El campo magnético de la Tierra , también conocido como campo geomagnético , es el campo magnético que se extiende desde el interior de la Tierra hacia el espacio, donde interactúa con el viento solar , una corriente de partículas cargadas que emana del Sol . El campo magnético es generado por corrientes eléctricas debido al movimiento de corrientes de convección de una mezcla de hierro fundido y níquel en el núcleo externo de la Tierra : estas corrientes de convección son causadas por el calor que escapa del núcleo, un proceso natural llamado geodinamo .
La magnitud del campo magnético de la Tierra en su superficie varía de 25 a 65 μT (0,25 a 0,65 G). [3] Como aproximación, está representado por un campo de un dipolo magnético actualmente inclinado en un ángulo de unos 11° con respecto al eje de rotación de la Tierra , como si hubiera un enorme imán de barra colocado en ese ángulo a través del centro de la Tierra. El polo geomagnético Norte ( Isla Ellesmere , Nunavut , Canadá) en realidad representa el polo Sur del campo magnético de la Tierra, y a la inversa, el polo geomagnético Sur corresponde al polo Norte del campo magnético de la Tierra (porque los polos magnéticos opuestos se atraen y el extremo norte de un imán, como la aguja de una brújula, apunta hacia el campo magnético Sur de la Tierra.
Aunque los polos magnéticos Norte y Sur suelen estar situados cerca de los polos geográficos, se mueven lenta y continuamente a lo largo de escalas de tiempo geológicas, pero lo suficientemente lento como para que las brújulas ordinarias sigan siendo útiles para la navegación. Sin embargo, a intervalos irregulares que promedian varios cientos de miles de años, el campo de la Tierra se invierte y los polos magnéticos Norte y Sur cambian de lugar abruptamente. Estas inversiones de los polos geomagnéticos dejan un registro en las rocas que es de valor para los paleomagnetistas en el cálculo de los campos geomagnéticos en el pasado. Esa información a su vez es útil para estudiar los movimientos de los continentes y los fondos oceánicos. La magnetosfera se define por la extensión del campo magnético de la Tierra en el espacio o geoespacio . Se extiende por encima de la ionosfera , varias decenas de miles de kilómetros en el espacio , protegiendo a la Tierra de las partículas cargadas del viento solar y los rayos cósmicos que de otro modo destruirían la atmósfera superior, incluida la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta .
El campo magnético de la Tierra desvía la mayor parte del viento solar, cuyas partículas cargadas de otro modo desgarrarían la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta. [4] Un mecanismo de desprendimiento es que el gas quede atrapado en burbujas del campo magnético, que son arrancadas por los vientos solares. [5] Los cálculos de la pérdida de dióxido de carbono de la atmósfera de Marte , resultante de la eliminación de iones por el viento solar, indican que la disipación del campo magnético de Marte causó una pérdida casi total de su atmósfera . [6] [7]
El estudio del campo magnético pasado de la Tierra se conoce como paleomagnetismo. [8] La polaridad del campo magnético de la Tierra se registra en rocas ígneas , y las inversiones del campo son, por lo tanto, detectables como "franjas" centradas en las dorsales oceánicas donde el fondo marino se está extendiendo, mientras que la estabilidad de los polos geomagnéticos entre las inversiones ha permitido al paleomagnetismo rastrear el movimiento pasado de los continentes. Las inversiones también proporcionan la base para la magnetoestratigrafía , una forma de datar rocas y sedimentos. [9] El campo también magnetiza la corteza, y las anomalías magnéticas se pueden utilizar para buscar depósitos de minerales metálicos . [10]
Los seres humanos han utilizado brújulas para orientarse desde el siglo XI d. C. y para navegar desde el siglo XII. [11] Aunque la declinación magnética cambia con el tiempo, este desplazamiento es lo suficientemente lento como para que una simple brújula pueda seguir siendo útil para la navegación. Mediante la magnetorrecepción , varios otros organismos, desde algunos tipos de bacterias hasta las palomas, utilizan el campo magnético de la Tierra para orientarse y navegar. [12]
En cualquier lugar, el campo magnético de la Tierra se puede representar mediante un vector tridimensional. Un procedimiento típico para medir su dirección es utilizar una brújula para determinar la dirección del norte magnético. Su ángulo relativo al norte verdadero es la declinación ( D ) o variación . De cara al norte magnético, el ángulo que forma el campo con la horizontal es la inclinación ( I ) o buzamiento magnético . La intensidad ( F ) del campo es proporcional a la fuerza que ejerce sobre un imán. Otra representación común es en coordenadas X (Norte), Y (Este) y Z (Abajo). [13]
