El campo magnético de la Tierra , también conocido como el escudo de la Tierra , es un campo magnético presente en un gran espacio alrededor de la Tierra (no uniformemente debido a su interacción con el viento solar ), así como en la corteza y el manto . Tiene su origen en el núcleo externo , mediante un mecanismo de dínamo autoexcitado.
Según estudios de John Tarduno de la Universidad de Rochester ( Estados Unidos ), la Tierra ya tenía un campo magnético hace 3.450 millones de años. En ese momento, la intensidad del campo era del 50 al 70% de su valor actual. Pero a partir de 3.2 Ga, el campo de la tierra era tan intenso como lo es hoy. En 2014 se propuso que el campo magnético de la Tierra ya existía hace 4.200 millones de años, pero en 2020 se cuestionó la validez de estos estudios, basados en la magnetización de cristales de circonio antiguo .
El campo magnético de la Tierra es generado por los movimientos de convección del núcleo exterior de nuestro planeta, formado por metal líquido (principalmente Fe y Ni ). Este núcleo externo funciona como una dínamo autoexcitada (también decimos auto-sustentable ), es decir que el campo magnético está en el origen de las corrientes eléctricas que por sí mismas generan el campo (anidamiento de la inducción electromagnética y la ley de Biot y Savart ). La convección es probablemente soluble (debido a gradientes de concentración ) más que térmica (debido a gradientes de temperatura ), y está estrechamente relacionada con el crecimiento del núcleo interno : el hierro-níquel sólido es menos rico en elementos disueltos como el líquido, la cristalización de este líquido enriquece la base del núcleo externo en elementos disueltos; siendo estos elementos más ligeros que el Fe y el Ni, el líquido metálico profundo tiende a elevarse bajo el efecto del empuje de Arquímedes .
Sin embargo, el núcleo interno es demasiado joven para que el mecanismo anterior haya funcionado hace más de 1,5 Ga . Otro proceso de convección de solutos habría sido la disolución de óxido de magnesio MgO, debido al enfriamiento progresivo del núcleo (mientras estaba completamente líquido). De hecho, el MgO es soluble en hierro líquido a temperaturas muy altas. Una cantidad significativa de MgO podría haberse disuelto en el núcleo durante la acreción de la Tierra y, en particular, durante el gigantesco impacto en el origen de la Luna.
El campo magnético de la Tierra se puede comparar, en una primera aproximación, con el de un imán derecho (o de un dipolo magnético , o de una bobina plana atravesada por una corriente eléctrica ), de momento magnético 7,7 × 10 22 A m 2 en 2000 El punto central de este imán no está exactamente en el centro de la Tierra, se encuentra a unos cientos de kilómetros del centro geométrico. Esta aproximación no debe hacernos olvidar que el campo tiene componentes multipolares cuya intensidad, aunque mucho más débil que la componente dipolar, no es despreciable, en particular durante una inversión del campo magnético terrestre que ve el debilitamiento. La intensidad del dipolo de modo que los componentes no dipolares se vuelven predominantes.
La teoría del potencial describe, a partir de la ecuación de Laplace , que un cuadrupolo se superpone a este imán derecho en el segundo orden , en el tercer orden un octópodo, etc., hasta el infinito. Esta descomposición armónica denominada esférica admite coeficientes que ponderan la importancia que se le atribuye a cada imán. El primero en haber medido su valor es Gauss a partir de una malla de observatorios magnéticos distribuidos alrededor de la Tierra, para luego derivar estudios estadísticos de ellos.
El conjunto de líneas del campo magnético de la Tierra por encima de la ionosfera , a más de 1.000 km de distancia , se llama magnetosfera . La influencia del campo magnético de la Tierra se siente a varias decenas de miles de kilómetros de distancia.
Otros planetas del sistema solar tienen un campo magnético: Mercurio , Saturno , Urano , Neptuno y especialmente Júpiter . El sol mismo tiene uno.
