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 las 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 se 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 aproximadamente 11° con respecto al eje de rotación de la Tierra , como si hubiera una enorme barra magnética colocada en ese ángulo a través del centro de la Tierra. . El polo geomagnético norte 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 Campo magnético del sur de la Tierra, isla Ellesmere , Nunavut , Canadá.
Si bien los polos magnéticos norte y sur suelen estar situados cerca de los polos geográficos, se mueven lenta y continuamente en escalas de tiempo geológico, 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 , respectivamente, cambian abruptamente de lugar. Estas inversiones de los polos geomagnéticos dejan un registro en las rocas que son valiosos para los paleomagnetistas a la hora de calcular los campos geomagnéticos en el pasado. Esta información, a su vez, es útil para estudiar los movimientos de los continentes y los fondos oceánicos por encima de la ionosfera , que está definida por la extensión del campo magnético de la Tierra en el espacio. Se extiende 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 eliminarían la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta. [4] Un mecanismo de extracción consiste en 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 provocó 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 está registrada en las rocas ígneas , y las inversiones del campo son, por tanto, detectables como "franjas" centradas en las dorsales oceánicas donde se extiende el fondo marino , mientras que la estabilidad de los polos geomagnéticos entre 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 encontrar direcciones desde el siglo XI d.C. y para la navegación desde el siglo XII. [11] Aunque la declinación magnética cambia con el tiempo, esta desviación es lo suficientemente lenta como para que una simple brújula pueda seguir siendo útil para la navegación. Utilizando la magnetorrecepción , varios otros organismos, desde algunos tipos de bacterias hasta palomas, utilizan el campo magnético de la Tierra para orientación y navegación [ cita necesaria ] .
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 con respecto al Norte verdadero es la declinación ( D ) o variación . Mirando 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 las coordenadas X (Norte), Y (Este) y Z (Abajo). [12]
La intensidad del campo a menudo se mide en gauss (G) , pero generalmente se expresa en microteslas (μT), con 1 G = 100 μT. Una nanotesla también se conoce como gamma (γ). El campo de la Tierra oscila entre aproximadamente 22 y 67 μT (0,22 y 0,67 G). [13] En comparación, un imán de refrigerador potente tiene un campo de aproximadamente 10.000 μT (100 G). [14]
Un mapa de contornos de intensidad se llama gráfico isodinámico . Como muestra el Modelo Magnético Mundial, la intensidad tiende a disminuir desde los polos hasta el ecuador. Se produce una intensidad mínima en la Anomalía del Atlántico Sur sobre América del Sur, mientras que hay máximas sobre el norte de Canadá, Siberia y la costa de la Antártida al sur de Australia. [15]
La intensidad del campo magnético está sujeta a cambios con el tiempo. Un estudio paleomagnético de 2021 de la Universidad de Liverpool contribuyó a un creciente conjunto de evidencia de que el campo magnético de la Tierra realiza ciclos 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 procesos profundos de la Tierra". [dieciséis]
La inclinación viene dada por un ángulo que puede adoptar valores entre −90° (arriba) y 90° (abajo). En el hemisferio norte, el campo apunta hacia abajo. Está directamente hacia abajo en el Polo Norte Magnético y gira hacia arriba a medida que la latitud disminuye hasta que es horizontal (0°) en el ecuador magnético. Continúa girando hacia arriba hasta que se encuentra directamente 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 del campo hacia el este en relación con el norte verdadero. Se puede estimar comparando el rumbo magnético norte-sur de una brújula con la dirección de un polo celeste . Los mapas suelen incluir información sobre la declinación como un 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 para 2020. [15]
Cerca de la superficie de la Tierra, su campo magnético puede aproximarse estrechamente mediante el campo de un dipolo magnético colocado en el centro de la Tierra e inclinado en un ángulo de aproximadamente 11° con respecto al eje de rotación de la Tierra. [17] El dipolo es aproximadamente equivalente a una potente barra magnética , con su polo sur apuntando hacia el polo norte geomagnético. [18] Esto puede parecer sorprendente, pero el polo norte de un imán está tan definido 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 del 80 al 90% del campo en la mayoría de los lugares. [12]
Históricamente, los polos norte y sur de un imán fueron definidos por primera vez por el campo magnético de la Tierra, no al revés, ya que uno de los primeros usos de un imán fue como aguja de una 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 la Tierra). [19] [20] [21] [22]
Las posiciones de los polos magnéticos se pueden definir al menos de dos maneras: local o globalmente. [23] La definición local es el punto donde el campo magnético es vertical. [24] Esto se puede determinar midiendo la inclinación. La inclinación del campo terrestre es de 90° (hacia abajo) en el Polo Norte Magnético y de –90° (hacia arriba) en el Polo Sur Magnético. Los dos polos se desplazan independientemente el uno del otro y no están directamente opuestos en el globo. Se han observado movimientos de hasta 40 kilómetros (25 millas) por año en el Polo Norte Magnético. Durante los últimos 180 años, el Polo Norte Magnético ha estado migrando hacia el noroeste, desde el cabo Adelaida en la península de Boothia en 1831 hasta 600 kilómetros (370 millas) de Resolute Bay en 2001. [25] El ecuador magnético es la línea donde se produce la inclinación. cero (el campo magnético es horizontal).
