IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
¾La Terra, come ogni altro corpo dotato di massa, è circondata da un campo gravitazionale che attrae altri
corpi. Siamo oggi in grado di determinare gli effetti della gravità, calcolando l’accelerazione di un oggetto in
caduta e modellizzando le orbite dei pianeti, ma non siamo ancora in grado di comprendere esattamente le cause
della forza di gravità.
¾Sappiamo che la Terra produce un campo magnetico, ma possiamo solo formulare ipotesi sulle cause prime
che lo generano.
¾Già 2.500 anni fa erano note le proprietà di un particolare minerale chiamato magnetite (Fe3O4).
Successivamente in Cina venne inventata la bussola, perfezionata in Italia nella prima metà del XIII secolo.
¾Grazie alla bussola furono possibili le grandi scoperte geografiche dei secoli XV e XVI. In meno di 50 anni,
grazie a questo strumento, le conoscenze geografiche aumentarono fino a comprendere tutte le terre emerse con
l’eccezione dell’Antartide e dell’Australia.
¾Nel 1600 il fisico inglese W. Gilbert (1540-1603) nel “De Magnete”, affermò che “la Terra è un grande
magnete” il cui campo agisce sull’ago della bussola orientandolo in direzione Nord-Sud.
IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
¾Occorre attendere fino al 1832 per avere una esatta configurazione del campo magnetico
terrestre ad opera di K. F. Gauss (1777-1855) che per primo tracciò le linee di forza.
¾La presenza del campo magnetico terrestre è rilevata da molti fenomeni direttamente
osservabili; tra questi i più notevoli sono l’azione orientatrice che subiscono i corpi
magnetizzati, il magnetismo indotto nei materiali ferromagnetici, la cattura da parte della Terra
di particelle elettricamente cariche provenienti dallo spazio esterno.
¾Gli elementi che definiscono il campo magnetico terrestre per ogni punto della superficie
terrestre, sono intensità, declinazione magnetica e inclinazione magnetica.
LA DECLINAZIONE MAGNETICA
¾Tutte le carte topografiche sono riferite al Nord geografico mentre l'ago di tutte le bussole si orienta verso un altro nord,
cioé verso il Nord magnetico.
¾Questi due Nord non coincidono; infatti, il Nord geografico è situato sempre al Polo Nord, mentre attualmente (2005)
il Nord magnetico si trova all'isola Bathurst (figura), nell'Arcipelogo Artico canadese a una distanza di circa 1.300 km dal
Polo Nord geografico.
Inoltre il Nord magnetico cambia posizione di circa 10 Km l'anno.
Nel 1998 la posizione del Nord magnetico era 78°34’ N, 104°45’ W.
¾Nel 2005 il Nord magnetico era alla longitudine di circa 104°00’ W (Ovest)
¾I poli magnetici non sono due punti ideali ben precisi e definiti come i poli geografici, ma zone verso le quali
convergono le linee di forza del campo magnetico terrestre.
IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
¾Metodi matematici introdotti da Gauss hanno
consentito di stabilire che l’origine del campo
magnetico terrestre è per la quasi totalità (96%)
interna.
¾Prendendo in esame solo il valore del campo
preponderante dovuto a cause interne, il campo
magnetico terrestre può essere visto per semplicità
come se al centro della Terra fosse presente una
potentissima barra magnetica inclinata di 11°30’
rispetto all’asse terrestre.
¾I punti in cui il diametro terrestre coincidente
con la direzione del dipolo incontra la superficie
terrestre sono detti poli geomagnetici.
LA TEORIA DELLA DINAMO AUTOALIMENTATA
I materiali magnetici perdono il
loro magnetismo permanente se
sottoposti ad alte temperature.
Il valore di temperatura per cui ciò
avviene è detto punto di Curie;
per molti materiali magnetici
questo valore è attorno ai 600 700 °C (per la magnetite, 580°C,
per l’ematite 680°C), una
temperatura che viene raggiunta
nel sottosuolo ad una profondità di
circa 20-30 Km.
L’idea che in prossimità del centro
della Terra esiste qualcosa di
permanentemente magnetizzato è
quindi chiaramente insostenibile,
anche se tale supposizione spiega
bene la distribuzione del campo
magnetico terrestre.
Dallo studio dell’elettricità sappiamo che
si possono produrre campi magnetici
mediante correnti elettriche e viceversa.
All’interno della Terra, e precisamente nel
nucleo, esisterebbe quindi una specie di
dinamo (teoria della ”dinamo
autoalimentata” proposta da Bullard nel
1948) capace di produrre correnti
elettriche generanti a loro volta il campo
magnetico da noi misurato.
Questa dinamo sarebbe costituita dal
nucleo, fluido e ricco di ferro della
Terra, rimescolato da continui moti
convettivi prodotti dal calore nel nucleo
stesso.
