo nord diventa polo sud e viceversa) mediamente ogni mezzo milione di anni. Metà, infatti, delle rocce studiate presenta una magnetizzazione opposta a quella attuale.
I periodi più lunghi, dell'ordine del mezzo milione d'anni, sono chiamati epoche magnetiche, ognuna col nome di un famoso scienziato esperto di paleomagnetismo. Durante le epoche si registrano anche brevi inversioni dette eventi magnetici, che possono durare dai 50.000 ai 200.000 anni.
L'ultima inversione del campo magnetico si è verificata circa 20000 anni fa.
Per quanto riguarda la causa delle inversioni, ma è comunemente accettato che si tratti di un fenomeno legato al verificarsi casuale (stocastico) di evoluzioni e andamenti non ancora chiari del moto convettivo presente nel nucleo esterno liquido.
Epoche magnetiche
