Il campo magnetico terrestre

Il campo magnetico
Lezioni d'Autore
Introduzione: Satelliti che studiano le variazioni
del campo magnetico terrestre
VIDEO
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (I)
La rappresentazione del
campo geomagnetico
come un insieme di linee
di forza aventi come
tangenti minuscole bussole
(libere di ruotare intorno al
proprio baricentro nello
spazio), dà un’idea dei
metodi utilizzati per la sua
determinazione.
Linee di forza del campo magnetico
terrestre
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (II)
Bussola statunitense del XVIII secolo
Gli aghi magnetici naturali, da
elementi divinatori dell’antica
Cina, furono trasformati, nel
periodo delle repubbliche
marinare, a strumenti
essenziali per la navigazione,
capaci di indicare con buona
approssimazione il Nord
geografico. Dai primi, capaci
di ruotare solo su un piano
orizzontale (che hanno
mantenuto la stessa forma
fino ai giorni nostri)....
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (III)
… a quelli introdotti nella
seconda metà del secolo
sedicesimo, detti inclinometri,
liberi di ruotare su un piano
mantenuto verticale, essi
hanno costituito le basi per le
misure del campo magnetico
terrestre.
Bussola d’inclinazione
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (IV)
A medie latitudini, la posizione
di un piccolo magnete mobile
orizzontale (bussola) differisce
dalla direzione del meridiano
geografico di un angolo
inferiore a 20°, chiamato
declinazione magnetica D.
Nella figura accanto sono
rappresentate le isogone
(linee aventi la stessa
declinazione) misurate da
Edmund Halley nel 1700
durante viaggi oceanici.
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (V)
Nella mappa odierna della declinazione degli Stati Uniti (figura
sotto) risulta più chiara la funzione delle isogone.
La linea marcata nera
rappresenta la linea del campo
dove il meridiano geografico e
quello magnetico coincidono.
Le isogone rosse,
contrassegnate da valori
negativi, determinano di
quanti gradi il meridiano
magnetico è ruotato verso
Ovest (in senso antiorario)
rispetto al meridiano
geografico. Infine le isogone
blu, con valori positivi,
indicano lo spostamento verso
Est della bussola rispetto al
Nord geografico della mappa.
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (VI)
Applicando lo stesso tipo di procedimento a una bussola verticale
si osserva che nell’emisfero boreale il nord dell’ago magnetico si
inclina verso il basso, mentre nell’emisfero australe punta verso
l’alto.
L’angolo individuato
dall’ago dell’inclinometro
rispetto al piano
orizzontale è l’inclinazione
magnetica I.
Le curve a inclinazione
costante sono dette
isocline.
In figura, la carta
mondiale delle isocline
della inclinazione I al
livello del mare
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (VII)
Le linee di forza
risultanti sono riportate
nella figura che abbiamo
già vista in precedenza.
Esse hanno l’asse
geomagnetico Nord
inclinato di circa 11°
rispetto all’asse del Nord
geografico.
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (VIII)
La determinazione di un campo vettoriale in un punto dello
spazio può essere realizzata attraverso tre valori indipendenti.
Questi per il campo magnetico terrestre possono essere due
angoli come D e I, ma rimane aperto il problema dell’intensità
del campo magnetico terrestre F.
La determinazione del campo magnetico terrestre implica
dunque la misura (nei diversi punti della superficie terrestre e
nelle sue immediate vicinanze) di D, I e F. Un’alternativa
possibile è quella di misurare la componente orizzontale del
campo magnetico terrestre H, quella verticale Z e la
declinazione D.
Il campo magnetico terrestre: la
determinazione di un campo vettoriale (IX)
In figura è
rappresentata la
carta delle
isodinamiche
(curve chiuse a
uguale intensità)
dell’intensità F del
campo principale
terrestre 2010 in
nanotesla.
I valori medi annuali variano da un minimo di circa 23000 nT a
un massimo di 61000 nT.
Campo magnetico e correnti elettriche (I)
L’intensità del vettore induzione
magnetica B a una distanza R da
un filo conduttore rettilineo
indefinito (di grandissima
lunghezza) percorso da una
corrente i, la validità
dell’espressione: B=ki/R, con la
-7
costante k=2 10 Tm/A.
Le linee di forza del campo magnetico generato dal filo
rettilineo sono circolari con il verso regolato da regole
mnemoniche (vite destrogira).