La intensidad del campo suele medirse en gauss (G) , pero generalmente se expresa en microteslas (μT), siendo 1 G = 100 μT. A un nanotesla también se lo denomina gamma (γ). El campo de la Tierra oscila entre aproximadamente 22 y 67 μT (0,22 y 0,67 G). [14] En comparación, un imán de refrigerador potente tiene un campo de aproximadamente 10 000 μT (100 G). [15]
Un mapa de contornos de intensidad se denomina diagrama isodinámico . Como muestra el Modelo Magnético Mundial, la intensidad tiende a disminuir desde los polos hasta el ecuador. Una intensidad mínima se produce en la Anomalía del Atlántico Sur sobre Sudamérica, mientras que hay máximas sobre el norte de Canadá, Siberia y la costa de la Antártida al sur de Australia. [16]
La intensidad del campo magnético está sujeta a cambios a lo largo del tiempo. Un estudio paleomagnético de 2021 de la Universidad de Liverpool contribuyó a un creciente conjunto de pruebas de que el campo magnético de la Tierra cambia de intensidad cada 200 millones de años. El autor principal afirmó que "nuestros hallazgos, cuando se consideran junto con los conjuntos de datos existentes, respaldan la existencia de un ciclo de aproximadamente 200 millones de años en la fuerza del campo magnético de la Tierra relacionado con los procesos de las profundidades terrestres". [17]
La inclinación se da mediante un ángulo que puede asumir valores entre −90° (arriba) y 90° (abajo). En el hemisferio norte, el campo apunta hacia abajo. Está recto hacia abajo en el Polo Norte Magnético y gira hacia arriba a medida que disminuye la latitud hasta que es horizontal (0°) en el ecuador magnético. Continúa girando hacia arriba hasta que está recto hacia arriba en el Polo Sur Magnético. La inclinación se puede medir con un círculo de inclinación .
A continuación se muestra un gráfico isoclínico (mapa de contornos de inclinación) del campo magnético de la Tierra.
La declinación es positiva para una desviación hacia el este del campo con respecto al norte verdadero. Se puede estimar comparando la dirección norte-sur magnética de una brújula con la dirección de un polo celeste . Los mapas suelen incluir información sobre la declinación en forma de ángulo o un pequeño diagrama que muestra la relación entre el norte magnético y el norte verdadero. La información sobre la declinación de una región se puede representar mediante un gráfico con líneas isogónicas (líneas de contorno en las que cada línea representa una declinación fija).
Componentes del campo magnético de la Tierra en la superficie del Modelo Magnético Mundial de 2020. [16]
Cerca de la superficie de la Tierra, su campo magnético puede ser aproximado por el campo de un dipolo magnético ubicado en el centro de la Tierra e inclinado en un ángulo de aproximadamente 11° con respecto al eje de rotación de la Tierra. [18] El dipolo es aproximadamente equivalente a un imán de barra potente , con su polo sur apuntando hacia el Polo Norte geomagnético. [19] Esto puede parecer sorprendente, pero el polo norte de un imán se define así porque, si se le permite girar libremente, apunta aproximadamente hacia el norte (en el sentido geográfico). Dado que el polo norte de un imán atrae los polos sur de otros imanes y repele los polos norte, debe ser atraído por el polo sur del imán de la Tierra. El campo dipolar representa el 80-90% del campo en la mayoría de las ubicaciones. [13]
Históricamente, los polos norte y sur de un imán se definieron primero por el campo magnético de la Tierra, no al revés, ya que uno de los primeros usos de un imán fue como aguja de brújula. El polo norte de un imán se define como el polo que es atraído por el polo norte magnético de la Tierra cuando el imán está suspendido para que pueda girar libremente. Dado que los polos opuestos se atraen, el polo norte magnético de la Tierra es en realidad el polo sur de su campo magnético (el lugar donde el campo se dirige hacia abajo, hacia la Tierra). [20] [21] [22] [23]
Las posiciones de los polos magnéticos se pueden definir de al menos dos maneras: local o globalmente. [24] La definición local es el punto donde el campo magnético es vertical. [25] Esto se puede determinar midiendo la inclinación. La inclinación del campo de la Tierra es de 90° (hacia abajo) en el Polo Norte Magnético y -90° (hacia arriba) en el Polo Sur Magnético. Los dos polos se mueven independientemente uno del otro y no están directamente opuestos entre sí en el globo. Se han observado movimientos de hasta 40 kilómetros (25 millas) por año para el Polo Norte Magnético. Durante los últimos 180 años, el Polo Norte Magnético ha estado migrando hacia el noroeste, desde Cabo Adelaida en la península de Boothia en 1831 hasta 600 kilómetros (370 millas) desde Resolute Bay en 2001. [26] El ecuador magnético es la línea donde la inclinación es cero (el campo magnético es horizontal).