Tutto avrebbe inizio con la presenza di
un casuale anche se piccolo campo
magnetico, che interagirebbe con il
ferro fluido in movimento producendo
per induzione magnetica, correnti
elettriche che a loro volta creerebbero
un ulteriore campo magnetico,
iniziando così un processo a catena, la
dinamo autoalimentata.
LA DECLINAZIONE MAGNETICA
¾Il piano verticale passante per l’asse longitudinale di
un ago magnetico libero di ruotare orizzontalmente
individua il piano del meridiano magnetico del luogo.
Poiché i poli magnetici non coincidono con i poli
geografici, il piano del meridiano magnetico e quello
del meridiano geografico (o astronomico) formano un
angolo, in genere non nullo, detto declinazione
magnetica.
La declinazione magnetica è l’angolo fra due grandi
cerchi:
1 – quello fra il punto e il Nord Geografico
2- quello fra il punto e il Nord Magnetico (VGP)
¾La declinazione può assumere valori compresi tra 0°
e 180°, e può essere orientale, o positiva, se la punta
nord dell'ago magnetico devia, ovvero declina, verso
est rispetto al meridiano geografico; occidentale, o
negativa, se l’ago devia verso ovest. Lo strumento per
misurare quest’angolo nei diversi punti del globo, è
detta bussola di declinazione.
INCLINAZIONE MAGNETICA
¾L’inclinazione magnetica è l’angolo che, in un dato punto
della superficie terrestre P, la direzione del campo magnetico
terrestre forma con il piano orizzontale. Si considera positiva
l’inclinazione se il Polo Nord dell’ago magnetico è rivolto
verso il basso, mentre è negativa se rivolto verso l’alto.
¾L’inclinazione magnetica vale 0° all’Equatore e aumenta
(positivamente nell’emisfero boreale, negativamente
nell'emisfero australe) avvicinandosi ai poli magnetici, dove
vale 90°.
¾In Italia ha un valore di circa + 57°. In uno stesso punto
l’inclinazione magnetica è soggetta a una lenta variazione
secolare, a una variazione diurna e a fluttuazioni irregolari
(tempeste magnetiche). L’inclinazione magnetica si misura
con appositi strumenti, detti inclinometri, costituiti da una
bussola il cui ago è libero di ruotare, nel piano del meridiano
magnetico, attorno ad un asse verticale e da un goniometro per
misurare l’inclinazione dell’ago sull’orizzontale.
¾Se supponiamo che i Poli geografici e magnetici siano circa
coincidenti, anche se sappiamo che non è del tutto vero, c’è
una relazione fra inclinazione magnetica i in un punto e
latitudine Φ del punto stesso:
tang Φ = 1/2 tang i
IL PALEOMAGNETISMO
Il paleomagnetismo si occupa dello studio della magnetizzazione naturale delle rocce ed in
particolare della magnetizzazione naturale rimanente: quasi tutte le rocce possiedono una
magnetizzazione naturale rimanente, che generalmente è molto debole e necessita di strumenti molto
sofisticati per essere misurata. Questa è dovuta alla presenza di un quantitativo, anche estremamente
piccolo, di minerali magnetici (il più noto dei quali è la magnetite).
Ogni roccia acquisisce una componente di magnetizzazione al momento della sua formazione, che è
detta magnetizzazione “primaria”. Le modalita` di acquisizione della magnetizzazione primaria sono
diverse per i diversi tipi principali di rocce, ma dipendono tutte dall’azione del campo magnetico
terrestre nel corso della litogenesi: le rocce magmatiche, che derivano dalla consolidazione di un
magma, acquisiscono una magnetizzazione termorimanente durante il processo di raffreddamento
al di sotto della temperatura di Curie (580°C per la magnetite) e consolidazione.
IL PALEOMAGNETISMO
Le rocce sedimentarie, che si formano dall’accumulo di granuli detritici, acquisiscono una
magnetizzazione detritica residua durante la deposizione dei sedimenti.
LE ROCCE MAGMATICHE EFFUSIVE MANTENGONO UNA
REGISTRAZIONE DELLA DIREZIONE DEL NORD MAGNETICO
DOPO ESSERE SOLIDIFICATE SOTTO IL PUNTO DI CURIE
LE INVERSIONI DI POLARITA’
Un particolare aspetto del paleomagnetismo riguarda
le inversioni del campo geomagnetico, riconosciute
per la prima volta quando a seguito dell’analisi delle
colate laviche degli ultimi cinque milioni di anni si
riscontrarono direzioni del campo paleomagnetico
divergenti di 180°.
Irregolarmente, (con periodicità che vanno da
250.000 anni a 30 milioni di anni), il campo
magnetico della Terra cambia polarità (il polo Nord
diventa polo Sud e viceversa). Si è così trovato che
circa la metà di tutte le rocce studiate hanno
magnetizzazioni opposta a quella dell’attuale campo
magnetico della Terra. Questo implica che il campo
magnetico si è “ribaltato”, da normale ad inverso
piuttosto frequentemente nel passato geologico e che
campi magnetici normali o inversi sono ugualmente
probabili.
