Escudo de la Tierra: ¿Dónde tiene nuestro planeta un campo magnético?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

El campo magnético protege la superficie de la Tierra del viento solar y la radiación cósmica dañina. Funciona como una especie de escudo; sin su existencia, la atmósfera se destruiría. Te contamos cómo se formó y cambió el campo magnético de la Tierra.

La estructura y características del campo magnético terrestre

El campo magnético de la Tierra, o campo geomagnético, es un campo magnético generado por fuentes intraterrestres. El tema del estudio del geomagnetismo. Apareció hace 4, 2 mil millones de años.

El propio campo magnético de la Tierra (campo geomagnético) se puede dividir en las siguientes partes principales:

• campo principal,
• campos de anomalías mundiales,
• campo magnético externo.

Campo principal

Más del 90% consiste en un campo, cuya fuente está dentro de la Tierra, en el núcleo externo líquido; esta parte se llama campo principal, principal o normal.

Se aproxima en forma de serie en armónicos, una serie gaussiana, y en una primera aproximación cerca de la superficie de la Tierra (hasta tres de sus radios) está cerca del campo del dipolo magnético, es decir, se parece a la Tierra. es un imán de banda con un eje dirigido aproximadamente de norte a sur.

Campos de anomalías mundiales

Las líneas de fuerza reales del campo magnético terrestre, aunque en promedio cercanas a las líneas de fuerza del dipolo, se diferencian de ellas por irregularidades locales asociadas con la presencia de rocas magnetizadas en la corteza ubicada cerca de la superficie.

Debido a esto, en algunos lugares de la superficie terrestre, los parámetros de campo son muy diferentes a los valores en áreas cercanas, formando las llamadas anomalías magnéticas. Pueden superponerse entre sí si los cuerpos magnetizados que los causan se encuentran a diferentes profundidades.

Campo magnético externo

Está determinada por fuentes en forma de sistemas de corriente ubicados fuera de la superficie terrestre, en su atmósfera. En la parte superior de la atmósfera (100 km y más) - la ionosfera - sus moléculas se ionizan, formando un denso plasma frío que se eleva más alto, por lo tanto, una parte de la magnetosfera de la Tierra por encima de la ionosfera, extendiéndose a una distancia de hasta tres de sus radios, se llama plasmasfera.

El plasma está retenido por el campo magnético de la Tierra, pero su estado está determinado por su interacción con el viento solar, el flujo de plasma de la corona solar.

Así, a mayor distancia de la superficie terrestre, el campo magnético es asimétrico, ya que se distorsiona bajo la acción del viento solar: desde el Sol se contrae, y en la dirección del Sol adquiere un "rastro" que se extiende durante cientos de miles de kilómetros, yendo más allá de la órbita de la Luna.

Esta peculiar forma de "cola" surge cuando el plasma del viento solar y las corrientes corpusculares solares parecen fluir alrededor de la magnetosfera terrestre, la región del espacio cercano a la Tierra, todavía controlada por el campo magnético de la Tierra, y no el Sol y otros fuentes interplanetarias.

Está separado del espacio interplanetario por una magnetopausa, donde la presión dinámica del viento solar se equilibra con la presión de su propio campo magnético.

Parámetros de campo

Una representación visual de la posición de las líneas de inducción magnética del campo terrestre es proporcionada por una aguja magnética, fijada de tal manera que puede girar libremente tanto alrededor del eje vertical como alrededor del horizontal (por ejemplo, en un cardán), - en cada punto cercano a la superficie de la Tierra, se instala de cierta manera a lo largo de estas líneas.

Dado que los polos magnético y geográfico no coinciden, la aguja magnética solo muestra una dirección aproximada de norte a sur.

El plano vertical en el que se instala la aguja magnética se llama el plano del meridiano magnético del lugar dado, y la línea a lo largo de la cual este plano se cruza con la superficie de la Tierra se llama meridiano magnético.

Así, los meridianos magnéticos son las proyecciones de las líneas de fuerza del campo magnético de la Tierra sobre su superficie, convergiendo en los polos magnéticos norte y sur. El ángulo entre las direcciones de los meridianos magnético y geográfico se llama declinación magnética.

Puede ser occidental (a menudo indicado por un signo "-") u oriental (un signo "+"), dependiendo de si el polo norte de la aguja magnética se desvía del plano vertical del meridiano geográfico hacia el oeste o el este.