Campo magnetico e correnti elettriche (II)
In genere nelle esperienze alla Oested
del filo rettilineo il campo creato dalle
correnti è notevolmente superiore a
quello terrestre (ordine di grandezza
10-4 T), mentre se si vuole misurare
Bobine di Helmholtz
orientate secondo la
direzione di una bussola
l’intensità del campo geomagnetico
attraverso bobine percorse da corrente
bisogna ridurre notevolmente l’intensità
della corrente i.
Le bobine vanno dapprima orientate
secondo il campo magnetico terrestre
con un ago magnetico posto al centro
delle stesse (senza collegare ancora le
bobine a un alimentatore variabile).
Campo magnetico e correnti elettriche (III)
La componente orizzontale del campo
magnetico terrestre H risulterà
perpendicolare a B quando le bobine
saranno attraversate da corrente. Se
l’intensità di corrente è regolata in
modo da ruotare l’ago magnetico di
45°, allora il modulo di B coincide con
H.
Composizione dei campi
tra le bobine di Helmholtz
con magnete disposto a
45°
Di conseguenza dalla misura del
numero degli avvolgimenti N, del raggio
e dell’intensità di corrente, è possibile
ricavare la componente orizzontale H
del campo magnetico terrestre.
I modelli e le misure recenti del campo
geomagnetico (I)
Il campo magnetico terrestre è misurato, in
prossimità della superficie della Terra, dalla
rete di osservatori geomagnetici, e,
nell’atmosfera, da satelliti specializzati che
impiegano magnetometri scalari e vettoriali.
Essi discriminano i diversi contributi dovuti
alle sorgenti che si trovano a diversa distanza
dalla superficie terrestre che è approssimata a
una sfera.
I modelli e le misure recenti del campo
geomagnetico (II)
Le principali sorgenti, nella forma di correnti
elettriche e, in misura minore, di materiali
magnetizzati, si trovano sotto la superficie di
riferimento; le secondarie, dovute solo a
correnti, sono sopra di questa, nella ionosfera
e nella magnetosfera. Le correnti secondarie
esterne inducono cariche in movimento
all’interno della crosta, del mantello e degli
oceani. Ogni sorgente può essere localizzata e
il suo contributo all’energia del campo può
essere valutato attraverso modelli matematici
di campo principale.
I modelli e le misure recenti del campo
geomagnetico (III)
Il principale campo geomagnetico (campo
nucleare, core field) è prodotto dal
movimento delle cariche nel nucleo esterno
fluido posto a una profondità tra 2900 km a
5150 km dalla superficie. Un campo
equivalente a quello di una dinamo
autosostenuta che opera oltre il nucleo solido
più interno. Circa il 95% del campo sulla
superficie terrestre è dovuto alle correnti nel
nucleo terrestre. Materiali magnetici nella
crosta producono invece il campo crostale o
indotto (crust field); relativamente debole,
esso contribuisce per pochi punti percentuali
al campo complessivo.
I modelli e le misure recenti del campo
geomagnetico (IV)
Le sorgenti interne alla Terra (crostale e
nucleare) non esauriscono tutte le generatrici
del campo geomagnetico. Il flusso di plasma
supersonico emesso dal Sole è la principale
causa delle variazioni temporali del campo
magnetico terrestre. Il vento solare
costituisce un’onda d’urto che modifica la
struttura del campo geomagnetico e la
distribuzione delle particelle cariche intorno
alla Terra.
I modelli e le misure recenti del campo
geomagnetico (V)
Se si osserva la magnetosfera, solo le linee del campo
magnetico in prossimità della superficie terrestre si avvicinano
a quelle di un dipolo. Allontanandoci dalla Terra, dalla parte del
Sole, le linee di forza sono come schiacciate dal vento solare;
mentre, dalla parte opposta, tendono ad allungarsi. Infine, in
prossimità della Terra, la situazione è assai irregolare.
Magnetosfera terrestre
I modelli e le misure recenti del campo
geomagnetico (VI)
L’eventuale riduzione dell’intensità del nostro scudo naturale al
vento solare è allora la giustificazione principale per uno sforzo
mai registrato prima con l’invio nel 2013 di una costellazione di
tre satelliti dell’ESA (missione Swarm) per monitorare le
variazioni del campo geomagnetico secondo un dettaglio
inimmaginabile con la sola strumentazione terrestre.
Magnetometro vettoriale
impiegato nel progetto
Swarm
Altri video
VIDEO 1 Vento solare e campo magnetico
terrestre
VIDEO 2 Il campo magnetico-Magnetismo
RAIscienza
VIDEO 3 Il campo magnetico terrestre
VIDEO 4 ESA’s Swarm mission
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VIDEO 6 Tempesta solare verso la Terra
Rainews
FINE
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