La definición global del campo magnético terrestre se basa en un modelo matemático. Si se traza una línea a través del centro de la Tierra, paralela al momento del dipolo magnético que mejor se ajusta, las dos posiciones en las que interseca la superficie terrestre se denominan polos geomagnéticos Norte y Sur. Si el campo magnético terrestre fuera perfectamente dipolar, los polos geomagnéticos y los polos de inclinación magnética coincidirían y las brújulas apuntarían hacia ellos. Sin embargo, el campo magnético terrestre tiene una contribución no dipolar significativa , por lo que los polos no coinciden y las brújulas generalmente no apuntan hacia ninguno de ellos.
El campo magnético de la Tierra, predominantemente dipolar en su superficie, se ve distorsionado en la zona exterior por el viento solar. Se trata de una corriente de partículas cargadas que salen de la corona solar y aceleran a una velocidad de 200 a 1000 kilómetros por segundo. Llevan consigo un campo magnético, el campo magnético interplanetario (IMF). [27]
El viento solar ejerce una presión que, si pudiera alcanzar la atmósfera terrestre, la erosionaría. Sin embargo, la presión del campo magnético de la Tierra lo mantiene alejado. La magnetopausa , la zona donde se equilibran las presiones, es el límite de la magnetosfera. A pesar de su nombre, la magnetosfera es asimétrica: el lado que da al sol se encuentra a unos 10 radios terrestres , pero el otro lado se extiende en una cola magnética que se extiende más allá de los 200 radios terrestres. [28] Más allá de la magnetopausa se encuentra el arco de choque , la zona donde el viento solar se desacelera abruptamente. [27]
Dentro de la magnetosfera se encuentra la plasmasfera , una región con forma de rosquilla que contiene partículas cargadas de baja energía, o plasma . Esta región comienza a una altura de 60 km, se extiende hasta 3 o 4 radios terrestres e incluye la ionosfera. Esta región gira con la Tierra. [28] También hay dos regiones concéntricas con forma de neumático, llamadas cinturones de radiación de Van Allen , con iones de alta energía (energías de 0,1 a 10 MeV ). El cinturón interior está a 1-2 radios terrestres, mientras que el cinturón exterior está a 4-7 radios terrestres. La plasmasfera y los cinturones de Van Allen tienen una superposición parcial, y el grado de superposición varía mucho con la actividad solar. [29]
Además de desviar el viento solar, el campo magnético de la Tierra desvía los rayos cósmicos , partículas cargadas de alta energía que en su mayoría provienen del exterior del Sistema Solar . Muchos rayos cósmicos se mantienen fuera del Sistema Solar gracias a la magnetosfera del Sol, o heliosfera . [30] En cambio, los astronautas en la Luna corren el riesgo de exponerse a la radiación. Cualquiera que hubiera estado en la superficie de la Luna durante una erupción solar particularmente violenta en 2005 habría recibido una dosis letal. [27]
Algunas de las partículas cargadas entran en la magnetosfera. Estas giran en espiral alrededor de las líneas de campo, rebotando de un lado a otro entre los polos varias veces por segundo. Además, los iones positivos se desplazan lentamente hacia el oeste y los iones negativos hacia el este, dando lugar a una corriente en anillo . Esta corriente reduce el campo magnético en la superficie de la Tierra. [27] Las partículas que penetran en la ionosfera y chocan con los átomos allí dan lugar a las luces de las auroras , al tiempo que emiten rayos X. [28]
Las condiciones variables en la magnetosfera, conocidas como clima espacial , son en gran medida impulsadas por la actividad solar. Si el viento solar es débil, la magnetosfera se expande; mientras que si es fuerte, la comprime y entra más magnetosfera. Los períodos de actividad particularmente intensa, llamados tormentas geomagnéticas , pueden ocurrir cuando una eyección de masa coronal estalla sobre el Sol y envía una onda de choque a través del Sistema Solar. Dicha onda puede tardar solo dos días en llegar a la Tierra. Las tormentas geomagnéticas pueden causar muchas perturbaciones; la tormenta "Halloween" de 2003 dañó más de un tercio de los satélites de la NASA. La tormenta más grande documentada, el Evento Carrington , ocurrió en 1859. Indujo corrientes lo suficientemente fuertes como para interrumpir las líneas telegráficas, y se informó de auroras tan al sur como Hawái. [27] [31]