Además, las líneas del campo magnético de la Tierra, en términos generales, no son paralelas a su superficie. Esto significa que la inducción magnética del campo de la Tierra no se encuentra en el plano del horizonte de un lugar dado, sino que forma un cierto ángulo con este plano; se llama inclinación magnética. Está cerca de cero solo en los puntos del ecuador magnético, la circunferencia de un gran círculo en un plano que es perpendicular al eje magnético.

Resultados del modelado numérico del campo magnético de la Tierra: a la izquierda - normal, a la derecha - durante la inversión

La naturaleza del campo magnético terrestre

Por primera vez, J. Larmor intentó explicar la existencia de los campos magnéticos de la Tierra y el Sol en 1919, proponiendo el concepto de dínamo, según el cual el mantenimiento del campo magnético de un cuerpo celeste ocurre bajo la acción del movimiento hidrodinámico de un medio eléctricamente conductor.

Sin embargo, en 1934, T. Cowling demostró el teorema sobre la imposibilidad de mantener un campo magnético axisimétrico mediante un mecanismo de dinamo hidrodinámico.

Y dado que la mayoría de los cuerpos celestes estudiados (y aún más la Tierra) se consideraron axialmente simétricos, sobre esta base fue posible suponer que su campo también sería axialmente simétrico, y luego su generación de acuerdo con este principio. sería imposible de acuerdo con este teorema.

Incluso Albert Einstein se mostró escéptico sobre la viabilidad de tal dínamo dada la imposibilidad de la existencia de soluciones simples (simétricas). Solo mucho más tarde se demostró que no todas las ecuaciones con simetría axial que describen el proceso de generación del campo magnético tendrán una solución axialmente simétrica, incluso en la década de 1950. Se han encontrado soluciones asimétricas.

Desde entonces, la teoría de la dínamo se ha desarrollado con éxito, y hoy en día la explicación más probable generalmente aceptada para el origen del campo magnético de la Tierra y otros planetas es un mecanismo de dínamo autoexcitado basado en la generación de una corriente eléctrica en un conductor. cuando se mueve en un campo magnético generado y amplificado por estas mismas corrientes.

Las condiciones necesarias se crean en el núcleo de la Tierra: en el núcleo externo líquido, que consiste principalmente en hierro a una temperatura de aproximadamente 4-6 mil Kelvin, que conduce perfectamente la corriente, se crean flujos convectivos que eliminan el calor del núcleo interno sólido (generado debido a la desintegración de elementos radiactivos o la liberación de calor latente durante la solidificación de la materia en el límite entre los núcleos interno y externo a medida que el planeta se enfría gradualmente).

Las fuerzas de Coriolis retuercen estas corrientes en espirales características que forman los llamados pilares de Taylor. Debido a la fricción de las capas, adquieren una carga eléctrica, formando corrientes de bucle. Así, se crea un sistema de corrientes que circulan a lo largo de un circuito conductor en conductores que se mueven en un campo magnético (inicialmente presente, aunque muy débil), como en un disco de Faraday.

Crea un campo magnético, el cual, con una geometría favorable de los flujos, realza el campo inicial, y éste, a su vez, realza la corriente, y el proceso de amplificación continúa hasta que las pérdidas a calor Joule, aumentando con la corriente creciente, equilibran la Entradas de energía debidas a movimientos hidrodinámicos.

Se sugirió que la dínamo puede excitarse por precesión o fuerzas de marea, es decir, que la fuente de energía es la rotación de la Tierra, sin embargo, la hipótesis más extendida y desarrollada es que se trata precisamente de convección termoquímica.

Cambios en el campo magnético de la Tierra

La inversión del campo magnético es un cambio en la dirección del campo magnético de la Tierra en la historia geológica del planeta (determinada por el método paleomagnético).

En una inversión, el norte magnético y el sur magnético se invierten y la aguja de la brújula comienza a apuntar en la dirección opuesta. La inversión es un fenómeno relativamente raro que nunca ha ocurrido durante la existencia del Homo sapiens. Presumiblemente, la última vez que sucedió hace unos 780 mil años.

Las inversiones del campo magnético ocurrieron a intervalos de tiempo desde decenas de miles de años hasta grandes intervalos de un campo magnético silencioso de decenas de millones de años, cuando las inversiones no ocurrieron.

Por lo tanto, no se encontró periodicidad en la inversión de polos, y este proceso se considera estocástico. Los períodos prolongados de un campo magnético silencioso pueden ir seguidos de períodos de múltiples inversiones con diferentes duraciones y viceversa. Los estudios muestran que un cambio en los polos magnéticos puede durar desde varios cientos hasta varios cientos de miles de años.