La definición global del campo terrestre se basa en un modelo matemático. Si se traza una línea que pasa por el centro de la Tierra, paralela al momento del dipolo magnético que mejor se ajusta, las dos posiciones donde se cruza con la superficie de la Tierra se denominan polos geomagnéticos norte y sur. Si el campo magnético de la Tierra fuera perfectamente dipolar, los polos geomagnéticos y los polos magnéticos de inmersión coincidirían y las brújulas apuntarían hacia ellos. Sin embargo, el campo de la Tierra tiene una importante contribución no dipolar , por lo que los polos no coinciden y las brújulas generalmente no apuntan a ninguno de los dos.
El campo magnético de la Tierra, predominantemente dipolar en su superficie, se ve distorsionado más lejos por el viento solar. Se trata de una corriente de partículas cargadas que sale de la corona del Sol y acelera a una velocidad de 200 a 1000 kilómetros por segundo. Llevan consigo un campo magnético, el campo magnético interplanetario (FMI). [26]
El viento solar ejerce una presión y, si pudiera llegar a la atmósfera terrestre, la erosionaría. Sin embargo, la presión del campo magnético terrestre lo mantiene alejado. La magnetopausa , el área 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 está a unos 10 radios de la Tierra , pero el otro lado se extiende en una cola magnética que se extiende más allá de los 200 radios de la Tierra. [27] Hacia el sol de la magnetopausa se encuentra el arco de choque , el área donde el viento solar se desacelera abruptamente. [26]
Dentro de la magnetosfera se encuentra la plasmasfera , una región en 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. [27] También hay dos regiones concéntricas en 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 o 2 radios de la Tierra, mientras que el cinturón exterior está a 4 a 7 radios de la Tierra. La plasmasfera y los cinturones de Van Allen se superponen parcialmente, y el grado de superposición varía mucho con la actividad solar. [28]
Además de desviar el viento solar, el campo magnético de la Tierra desvía los rayos cósmicos , partículas cargadas de alta energía que provienen en su mayoría de fuera del Sistema Solar . Muchos rayos cósmicos se mantienen fuera del Sistema Solar gracias a la magnetosfera o heliosfera del Sol . [29] Por el contrario, 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. [26]
Algunas de las partículas cargadas entran en la magnetosfera. Estos giran en espiral alrededor de las líneas de campo, rebotando hacia adelante y hacia atrás entre los polos varias veces por segundo. Además, los iones positivos se desplazan lentamente hacia el oeste y los iones negativos se desplazan hacia el este, dando lugar a una corriente anular . Esta corriente reduce el campo magnético en la superficie de la Tierra. [26] Las partículas que penetran en la ionosfera y chocan con los átomos de allí dan lugar a las luces de las auroras y al mismo tiempo emiten rayos X. [27]
Las condiciones variables en la magnetosfera, conocidas como clima espacial , están impulsadas en gran medida por la actividad solar. Si el viento solar es débil, la magnetosfera se expande; mientras que si es fuerte, comprime la magnetosfera y entra más cantidad. Pueden ocurrir períodos de actividad particularmente intensa, llamados tormentas geomagnéticas , cuando una eyección de masa coronal estalla sobre el Sol y envía una onda de choque a través del Sistema Solar. Una onda de este tipo puede tardar sólo 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 informaron auroras hasta en el sur de Hawaii. [26] [30]