El campo geomagnético cambia en escalas de tiempo que van desde milisegundos hasta millones de años. Las escalas de tiempo más cortas surgen principalmente de corrientes en la ionosfera ( región de la dinamo ionosférica ) y la magnetosfera, y algunos cambios pueden atribuirse a tormentas geomagnéticas o variaciones diarias en las corrientes. Los cambios en escalas de tiempo de un año o más reflejan principalmente cambios en el interior de la Tierra , en particular el núcleo rico en hierro . [13]
Con frecuencia, la magnetosfera de la Tierra es golpeada por erupciones solares que causan tormentas geomagnéticas, provocando auroras. La inestabilidad a corto plazo del campo magnético se mide con el índice K. [32]
Los datos de THEMIS muestran que el campo magnético, que interactúa con el viento solar, se reduce cuando la orientación magnética se alinea entre el Sol y la Tierra, lo que es contrario a la hipótesis anterior. Durante las próximas tormentas solares, esto podría provocar apagones y perturbaciones en los satélites artificiales . [33]
Los cambios en el campo magnético de la Tierra en una escala de tiempo de un año o más se denominan variación secular . A lo largo de cientos de años, se observa que la declinación magnética varía en decenas de grados. [13] La animación muestra cómo han cambiado las declinaciones globales a lo largo de los últimos siglos. [34]
La dirección y la intensidad del dipolo cambian con el tiempo. Durante los dos últimos siglos, la fuerza del dipolo ha ido disminuyendo a un ritmo de aproximadamente el 6,3 % por siglo. [13] A este ritmo de disminución, el campo sería insignificante en unos 1600 años. [35] Sin embargo, esta fuerza es aproximadamente la media de los últimos 7000 años, y la tasa actual de cambio no es inusual. [36]
Una característica destacada de la parte no dipolar de la variación secular es una deriva hacia el oeste a una velocidad de aproximadamente 0,2° por año. [35] Esta deriva no es la misma en todas partes y ha variado con el tiempo. La deriva promedio global ha sido hacia el oeste desde aproximadamente el año 1400 d. C., pero hacia el este entre aproximadamente el año 1000 d. C. y el 1400 d. C. [37]
Los cambios que anteceden a los observatorios magnéticos se registran en materiales arqueológicos y geológicos. Dichos cambios se conocen como variación secular paleomagnética o variación paleosecular (PSV) . Los registros suelen incluir largos períodos de pequeños cambios con grandes cambios ocasionales que reflejan excursiones y reversiones geomagnéticas . [38]
Un estudio de 1995 sobre los flujos de lava en Steens Mountain , Oregón, pareció sugerir que el campo magnético alguna vez se desplazó a una velocidad de hasta 6° por día en algún momento de la historia de la Tierra, un resultado sorprendente. [39] Sin embargo, en 2014 uno de los autores originales publicó un nuevo estudio que encontró que los resultados en realidad se debían a la desmagnitización térmica continua de la lava, no a un cambio en el campo magnético. [40]
En julio de 2020, los científicos informaron que el análisis de simulaciones y un modelo de campo de observación reciente muestran que las tasas máximas de cambio direccional del campo magnético de la Tierra alcanzaron ~10° por año, casi 100 veces más rápido que los cambios actuales y 10 veces más rápido de lo que se pensaba anteriormente. [41] [42]
Aunque en general el campo de la Tierra es aproximadamente dipolar, con un eje que está casi alineado con el eje de rotación, ocasionalmente los polos geomagnéticos Norte y Sur intercambian lugares. Se pueden encontrar evidencias de estas inversiones geomagnéticas en basaltos , núcleos de sedimentos tomados de los fondos oceánicos y anomalías magnéticas del fondo marino. [43] Las inversiones ocurren casi al azar en el tiempo, con intervalos entre inversiones que van desde menos de 0,1 millones de años hasta 50 millones de años. La inversión geomagnética más reciente, llamada inversión Brunhes-Matuyama , ocurrió hace unos 780.000 años. [26] [44] Un fenómeno relacionado, una excursión geomagnética , lleva al eje dipolar a través del ecuador y luego de regreso a la polaridad original. [45] [46] El evento Laschamp es un ejemplo de una excursión, que ocurrió durante la última edad de hielo (hace 41.000 años).