Aunque los imanes se conocen desde la antigüedad, fueron los chinos quienes, alrededor del año 1000-1100, los utilizaron para orientarse con la ayuda de la brújula . La relación entre los imanes y el campo magnético de la Tierra fue descubierto en 1600 por William Gilbert , un médico Inglés y físico de la reina Elizabeth I re publicación en 1600 Magno Magnete telurio ( "De la Gran Imán de la Tierra"). Esta teoría es la primera que se refiere a las características globales de la Tierra, antes de la gravedad de Isaac Newton . Demostró cómo una brújula colocada en la superficie de una bola magnetizada (la " Terrella ") siempre indica el mismo punto, como lo hace en la Tierra.
Los polos magnéticos se definen convencionalmente como los puntos en la superficie de la tierra donde el campo magnético es localmente vertical, es decir, la inclinación magnética es de 90 grados (ver más abajo las propiedades del campo magnético para una definición de inclinación). Hay un polo magnético por hemisferio, el norte y el sur. En el XI ° siglo, el gran pensador chino Shen Kuo fue el primero en darse cuenta de que los polos geográficos y magnéticos que no coinciden. Fue en 1831 cuando los científicos notaron que los polos magnéticos estaban cambiando.
El polo norte magnético de la Tierra es de hecho un polo de magnetismo "sur". Esto es una pura convención, debido a la elección de llamar "norte" a la punta de la aguja de la brújula que apunta a este polo magnético, que no está muy lejos del Polo Norte geográfico . El eje geomagnético, al pasar por los dos polos geomagnéticos, forma un ángulo de 11,5 ° con respecto al eje de rotación de la Tierra; es la declinación magnética .
Una medición realizada en abril de 2007 por el proyecto "Poly-Arctic" ubicó el Polo Norte Magnético (Nm) a una latitud de 83,95 ° N y una longitud de 121,02 ° W ( 83 ° 57 ′ 00 ″ N, 121 ° 01 ′ 12 ″ W ), es decir 673 km del Polo Norte geográfico (Ng) y luego con una velocidad media de movimiento de 55 km / año contra 15 km / año antes de 1990. Esta aceleración hace que el polo se mueva mucho durante los primeros 20 años del XXI ° siglo, a lo largo del XX XX .
Desde mediados de la década de los noventa se ha trasladado de Canadá (donde siempre estuvo desde los primeros bares) a Siberia sin que la comunidad científica entendiera este desarrollo.
En el verano de 2010, estaba a 550 km del Polo Norte geográfico.
La aceleración del movimiento se combina con otro fenómeno: las "sacudidas geomagnéticas", impulsos que localmente "aceleran" el campo magnético. Uno ocurrió en 2016. Los servicios especializados estadounidenses se vieron así llevados a distribuir, en 2019, una nueva versión del modelo magnético mundial , uno de los referentes en el campo.
En septiembre de 2019, la longitud del Polo Norte magnético era la del meridiano de Greenwich .
Además, la posición del polo magnético varía durante el día, moviéndose varias decenas de kilómetros alrededor de su posición promedio.
El polo sur magnético , por su parte, se encuentra fuera de la Tierra Adelia , en el mar de Urville , a los 65 ° S y 138 ° E.
Polo Norte Magnético | (2001) 81 ° 18 ′ N, 110 ° 48 ′ O | (2004) 82 ° 18 ′ N, 113 ° 24 ′ O | (2005) 82 ° 42 ′ N, 114 ° 24 ′ W | (2010) 85 ° 00 ′ N, 132 ° 36 ′ W |
Polo Sur Magnético | (1998) 64 ° 00 ′ S, 138 ° 30 ′ E | (2004) 63 ° 30 ′ S, 138 ° 00 ′ E | (2005) 63 ° 06 ′ S, 137 ° 30 ′ E | (2010) 64 ° 24 ′ S, 137 ° 18 ′ E |
En un punto dado del campo magnético de la Tierra, el vector del campo magnético se puede dividir en un componente vertical (dirigido a lo largo de la vertical local, o aproximadamente hacia el centro de la Tierra) y un componente horizontal . En los polos magnéticos, la componente horizontal tiene un valor cero.