El campo geomagnético cambia en escalas de tiempo desde milisegundos hasta millones de años. Las escalas de tiempo más cortas surgen principalmente de las corrientes en la ionosfera ( región de 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 , particularmente en el núcleo rico en hierro . [12]
Con frecuencia, la magnetosfera de la Tierra es golpeada por erupciones solares que causan tormentas geomagnéticas y provocan manifestaciones de auroras. La inestabilidad a corto plazo del campo magnético se mide con el índice K. [31]
Los datos de THEMIS muestran que el campo magnético que interactúa con el viento solar se reduce cuando la orientación magnética entre el Sol y la Tierra está alineada, contrariamente a la hipótesis anterior. Durante las próximas tormentas solares, esto podría provocar apagones y perturbaciones en los satélites artificiales . [32]
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. [12] La animación muestra cómo las declinaciones globales han cambiado en los últimos siglos. [33]
La dirección y la intensidad del dipolo cambian con el tiempo. Durante los últimos dos siglos, la fuerza dipolar ha ido disminuyendo a un ritmo de alrededor del 6,3% por siglo. [12] A este ritmo de disminución, el campo sería insignificante en unos 1600 años. [34] Sin embargo, esta fuerza es aproximadamente el promedio de los últimos 7 mil años, y la tasa de cambio actual no es inusual. [35]
Una característica destacada en la parte no dipolar de la variación secular es una deriva hacia el oeste a un ritmo de aproximadamente 0,2° por año. [34] Esta tendencia no es la misma en todas partes y ha variado a lo largo del tiempo. La deriva global promedio ha sido hacia el oeste desde aproximadamente 1400 d.C., pero hacia el este entre aproximadamente 1000 d.C. y 1400 d.C. [36]
Los cambios anteriores a los observatorios magnéticos están registrados en materiales arqueológicos y geológicos. Estos cambios se denominan variación secular paleomagnética o variación paleosecular (PSV) . Los registros suelen incluir largos períodos de pequeños cambios con grandes cambios ocasionales que reflejan excursiones e inversiones geomagnéticas. [37]
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. [38] [39]
Los estudios de los flujos de lava en Steens Mountain , Oregón, indican que el campo magnético podría haberse desplazado a un ritmo de hasta 6° por día en algún momento de la historia de la Tierra, lo que desafía significativamente la comprensión popular de cómo funciona el campo magnético de la Tierra. [40] Este hallazgo fue posteriormente atribuido a propiedades magnéticas inusuales de la roca del flujo de lava bajo estudio, no a un cambio rápido de campo, por uno de los autores originales del estudio de 1995. [41]
Aunque generalmente el campo de la Tierra es aproximadamente dipolar, con un eje casi alineado con el eje de rotación, ocasionalmente los polos geomagnéticos norte y sur intercambian lugares. Se pueden encontrar pruebas de estas inversiones geomagnéticas en basaltos , núcleos de sedimentos extraídos del fondo del océano y anomalías magnéticas del fondo marino. [42] Las inversiones ocurren casi aleatoriamente 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, denominada inversión Brunhes-Matuyama , ocurrió hace unos 780.000 años. [25] [43] Un fenómeno relacionado, una excursión geomagnética , lleva el eje dipolar a través del ecuador y luego regresa a la polaridad original. [44] [45] El evento de Laschamp es un ejemplo de una excursión que ocurrió durante la última edad de hielo (hace 41.000 años).