El campo magnético del pasado está registrado principalmente por minerales fuertemente magnéticos , particularmente óxidos de hierro como la magnetita , que pueden llevar un momento magnético permanente. Esta magnetización remanente , o remanencia , puede adquirirse de más de una manera. En los flujos de lava , la dirección del campo se "congela" en los minerales pequeños a medida que se enfrían, dando lugar a una magnetización termorremanente . En los sedimentos, la orientación de las partículas magnéticas adquiere un ligero sesgo hacia el campo magnético a medida que se depositan en el fondo de un océano o de un lago. Esto se llama magnetización remanente detrítica . [8]
La magnetización termorremanente es la principal fuente de anomalías magnéticas en torno a las dorsales oceánicas. A medida que el fondo marino se expande, el magma brota del manto , se enfría para formar nueva corteza basáltica a ambos lados de la dorsal y es arrastrado por la expansión del fondo marino. A medida que se enfría, registra la dirección del campo magnético terrestre. Cuando el campo magnético terrestre se invierte, el nuevo basalto registra la dirección invertida. El resultado es una serie de franjas que son simétricas respecto de la dorsal. Un barco que remolque un magnetómetro en la superficie del océano puede detectar estas franjas e inferir la edad del fondo oceánico que se encuentra debajo. Esto proporciona información sobre la velocidad a la que el fondo marino se ha expandido en el pasado. [8]
La datación radiométrica de los flujos de lava se ha utilizado para establecer una escala temporal de polaridad geomagnética , parte de la cual se muestra en la imagen. Esto constituye la base de la magnetoestratigrafía , una técnica de correlación geofísica que se puede utilizar para datar tanto secuencias sedimentarias y volcánicas como anomalías magnéticas del fondo marino. [8]
Los estudios paleomagnéticos de lava paleoarqueana en Australia y conglomerado en Sudáfrica han concluido que el campo magnético ha estado presente desde al menos hace unos 3.450 millones de años . [47] [48] [49] En 2024, los investigadores publicaron evidencia de Groenlandia de la existencia del campo magnético hace ya 3.700 millones de años. [50]
A partir de finales del siglo XIX y durante todo el siglo XX y posteriormente, el campo geomagnético general se ha debilitado; el fuerte deterioro actual corresponde a una disminución del 10 al 15 % y se ha acelerado desde el año 2000; la intensidad geomagnética ha disminuido casi continuamente desde un máximo del 35 % por encima del valor moderno, a partir del año 1 d. C. aproximadamente. La tasa de disminución y la intensidad actual se encuentran dentro del rango normal de variación, como lo demuestra el registro de campos magnéticos pasados registrados en rocas.
La naturaleza del campo magnético de la Tierra es de fluctuación heterocedástica (aparentemente aleatoria). Una medición instantánea de este campo, o varias mediciones a lo largo de décadas o siglos, no son suficientes para extrapolar una tendencia general en la intensidad del campo. Ha subido y bajado en el pasado por razones desconocidas. Además, observar la intensidad local del campo dipolar (o su fluctuación) no es suficiente para caracterizar el campo magnético de la Tierra en su conjunto, ya que no es estrictamente un campo dipolar. El componente dipolar del campo de la Tierra puede disminuir incluso mientras el campo magnético total permanece igual o aumenta.
El polo norte magnético de la Tierra se está desplazando desde el norte de Canadá hacia Siberia a un ritmo que actualmente se está acelerando (10 kilómetros por año a principios del siglo XX, hasta 40 kilómetros por año en 2003, [26] y desde entonces sólo se ha acelerado. [51] [52]
Se cree que el campo magnético de la Tierra es generado por corrientes eléctricas en las aleaciones de hierro conductor de su núcleo, creadas por corrientes de convección debido al calor que escapa del núcleo.
La Tierra y la mayoría de los planetas del Sistema Solar, así como el Sol y otras estrellas, generan campos magnéticos a través del movimiento de fluidos conductores de electricidad . [54] El campo de la Tierra se origina en su núcleo. Esta es una región de aleaciones de hierro que se extiende hasta unos 3400 km (el radio de la Tierra es de 6370 km). Se divide en un núcleo interno sólido , con un radio de 1220 km, y un núcleo externo líquido . [55] El movimiento del líquido en el núcleo externo es impulsado por el flujo de calor desde el núcleo interno, que está a unos 6000 K (5730 °C; 10 340 °F), hasta el límite núcleo-manto , que está a unos 3800 K (3530 °C; 6380 °F). [56] El calor se genera por la energía potencial liberada por los materiales más pesados que se hunden hacia el núcleo ( diferenciación planetaria , la catástrofe del hierro ), así como por la desintegración de elementos radiactivos en el interior. El patrón de flujo está organizado por la rotación de la Tierra y la presencia del núcleo interno sólido. [57]
El mecanismo por el cual la Tierra genera un campo magnético se conoce como geodinamo . [54] El campo magnético se genera mediante un bucle de retroalimentación: los bucles de corriente generan campos magnéticos ( ley circuital de Ampère ); un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico ( ley de Faraday ); y los campos eléctrico y magnético ejercen una fuerza sobre las cargas que fluyen en corrientes (la fuerza de Lorentz ). [58] Estos efectos se pueden combinar en una ecuación diferencial parcial para el campo magnético llamada ecuación de inducción magnética ,
donde u es la velocidad del fluido; B es el campo magnético B; y η = 1/σμ es la difusividad magnética , que es el recíproco del producto de la conductividad eléctrica σ y la permeabilidad μ . [59] El término ∂ B /∂ t es la derivada parcial del campo con respecto al tiempo; ∇ 2 es el operador de Laplace , ∇× es el operador rotacional y × es el producto vectorial .