Expertos de la Universidad Johns Hopkins (EE. UU.) Sugieren que durante las reversiones, la magnetosfera de la Tierra se debilitó tanto que la radiación cósmica podría llegar a la superficie de la Tierra, por lo que este fenómeno podría dañar a los organismos vivos del planeta, y el próximo cambio de polos podría conducir a más graves consecuencias para la humanidad hasta una catástrofe global.

El trabajo científico de los últimos años ha demostrado (incluso en experimentos) la posibilidad de cambios aleatorios en la dirección del campo magnético ("saltos") en una dínamo turbulenta estacionaria. Según el jefe del laboratorio de geomagnetismo del Instituto de Física de la Tierra, Vladimir Pavlov, la inversión es un proceso bastante largo para los estándares humanos.

Los geofísicos de la Universidad de Leeds Yon Mound y Phil Livermore creen que en un par de miles de años habrá una inversión del campo magnético de la Tierra.

Desplazamiento de los polos magnéticos de la Tierra

Por primera vez, las coordenadas del polo magnético en el hemisferio norte se determinaron en 1831, nuevamente: en 1904, luego en 1948 y 1962, 1973, 1984, 1994; en el hemisferio sur, nuevamente en 1841, en 1908. El desplazamiento de los polos magnéticos se registra desde 1885. Durante los últimos 100 años, el polo magnético del hemisferio sur se ha movido casi 900 km y ha entrado en el Océano Austral.

Los últimos datos sobre el estado del polo magnético del Ártico (avanzando hacia la anomalía magnética mundial de Siberia Oriental a través del Océano Ártico) mostraron que de 1973 a 1984 su kilometraje fue de 120 km, de 1984 a 1994, más de 150 km. Aunque estas cifras están calculadas, se confirman mediante mediciones del polo norte magnético.

Después de 1831, cuando se fijó por primera vez la posición del polo, en 2019 el polo ya se había desplazado más de 2.300 km hacia Siberia y sigue avanzando con aceleración.

Su velocidad de viaje aumentó de 15 km por año en 2000 a 55 km por año en 2019. Esta deriva rápida requiere ajustes más frecuentes en los sistemas de navegación que utilizan el campo magnético de la Tierra, como brújulas en teléfonos inteligentes o sistemas de navegación de respaldo para barcos y aviones.

La fuerza del campo magnético terrestre disminuye y de manera desigual. En los últimos 22 años, ha disminuido en un promedio del 1,7% y en algunas regiones, como el Océano Atlántico Sur, en un 10%. En algunos lugares, la fuerza del campo magnético, contrariamente a la tendencia general, incluso aumentó.

La aceleración del movimiento de los polos (en un promedio de 3 km / año) y su movimiento a lo largo de los corredores de inversiones de los polos magnéticos (estos corredores permitieron revelar más de 400 paleoinversiones) sugiere que en este movimiento de los polos uno No debería ver una excursión, sino otra inversión del campo magnético de la Tierra.

¿Cómo surgió el campo magnético terrestre?

Los expertos del Instituto Scripps de Oceanografía y la Universidad de California han sugerido que el campo magnético del planeta fue formado por el manto. Los científicos estadounidenses han desarrollado una hipótesis propuesta hace 13 años por un grupo de investigadores de Francia.

Se sabe que durante mucho tiempo, los profesionales argumentaron que era el núcleo exterior de la Tierra el que generaba su campo magnético. Pero luego los expertos de Francia sugirieron que el manto del planeta siempre fue sólido (desde el momento de su nacimiento).

Esta conclusión hizo que los científicos pensaran que no era el núcleo el que podía formar el campo magnético, sino la parte líquida del manto inferior. La composición del manto es un material de silicato que se considera un mal conductor.

Pero como el manto inferior tenía que permanecer líquido durante miles de millones de años, el movimiento del líquido en su interior no producía corriente eléctrica y, de hecho, era simplemente necesario generar un campo magnético.

Los profesionales de hoy creen que el manto podría haber sido un conducto más poderoso de lo que se pensaba. Esta conclusión de los especialistas justifica plenamente el estado de la Tierra primitiva. Una dínamo de silicato es posible solo si la conductividad eléctrica de su parte líquida es mucho mayor y tiene baja presión y temperatura.