El viento solar es responsable de las variaciones en el campo medido, por las corrientes eléctricas que genera en la ionosfera y la magnetosfera. Dependiendo de la actividad solar, las tormentas magnéticas pueden perturbar el campo magnético terrestre al variar la intensidad del componente horizontal B 0 . Además, los vientos solares distorsionan las líneas de campo del campo magnético de la Tierra. En el lado diurno se aplanan hacia la Tierra y en el lado nocturno se desvían en diez rayos terrestres .
El valor de la inducción magnética se expresa en teslas (nombre de la unidad en el Sistema Internacional de Unidades ), en honor a Nikola Tesla . Actualmente, es de alrededor de 47 μT en el centro de Francia.
El arqueomagnetismo , basado en el estudio de las huellas del campo magnético en los objetos arqueológicos (ladrillos, cerámicas, etc.), y el paleomagnetismo , más bien fundado en las rocas, para comprender la evolución del geomagnetismo a lo largo del tiempo; fechando las inversiones de polaridad magnética a lo largo de las edades, por ejemplo.
Para dos bobinas de Helmholtz idénticas separadas por una distancia igual a su radio, el campo creado en el medio de estas dos bobinas puede considerarse uniforme (las dos bobinas son atravesadas por la misma corriente). Al colocar estas bobinas de manera que el campo que inducen esté alineado con el campo magnético de la tierra, el campo total resultante entre las bobinas es por lo tanto:
.Una aguja magnética (brújula) colocada en R / 2 se alinea con este campo resultante. Sacado de su posición de equilibrio, oscila en un período:
donde μ denota el momento magnético del imán y J su momento de inercia.
Si invertimos la dirección de la corriente en las bobinas, el campo inducido cambia de dirección (conservación de la dirección colineal con el campo terrestre). Asegurándose de que el campo inducido por la bobina sea más bajo que el campo magnético de la tierra (el cambio en la dirección de la corriente no debe inducir un cambio en la dirección de la aguja), la aguja oscila en el período:
.De estos dos períodos obtenemos:
.Así, si consideramos bobinas de radio R , compuestas por N vueltas y atravesadas por una corriente de intensidad I , midiendo T 1 y T 2 deducimos el campo magnético terrestre:
.Las bobinas de Helmholtz están colocadas esta vez de modo que el campo que inducen sea ortogonal al campo magnético terrestre.
La aguja magnética, sometida a la acción de dos campos, se orienta según su resultante. El campo resultante al que se somete la brújula es igual a la suma del campo terrestre y el campo inducido y está alineado en la dirección α de manera que:
.Una medida del ángulo α permite obtener el valor del campo magnético:
.La aguja de una brújula perfecta (no perturbada por un campo parásito), se orienta a lo largo de la componente paralela al dial (normalmente colocada horizontalmente), quedando tangente a la línea de campo del lugar donde se ubica. La brújula indica la dirección de la Polo Norte magnético (y no la de la geográfica Polo Norte ); la diferencia angular relativa se llama declinación magnética , cuyo valor depende de dónde se encuentre.
La brújula utilizada en la navegación, llamada brújula , generalmente no indica el norte magnético, sino el norte de la brújula , una dirección a la que se debe realizar otra corrección (llamada desviación de la brújula) para encontrar la dirección del norte magnético.
La variación magnética de un lugar se proporciona en los mapas detallados (1 / 50.000 o 1 / 25.000) de la región. En las cartas náuticas y aeronáuticas también se proporciona una estimación de su variación anual (por ejemplo, disminución de 6 'por año). Para ciertas aplicaciones modernas (aviación, etc.), se usa un magnetómetro , que mide los tres componentes del vector de campo magnético.