El primer término del lado derecho de la ecuación de inducción es un término de difusión . En un fluido estacionario, el campo magnético disminuye y cualquier concentración de campo se dispersa. Si la dinamo de la Tierra se apagara, la parte dipolar desaparecería en unas pocas decenas de miles de años. [59]
En un conductor perfecto ( ), no habría difusión. Según la ley de Lenz , cualquier cambio en el campo magnético se vería inmediatamente opuesto por las corrientes, por lo que el flujo a través de un volumen dado de fluido no podría cambiar. A medida que el fluido se moviera, el campo magnético lo acompañaría. El teorema que describe este efecto se llama teorema de congelación en el campo . Incluso en un fluido con una conductividad finita, se genera un nuevo campo al estirar las líneas de campo a medida que el fluido se mueve de manera que lo deforman. Este proceso podría continuar generando un nuevo campo indefinidamente, si no fuera porque a medida que el campo magnético aumenta en fuerza, se resiste al movimiento del fluido. [59]
El movimiento del fluido se sustenta por convección , movimiento impulsado por la flotabilidad . La temperatura aumenta hacia el centro de la Tierra, y la temperatura más alta del fluido más abajo lo hace flotante. Esta flotabilidad se mejora por la separación química: a medida que el núcleo se enfría, parte del hierro fundido se solidifica y se deposita en el núcleo interno. En el proceso, los elementos más ligeros quedan atrás en el fluido, lo que lo hace más ligero. Esto se llama convección compositiva . Un efecto Coriolis , causado por la rotación planetaria general, tiende a organizar el flujo en rollos alineados a lo largo del eje polar norte-sur. [57] [59]
Una dinamo puede amplificar un campo magnético, pero necesita un campo "semilla" para que se ponga en marcha. [59] En el caso de la Tierra, esto podría haber sido un campo magnético externo. En los comienzos de su historia, el Sol atravesó una fase T-Tauri en la que el viento solar habría tenido un campo magnético órdenes de magnitud mayor que el actual. [60] Sin embargo, gran parte del campo puede haber sido filtrado por el manto de la Tierra. Una fuente alternativa son las corrientes en el límite entre el núcleo y el manto impulsadas por reacciones químicas o variaciones en la conductividad térmica o eléctrica. Dichos efectos aún pueden proporcionar un pequeño sesgo que forma parte de las condiciones de límite para la geodinamo. [61]
Se calculó que el campo magnético promedio en el núcleo externo de la Tierra era de 25 gauss, 50 veces más fuerte que el campo en la superficie. [62]
Para simular la geodinamo por ordenador es necesario resolver numéricamente un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales no lineales para la magnetohidrodinámica (MHD) del interior de la Tierra. La simulación de las ecuaciones de la MHD se realiza en una cuadrícula de puntos en 3D y la finura de la cuadrícula, que en parte determina el realismo de las soluciones, está limitada principalmente por la potencia de la computadora. Durante décadas, los teóricos se limitaron a crear modelos informáticos de dinamo cinemático en los que se elige de antemano el movimiento del fluido y se calcula el efecto sobre el campo magnético. La teoría de la dinamo cinemática consistía principalmente en probar diferentes geometrías de flujo y comprobar si dichas geometrías podían sostener una dinamo. [63]
Los primeros modelos de dinamo autoconsistentes , que determinan tanto los movimientos del fluido como el campo magnético, fueron desarrollados por dos grupos en 1995, uno en Japón [64] y otro en los Estados Unidos. [1] [65] Este último recibió atención porque reprodujo con éxito algunas de las características del campo de la Tierra, incluidas las inversiones geomagnéticas. [63]
Los océanos contribuyen al campo magnético de la Tierra. El agua de mar es un conductor eléctrico y, por lo tanto, interactúa con el campo magnético. A medida que las mareas giran alrededor de las cuencas oceánicas, el agua del océano intenta, en esencia, arrastrar las líneas del campo geomagnético. Como el agua salada es apenas conductiva, la interacción es relativamente débil: el componente más fuerte proviene de la marea lunar regular que ocurre aproximadamente dos veces al día (M2). Otras contribuciones provienen del oleaje oceánico, los remolinos e incluso los tsunamis. [66]
La fuerza de la interacción depende también de la temperatura del agua del océano. Ahora es posible deducir todo el calor almacenado en el océano a partir de observaciones del campo magnético de la Tierra. [67] [66]
Las corrientes eléctricas inducidas en la ionosfera generan campos magnéticos (región de la dinamo ionosférica). Este campo siempre se genera cerca del punto donde la atmósfera está más próxima al Sol, lo que provoca alteraciones diarias que pueden desviar los campos magnéticos de la superficie hasta en 1°. Las variaciones diarias típicas de la intensidad del campo son de unos 25 nT (una parte en 2000), con variaciones durante unos pocos segundos de alrededor de 1 nT (una parte en 50 000). [68]
La intensidad del campo magnético de la Tierra fue medida por Carl Friedrich Gauss en 1832 [69] y ha sido medida repetidamente desde entonces, mostrando una disminución relativa de alrededor del 10% en los últimos 150 años. [70] El satélite Magsat y los satélites posteriores han utilizado magnetómetros vectoriales de 3 ejes para investigar la estructura 3-D del campo magnético de la Tierra. El posterior satélite Ørsted permitió una comparación que indica un geodinamo dinámico en acción que parece estar dando lugar a un polo alternativo bajo el Océano Atlántico al oeste de Sudáfrica. [71]
Los gobiernos a veces operan unidades que se especializan en la medición del campo magnético de la Tierra. Se trata de observatorios geomagnéticos, que suelen formar parte de un servicio geológico nacional , como por ejemplo el Observatorio Eskdalemuir del Servicio Geológico Británico . Dichos observatorios pueden medir y pronosticar condiciones magnéticas, como tormentas magnéticas, que a veces afectan las comunicaciones, la energía eléctrica y otras actividades humanas.