El campo magnético pasado lo registran principalmente minerales fuertemente magnéticos , en particular óxidos de hierro como la magnetita , que pueden portar un momento magnético permanente. Esta magnetización remanente , o remanencia , puede adquirirse de más de una forma. En las coladas de lava , la dirección del campo se "congela" en los pequeños minerales a medida que se van enfriando, dando lugar a una magnetización termoremanente . 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 del océano o del lago. Esto se llama magnetización remanente detrítica . [8]
La magnetización termorremanente es la principal fuente de anomalías magnéticas alrededor de las dorsales oceánicas. A medida que el fondo marino se expande, el magma brota del manto , se enfría para formar una nueva corteza basáltica a ambos lados de la cresta y es arrastrado fuera de ella por la expansión del fondo marino. A medida que se enfría, registra la dirección del campo terrestre. Cuando el campo de la Tierra se invierte, el nuevo basalto registra la dirección invertida. El resultado es una serie de franjas que son simétricas con respecto a la cresta. Un barco que remolca un magnetómetro en la superficie del océano puede detectar estas franjas e inferir la edad del fondo del océano. Esto proporciona información sobre el ritmo al que se ha extendido el fondo marino en el pasado. [8]
Se ha utilizado la datación radiométrica de flujos de lava para establecer una escala de tiempo de polaridad geomagnética , parte de la cual se muestra en la imagen. Esto forma la base de la magnetoestratigrafía , una técnica de correlación geofísica que se puede utilizar para fechar secuencias sedimentarias y volcánicas, así como las anomalías magnéticas del fondo marino. [8]
Los estudios paleomagnéticos de lava paleoarqueana en Australia y conglomerados en Sudáfrica han concluido que el campo magnético ha estado presente desde hace al menos unos 3.450 millones de años . [46] [47] [48]
A partir de finales del siglo XIX y durante 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 2000; La intensidad geomagnética ha disminuido casi continuamente desde un máximo del 35% por encima del valor moderno, aproximadamente desde el año 1 d.C. La tasa de disminución y la intensidad de la corriente están dentro del rango normal de variación, como lo muestra el registro de campos magnéticos registrados en las rocas en el pasado.
La naturaleza del campo magnético de la Tierra es de fluctuación heteroscedástica (aparentemente aleatoria). Una medición instantánea del mismo, 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) es insuficiente 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 actualmente acelerado: 10 kilómetros (6,2 millas) por año a principios del siglo XX, hasta 40 kilómetros (25 millas) por año en 2003, [25] y desde entonces no ha hecho más que acelerarse. [49] [50]
Se cree que el campo magnético de la Tierra es generado por corrientes eléctricas en las aleaciones conductoras de hierro de su núcleo, creadas por corrientes de convección debidas 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 mediante el movimiento de fluidos conductores de electricidad . [52] El campo de la Tierra se origina en su núcleo. Se trata de una región de aleaciones de hierro que se extiende a unos 3.400 km (el radio de la Tierra es de 6.370 km). Se divide en un núcleo interior sólido , con un radio de 1220 km, y un núcleo exterior líquido . [53] El movimiento del líquido en el núcleo externo es impulsado por el flujo de calor desde el núcleo interno, que es de aproximadamente 6.000 K (5.730 °C; 10.340 °F), hasta el límite núcleo-manto , que es de aproximadamente 3.800 K ( 3.530 °C; 6.380 °F). [54] El calor se genera mediante la energía potencial liberada por materiales más pesados que se hunden hacia el núcleo ( diferenciación planetaria , 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. [55]
El mecanismo por el cual la Tierra genera un campo magnético se conoce como geodinamo . [52] El campo magnético se genera mediante un bucle de retroalimentación: los bucles de corriente generan campos magnéticos ( ley del circuito 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 ). [56] 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 B magnético; y η = 1/σμ es la difusividad magnética , que es inversamente proporcional al producto de la conductividad eléctrica σ y la permeabilidad μ . [57] El término ∂ B /∂ t es la derivada temporal del campo; ∇2 es el operador de Laplace y ∇× es el operador curl .