Se distingue entre arqueomagnetismo , basado en el estudio de las trazas del campo magnético fijadas en objetos arqueológicos (ladrillos, cerámicas, etc.), y paleomagnetismo basado en el análisis de las variaciones del campo magnético registradas por las rocas. Durante la solidificación “rápida” de un material (cocción de una cerámica, erupción volcánica, etc.), los dipolos magnéticos que contiene se congelan, dando así una instantánea de la dirección del campo magnético de la Tierra. El trabajo de Xavier Le Pichon en la década de 1970 permitió destacar el fenómeno de la deriva continental , a partir del estudio de la variación del campo magnético terrestre registrado a nivel de las dorsales del Atlántico medio. Así se descubrió que el campo magnético de la Tierra ha sufrido múltiples inversiones de polaridad durante millones de años.
La prospección minera es uno de los principales campos de aplicación para el estudio del geomagnetismo. Diferentes rocas con diferentes magnetizaciones, se modifica el valor de la intensidad del campo magnético terrestre. Así es posible obtener un mapa de las estructuras en profundidad, según las variaciones en la magnetización de las rocas.
El campo magnético de la Tierra juega un papel vital en el desarrollo de la vida en la Tierra, desviando las partículas mortales del viento solar formando así las Luces del Norte y del Sur.
El núcleo externo (líquido) que genera el campo magnético global de la Tierra se enfría muy lentamente. El núcleo interno (sólido) se hace más grande por la solidificación del metal líquido del núcleo externo en contacto con el núcleo interno. Se estima que el núcleo exterior se solidificará (casi) por completo en unos pocos miles de millones de años y que, como resultado, el campo magnético global desaparecerá.
La Tierra presentará entonces condiciones comparables a las presentes en Venus hoy, sin un campo magnético global.
Muchos animales terrestres ( p. Ej. Aves ) o acuáticos ( p. Ej., Tortugas marinas ) altamente migratorios parecen tener una percepción fina del campo magnético terrestre ( magnetorrecepción ), incluso si otros sentidos están involucrados durante las migraciones. Por ejemplo, las tortugas bobas son sensibles a la latitud dependiendo del campo magnético de la tierra y su inclinación. Así, tortugas muy jóvenes de esta especie colocadas, poco después de su eclosión, en una cuenca reproduciendo condiciones de campo magnético de otras regiones ( Puerto Rico y Cabo Verde , ubicadas en su ruta migratoria habitual en la misma latitud (20 ° N), pero a diferentes longitudes) rápidamente giraron en la dirección que tomarían en este entorno (NE y SE respectivamente).
La inversión del campo magnético de la Tierra es un fenómeno recurrente en la historia geológica de la Tierra, el Polo Norte magnético se mueve hacia el Polo Sur geográfico y viceversa. Es el resultado de una perturbación de la estabilidad del núcleo de la Tierra . El campo magnético entra en pánico por un período corto (1000 a 10,000 años) durante el cual los polos magnéticos se mueven rápidamente por toda la superficie del globo, o desaparecen, según las teorías.
Durante esta transición, la intensidad del campo magnético es muy débil y la superficie del planeta puede estar expuesta al viento solar , potencialmente peligroso para los organismos vivos. Si esto sucediera hoy, muchas tecnologías que utilizan el campo magnético también podrían verse afectadas.
Al final de este período de transición, o los polos magnéticos retoman sus posiciones iniciales, entonces es solo cuestión de una excursión geomagnética, o se permutan y ahí hablamos de inversión.
El campo terrestre se ha invertido unas 300 veces en los últimos 200 millones de años. La última inversión fue hace 780.000 años y la última hace 33.000 años, nadie sabe cuándo sucederá la siguiente.
En 2012, Mioara Mandea y su equipo demostraron una correlación entre los cambios magnéticos terrestres y los cambios en los campos gravitacionales inducidos por modificaciones dentro del núcleo de la Tierra en un área que va desde Alaska hasta el Océano Índico , el informe de causa y efecto aún no se ha probado y el modelo teórico a construir.