La Red Internacional de Observatorios Magnéticos en Tiempo Real , con más de 100 observatorios geomagnéticos interconectados alrededor del mundo, ha estado registrando el campo magnético de la Tierra desde 1991.
Los militares determinan las características del campo geomagnético local para detectar anomalías en el entorno natural que podrían ser causadas por un objeto metálico significativo, como un submarino sumergido. Normalmente, estos detectores de anomalías magnéticas se transportan en aviones como el Nimrod del Reino Unido o se remolcan como un instrumento o un conjunto de instrumentos desde buques de superficie.
En el ámbito comercial, las empresas de prospección geofísica también utilizan detectores magnéticos para identificar anomalías naturales que se producen en los yacimientos minerales , como la anomalía magnética de Kursk .
Los magnetómetros detectan desviaciones mínimas en el campo magnético de la Tierra causadas por artefactos de hierro , hornos, algunos tipos de estructuras de piedra e incluso zanjas y basureros en geofísica arqueológica . Utilizando instrumentos magnéticos adaptados de detectores de anomalías magnéticas aerotransportados desarrollados durante la Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos, [73] se han cartografiado las variaciones magnéticas en el fondo del océano. El basalto, la roca volcánica rica en hierro que compone el fondo del océano [74] , contiene un mineral fuertemente magnético (magnetita) y puede distorsionar localmente las lecturas de la brújula. La distorsión fue reconocida por los marineros islandeses ya a fines del siglo XVIII. [75] Más importante aún, debido a que la presencia de magnetita le da al basalto propiedades magnéticas mensurables, estas variaciones magnéticas han proporcionado otro medio para estudiar el fondo del océano profundo. Cuando la roca recién formada se enfría, estos materiales magnéticos registran el campo magnético de la Tierra. [75]
Cada medición del campo magnético se realiza en un lugar y un momento determinados. Si se necesita una estimación precisa del campo en otro lugar y momento, las mediciones deben convertirse en un modelo y el modelo debe utilizarse para realizar predicciones.
La forma más común de analizar las variaciones globales del campo magnético de la Tierra es ajustar las mediciones a un conjunto de armónicos esféricos . Esto fue realizado por primera vez por Carl Friedrich Gauss. [76] Los armónicos esféricos son funciones que oscilan sobre la superficie de una esfera. Son el producto de dos funciones, una que depende de la latitud y otra de la longitud. La función de la longitud es cero a lo largo de cero o más círculos máximos que pasan por los polos norte y sur; el número de tales líneas nodales es el valor absoluto del orden m . La función de la latitud es cero a lo largo de cero o más círculos de latitud; esto más el orden es igual al grado ℓ. Cada armónico es equivalente a una disposición particular de cargas magnéticas en el centro de la Tierra. Un monopolo es una carga magnética aislada, que nunca se ha observado. Un dipolo es equivalente a dos cargas opuestas que se acercan y un cuadrupolo a dos dipolos que se juntan. Un campo cuadrupolo se muestra en la figura inferior a la derecha. [13]
Los armónicos esféricos pueden representar cualquier campo escalar (función de la posición) que satisfaga ciertas propiedades. Un campo magnético es un campo vectorial , pero si se expresa en componentes cartesianos X, Y, Z , cada componente es la derivada de la misma función escalar llamada potencial magnético . Los análisis del campo magnético de la Tierra utilizan una versión modificada de los armónicos esféricos habituales que difieren por un factor multiplicativo. Un ajuste de mínimos cuadrados a las mediciones del campo magnético da el campo de la Tierra como la suma de armónicos esféricos, cada uno multiplicado por el coeficiente de Gauss de mejor ajuste g m ℓ o h m ℓ . [13]
El coeficiente de Gauss de grado más bajo, g 0 0 , indica la contribución de una carga magnética aislada, por lo que es cero. Los tres coeficientes siguientes ( g 1 0 , g 1 1 y h 1 1 ) determinan la dirección y la magnitud de la contribución del dipolo. El dipolo que mejor se ajusta está inclinado en un ángulo de aproximadamente 10° con respecto al eje de rotación, como se describió anteriormente. [13]