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 dipolo desaparecería en unas pocas decenas de miles de años. [57]
En un conductor perfecto ( ), no habría difusión. Según la ley de Lenz , cualquier cambio en el campo magnético se opondría inmediatamente a las corrientes, por lo que el flujo a través de un volumen dado de fluido no podría cambiar. A medida que el fluido se movía, el campo magnético lo acompañaría. El teorema que describe este efecto se llama teorema del campo congelado . Incluso en un fluido con una conductividad finita, se genera un nuevo campo estirando las líneas de campo a medida que el fluido se mueve de maneras que lo deforman. Este proceso podría continuar generando nuevos campos indefinidamente, si no fuera porque a medida que el campo magnético aumenta en fuerza, resiste el movimiento del fluido. [57]
El movimiento del fluido es sostenido por convección , movimiento impulsado por 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 ve reforzada 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 en el fluido, haciéndolo más ligero. Esto se llama convección composicional . 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. [55] [57]
Una dinamo puede amplificar un campo magnético, pero necesita un campo "semilla" para ponerlo en marcha. [57] Para la Tierra, esto podría haber sido un campo magnético externo. Al principio de su historia, el Sol pasó por una fase T-Tauri en la que el viento solar habría tenido un campo magnético de órdenes de magnitud mayor que el viento solar actual. [58] Sin embargo, gran parte del campo puede haber sido ocultado 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. Estos efectos aún pueden proporcionar un pequeño sesgo que forma parte de las condiciones límite de la geodinamo. [59]
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. [60]
Simular la geodinamo por computadora requiere resolver numéricamente un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales no lineales para la magnetohidrodinámica (MHD) del interior de la Tierra. La simulación de las ecuaciones MHD se realiza en una cuadrícula de puntos 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 cinemáticos en los que el movimiento del fluido se elige de antemano 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. [61]
Los primeros modelos de dinamo autoconsistentes , que determinan tanto los movimientos de los fluidos como el campo magnético, fueron desarrollados por dos grupos en 1995, uno en Japón [62] y otro en Estados Unidos. [1] [63] Este último recibió atención porque reproducía con éxito algunas de las características del campo de la Tierra, incluidas las inversiones geomagnéticas. [61]
Los océanos contribuyen al campo magnético de la Tierra. El agua de mar es un conductor eléctrico y, por tanto, interactúa con el campo magnético. A medida que las mareas circulan alrededor de las cuencas oceánicas, el agua del océano esencialmente intenta arrastrar las líneas del campo geomagnético. Debido a que el agua salada es sólo ligeramente conductora, 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, los remolinos e incluso los tsunamis. [64]
La fuerza de la interacción depende también de la temperatura del agua del océano. Ahora se puede deducir todo el calor almacenado en el océano a partir de observaciones del campo magnético de la Tierra. [65] [64]
Las corrientes eléctricas inducidas en la ionosfera generan campos magnéticos (región de la dinamo ionosférica). Un campo de este tipo siempre se genera cerca de donde la atmósfera está más cercana al Sol, lo que provoca alteraciones diarias que pueden desviar los campos magnéticos de la superficie hasta 1°. Las variaciones diarias típicas de la intensidad del campo son de aproximadamente 25 nT (una parte en 2000), con variaciones en unos pocos segundos de alrededor de 1 nT (una parte en 50.000). [66]
La intensidad del campo magnético de la Tierra fue medida por Carl Friedrich Gauss en 1832 [67] y se ha medido repetidamente desde entonces, mostrando una disminución relativa de aproximadamente el 10% en los últimos 150 años. [68] El satélite Magsat y los satélites posteriores han utilizado magnetómetros vectoriales de 3 ejes para sondear la estructura tridimensional del campo magnético de la Tierra. El satélite Ørsted posterior permitió una comparación que indica una geodinamo dinámica en acción que parece estar dando lugar a un polo alternativo bajo el Océano Atlántico al oeste de Sudáfrica. [69]
A veces los gobiernos operan unidades que se especializan en la medición del campo magnético de la Tierra. Estos son observatorios geomagnéticos, típicamente parte de un estudio geológico nacional , por ejemplo, el Observatorio Eskdalemuir del Servicio Geológico Británico . Estos 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 en todo el mundo, ha estado registrando el campo magnético de la Tierra desde 1991.
El ejército determina las características del campo geomagnético local para detectar anomalías en el entorno natural que podrían ser causadas por un objeto metálico importante, 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 una serie de instrumentos desde barcos de superficie.
Comercialmente, las empresas de prospección geofísica también utilizan detectores magnéticos para identificar anomalías que ocurren naturalmente en yacimientos minerales , como la anomalía magnética de Kursk .
Los magnetómetros detectan pequeñas desviaciones 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, [71] se han cartografiado las variaciones magnéticas en el fondo del océano. El basalto, la roca volcánica rica en hierro que forma el fondo del océano [72] , 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 finales del siglo XVIII. [73] 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. [73]
Cada medición del campo magnético se realiza en un lugar y momento determinado. Si se necesita una estimación precisa del campo en algún otro lugar y momento, las mediciones deben convertirse en un modelo y el modelo debe usarse para hacer predicciones.