I periodi più lunghi, dell’ordine del mezzo milione di
anni, sono chiamati epoche magnetiche, ognuna con
un nome di un famoso scienziato del
paleomagnetismo. Ma durante le epoche si registrano
anche brevi inversioni dette eventi magnetici che
possono durare dai 10.000 ai 100.000 anni.
Campo normale
Campo inverso
INVERSIONI DI POLARITA’ REGISTRATE NELLE
COLATE LAVICHE
INVERSIONI DI POLARITA’ NELLE COLATE
LAVICHE
SCALA
CRONOLOGICA
DELLE POLARITÀ
GEOMAGNETICHE
Nero = anomalia
magnetica
positiva
Polarità normale
Blu = anomalia
magnetica
negativa
Polarità inversa
“Calma magnetica”
=
Periodo con campo
magnetico costante
per 28 milioni di
anni.
LE ANOMALIE MAGNETICHE
Eseguendo rilievi magnetometrici con navi, ci si accorse che, su entrambi i
lati della dorsale medio-atlantica, erano presenti anomalie dell’intensità
totale del campo magnetico terrestre, alternativamente positive e negative,
specularmente quasi simmetriche rispetto all’asse della dorsale.
Profilo delle anomalie di intensità del c.m. attraverso una dorsale oceanica
L’INTERPRETAZIONE DEI PROFILI DELLE ANOMALIE
MAGNETICHE
¾Effettuando diversi profili a latitudini diverse attraverso una stessa dorsale, e unendo le
anomalie positive tra loro corrispondenti nei differenti profili, e ripetendo la stessa operazione
per le anomalie negative, si sono potute disegnare delle strisce di fondo oceanico, di varia
larghezza, disposte simmetricamente rispetto all’asse della dorsale.
¾Le strisce nere, per convenzione, rappresentano le fasce a magnetizzazione normale, cioè in
accordo con l’attuale c.m.
¾Le strisce bianche, per convenzione, rappresentano le fasce a magnetizzazione inversa, cioè
con polarità opposta rispetto all’attuale c.m.
L’ESPANSIONE DEI FONDI OCEANICI
¾Nel 1961, Hess interpretò i dati sulle anomalie enunciando la
teoria dell’espansione dei fondi oceanici: in corrispondenza
dell’asse delle dorsali si forma continuamente nuova crosta
oceanica accompagnata dal progressivo allontanamento
dall’asse della dorsale di quella già formata. Quindi la lava che
solidifica registra le inversioni del c.m.t. e si formano così
fasce di fondale (larghe da 5 a 50 Km) simmetriche al punto di
origine, che conservano proprietà magnetiche opposte.
¾La carta delle anomalie magnetiche dei fondi oceanici è una
carta della distribuzione della magnetizzazione, normale o
inversa, delle rocce costituenti il fondo stesso. Questo ci porta
ad una prima conclusione importante nel quadro evolutivo
della Terra: nuova crosta oceanica si forma in continuazione
dalle dorsali oceaniche, ma la Terra non è in espansione quindi
da qualche parte la crosta in eccesso va a scomparire.
¾Confrontando anomalie corrispondenti a livello temporale,
per dorsali diverse, si è potuto vedere che nella stessa unità di
tempo, le anomalie avevano larghezze diverse: nell’Oceano
Atlantico erano meno larghe, per esempio, di quanto non
fossero nel Pacifico meridionale.
¾Ciò significa che il Pacifico meridionale si espande molto più
velocemente dell’Atlantico (9 cm contro 2 cm).
N = polarità normale
R = polarità inversa
L’ESPANSIONE DEI FONDI OCEANICI
PALEOMAGNETISMO E DERIVA DEI CONTINENTI
¾Il paleomagnetismo ha avuto un grande impulso dalla seconda metà degli anni ‘50 fino ad arrivare alla
dimostrazione della teoria della deriva dei continenti.
¾Se prendiamo un campione di basalto continentale (cioè emesso da un vulcano subaereo e non lungo
una dorsale), ne possiamo misurare l’età e le caratteristiche magnetiche (inclinazione, declinazione e
intensità).
¾Sappiamo che l’inclinazione magnetica e la latitudine a cui si è solidificata la lava sono legate dalla
relazione tang Φ = 1/2 tang i
¾Questa operazione si può ripetere, per uno stesso continente per tempi diversi usando campioni di
roccia che appartengono a formazioni geologiche di età diverse e ottenere le diverse latitudini a cui il
continente si trovava: qui sotto si illustra per esempio la migrazione del continente Sud Americano dal
Periodo Cambriano (Era Paleozoica) ad oggi.
PALEOMAGNETISMO E DERIVA DEI CONTINENTI
Percorso del subcontinente Indiano dal Cretaceo
Superiore ad oggi.