El análisis armónico esférico se puede utilizar para distinguir las fuentes internas de las externas si se dispone de mediciones a más de una altura (por ejemplo, observatorios terrestres y satélites). En ese caso, cada término con coeficiente g m ℓ o h m ℓ se puede dividir en dos términos: uno que disminuye con el radio como 1/ r ℓ+1 y otro que aumenta con el radio como r ℓ . Los términos crecientes se ajustan a las fuentes externas (corrientes en la ionosfera y la magnetosfera). Sin embargo, promediadas a lo largo de unos pocos años, las contribuciones externas promedian cero. [13]
Los términos restantes predicen que el potencial de una fuente dipolar ( ℓ=1 ) cae como 1/ r 2 . El campo magnético, al ser una derivada del potencial, cae como 1/ r 3 . Los términos cuadrupolares caen como 1/ r 4 , y los términos de orden superior caen cada vez más rápidamente con el radio. El radio del núcleo externo es aproximadamente la mitad del radio de la Tierra. Si el campo en el límite núcleo-manto se ajusta a los armónicos esféricos, la parte dipolar es más pequeña por un factor de aproximadamente 8 en la superficie, la parte cuadrupolar por un factor de 16, y así sucesivamente. Por lo tanto, solo los componentes con grandes longitudes de onda pueden notarse en la superficie. A partir de una variedad de argumentos, generalmente se asume que solo los términos hasta el grado 14 o menos tienen su origen en el núcleo. Estos tienen longitudes de onda de aproximadamente 2000 km (1200 mi) o menos. Las características más pequeñas se atribuyen a anomalías de la corteza. [13]
La Asociación Internacional de Geomagnetismo y Aeronomía mantiene un modelo de campo global estándar llamado Campo Geomagnético de Referencia Internacional (IGRF). Se actualiza cada cinco años. El modelo de 11.ª generación, IGRF11, se desarrolló utilizando datos de satélites ( Ørsted , CHAMP y SAC-C) y una red mundial de observatorios geomagnéticos. [77] La expansión armónica esférica se truncó en el grado 10, con 120 coeficientes, hasta el año 2000. Los modelos posteriores se truncaron en el grado 13 (195 coeficientes). [78]
Otro modelo de campo global, llamado Modelo Magnético Mundial , es producido conjuntamente por los Centros Nacionales de Información Ambiental de los Estados Unidos (anteriormente el Centro Nacional de Datos Geofísicos) y el Servicio Geológico Británico . Este modelo trunca en el grado 12 (168 coeficientes) con una resolución espacial aproximada de 3.000 kilómetros. Es el modelo utilizado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos , el Ministerio de Defensa (Reino Unido) , la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA), la Organización del Tratado del Atlántico Norte (OTAN) y la Organización Hidrográfica Internacional , así como en muchos sistemas de navegación civil. [79]
Los modelos anteriores sólo tienen en cuenta el "campo principal" en el límite entre el núcleo y el manto. Aunque en general son lo suficientemente buenos para la navegación, los casos de uso de mayor precisión requieren que se consideren anomalías magnéticas de menor escala y otras variaciones. Algunos ejemplos son (consulte la referencia de geomag.us para obtener más información): [80]
Para obtener datos históricos sobre el campo principal, se puede utilizar el IGRF desde el año 1900. [78] Un modelo GUFM1 especializado realiza estimaciones desde el año 1590 utilizando registros de barcos. [83] La investigación paleomagnética ha producido modelos que datan de 10.000 a. C. [84]
Los animales, incluidas las aves y las tortugas, pueden detectar el campo magnético de la Tierra y utilizarlo para orientarse durante la migración . [85] Algunos investigadores han descubierto que las vacas y los ciervos salvajes tienden a alinear sus cuerpos de norte a sur mientras se relajan, pero no cuando los animales están bajo líneas eléctricas de alto voltaje, lo que sugiere que el magnetismo es el responsable. [86] [87] Otros investigadores informaron en 2011 que no podían replicar esos hallazgos utilizando diferentes imágenes de Google Earth . [88]
Los campos electromagnéticos muy débiles alteran la brújula magnética que utilizan los petirrojos europeos y otras aves cantoras, que utilizan el campo magnético de la Tierra para orientarse. Ni las líneas eléctricas ni las señales de los teléfonos móviles son las culpables del efecto del campo electromagnético sobre las aves; [89] en cambio, los culpables tienen frecuencias entre 2 kHz y 5 MHz. Entre ellas se encuentran las señales de radio AM y los equipos electrónicos comunes que se pueden encontrar en empresas o casas particulares. [90]
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