La forma más común de analizar las variaciones globales del campo magnético terrestre es ajustar las medidas a un conjunto de armónicos esféricos . Esto lo hizo por primera vez Carl Friedrich Gauss. [74] Los armónicos esféricos son funciones que oscilan sobre la superficie de una esfera. Son 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 equivale a una disposición particular de cargas magnéticas en el centro de la Tierra. Un monopolo es una carga magnética aislada, algo que nunca se ha observado. Un dipolo equivale a dos cargas opuestas reunidas y un cuadrupolo a dos dipolos reunidos. En la figura inferior de la derecha se muestra un campo cuadrupolar. [12]
Los armónicos esféricos pueden representar cualquier campo escalar (función de posición) que satisfaga ciertas propiedades. Un campo magnético es un campo vectorial , pero si se expresa en componentes cartesianas X, Y, Z , cada componente es la derivada de una misma función escalar llamada potencial magnético . Los análisis del campo magnético de la Tierra utilizan una versión modificada de los armónicos esféricos habituales que se diferencian 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 que mejor se ajusta g m ℓ o h m ℓ . [12]
El coeficiente de Gauss de grado más bajo, g 0 0 , da la contribución de una carga magnética aislada, por lo que es cero. Los siguientes tres coeficientes ( g 1 0 , g 1 1 y h 1 1 ) determinan la dirección y magnitud de la contribución del dipolo. El dipolo que mejor se adapta está inclinado en un ángulo de aproximadamente 10° con respecto al eje de rotación, como se describió anteriormente. [12]
El análisis armónico esférico se puede utilizar para distinguir fuentes internas de externas si hay mediciones disponibles 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, en promedio a lo largo de unos pocos años, las contribuciones externas promedian cero. [12]
Los términos restantes predicen que el potencial de una fuente dipolo ( ℓ=1 ) cae como 1/ r 2 . El campo magnético, al ser una derivada del potencial, cae como 1/ r 3 . Los términos cuadrupolares disminuyen como 1/ r 4 , y los términos de orden superior disminuyen cada vez más rápidamente con el radio. El radio del núcleo exterior es aproximadamente la mitad del radio de la Tierra. Si el campo en el límite núcleo-manto se ajusta a armónicos esféricos, la parte dipolo es más pequeña en un factor de aproximadamente 8 en la superficie, la parte cuadrupolo en un factor de 16, y así sucesivamente. Por lo tanto, en la superficie sólo se pueden notar los componentes con grandes longitudes de onda. A partir de una variedad de argumentos, generalmente se supone que sólo los términos hasta el grado 14 o menos tienen su origen en el núcleo. Estos tienen longitudes de onda de aproximadamente 2000 km (1200 millas) o menos. Las características más pequeñas se atribuyen a anomalías de la corteza terrestre. [12]
La Asociación Internacional de Geomagnetismo y Aeronomía mantiene un modelo de campo global estándar llamado Campo Internacional de Referencia Geomagnética (IGRF). Se actualiza cada cinco años. El modelo de undécima generación, IGRF11, se desarrolló utilizando datos de satélites ( Örsted , CHAMP y SAC-C) y una red mundial de observatorios geomagnéticos. [75] 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). [76]
Otro modelo de campo global, llamado Modelo Magnético Mundial , es producido conjuntamente por los Centros Nacionales de Información Ambiental de los Estados Unidos (anteriormente Centro Nacional de Datos Geofísicos) y el Servicio Geológico Británico . Este modelo se 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 civiles. [77]
Los modelos anteriores sólo tienen en cuenta el "campo principal" en el límite entre el núcleo y el manto. Aunque generalmente es lo suficientemente bueno 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): [78]
Para obtener datos históricos sobre el campo principal, el IGRF se puede utilizar hasta el año 1900. [76] Un modelo GUFM1 especializado se remonta al año 1590 utilizando registros de barcos. [81] La investigación paleomagnética ha producido modelos que datan del año 10.000 a.C. [82]
Los animales, incluidas las aves y las tortugas, pueden detectar el campo magnético de la Tierra y utilizarlo para navegar durante la migración . [83] 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. [84] [85] Otros investigadores informaron en 2011 que no podían replicar esos hallazgos utilizando diferentes imágenes de Google Earth . [86]
Los campos electromagnéticos muy débiles alteran la brújula magnética utilizada por los petirrojos europeos y otros pájaros cantores, 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 en las aves; [87] en cambio, los culpables tienen frecuencias entre 2 kHz y 5 MHz. Estos incluyen señales de radio AM y equipos electrónicos comunes que pueden encontrarse en negocios o hogares privados. [88]
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