È soprannominato “scudo terrestre” dagli scienziati. Per molti animali migratori terrestri e acquatici è un punto di riferimento per i movimenti a lunga distanza. Costringe le bussole a puntare sempre nella stessa direzione.
Probabilmente lo hai riconosciuto, è il campo magnetico terrestre (CMT).
La Terra aveva già un campo magnetico 3,45 miliardi di anni fa. A quel tempo, la sua intensità era solo il 50-70% del suo valore attuale. Ma già 3,2 miliardi di anni fa, il campo magnetico terrestre era intenso come lo è oggi. Tuttavia, è molto complicato avere certezze in questo campo. Nel 2020, un lavoro del MIT contraddice quindi i risultati pubblicati nel 2014, basati sulla magnetizzazione di antichi cristalli di zircone e che dimostrano che il campo magnetico terrestre esisteva già 4,2 miliardi di anni fa.
Sebbene i magneti siano conosciuti fin dall’antichità, furono i cinesi, intorno all’anno 1000-1100, ad usarli per primi per orientarsi: fu la nascita della bussola.
Il rapporto tra i magneti e il campo magnetico della Terra è stato poi scoperto nel 1600 da William Gilbert, fisico inglese e medico della regina Elisabetta I, la pubblicazione nel 1600 di Magno Magnete tellurio (“Dalla Grande Magnete della terra”). Dimostrò come un compasso posto sulla superficie di una sfera magnetizzata (la terrella) indichi sempre lo stesso punto, come fa sulla Terra. Poi, nel 1840, il matematico e fisico Carl Gauss propose l’idea che il magnete “terrestre” fosse al centro della Terra.
Da allora, il progresso scientifico ha fatto luce sul funzionamento del campo magnetico terrestre e sul suo ruolo nei fenomeni elettromagnetici. Eppure l’origine del campo magnetico terrestre è probabilmente uno dei problemi più sorprendenti della fisica moderna. Alla domanda “perché la bussola punta a nord?“. L’ipotesi più conclusiva, quella della teoria delle dinamo autoeccitate, fu introdotta per la prima volta da Sir Joseph Larmor nel 1919. Ha resistito alle critiche più severe, ma non ha ancora potuto essere applicata al campo.
Nell’era dell’informatica scientifica, può sembrare sorprendente che questo modello di una dinamo autoeccitata non sia stato ancora completamente modellato. I recenti modelli numerici consentono certamente di studiare il sistema completo, ma in una gamma di regimi di parametri molto lontani dalla realtà fisica, a causa della limitazione della potenza di calcolo direttamente legata alla complessità matematica dei termini associati ai fenomeni fisici. I ricercatori stanno quindi lavorando allo sviluppo di nuovi approcci digitali, più efficienti, o basati su modelli dei fenomeni in gioco.
Il campo magnetico terrestre può essere paragonato, approssimativamente, al campo magnetico di un magnete dritto (i magneti attaccati al tuo frigorifero). Il punto centrale di questo magnete non è esattamente al centro della Terra, si trova a poche centinaia di chilometri dal centro geometrico. La CMT sembra ancora dominata da questo dipolo (due poli: Nord e Sud) che si allinea mediamente con l’asse di rotazione del nostro pianeta (dipolo assiale).
L’insieme delle linee del campo magnetico terrestre situate sopra la ionosfera, a più di 1.000 km di distanza, è chiamato magnetosfera. L’influenza del campo magnetico terrestre, da parte sua, si fa sentire a diverse decine di migliaia di chilometri di distanza.
Anche se osserviamo che la bussola indica il Nord magnetico (e quindi il polo sud del magnete terrestre…) per centinaia di milioni di anni, i paleomagnetici hanno anche mostrato che il polo dell’ago magnetico che punta verso il Nord magnetico a volte è il nord, come oggi, a volte il sud.
Il campo magnetico terrestre si è infatti invertito più di 100 volte negli ultimi 50 milioni di anni e l’ultima inversione risale a 42.000 anni.
Origine/i del campo magnetico: l’effetto dinamo
Il campo magnetico terrestre è creato dai complessi movimenti del fluido (chiamato convezione) nel nucleo esterno del nostro pianeta. Il nucleo esterno è infatti un vero e proprio oceano di metallo fuso (in particolare ferro e nichel), situato tra il seme di ferro solido con un raggio di 1.220 km e il fondo del mantello con un raggio di 3.500 km.
La convezione è indubbiamente solutale (per differenze per luogo di concentrazione) piuttosto che termica (per differenze per luogo di temperatura), ed intimamente legata alla crescita del nucleo interno: il ferro-nichel solido essendo meno ricco di elementi disciolti rispetto al liquido, la cristallizzazione di questo liquido arricchisce la base del nucleo esterno in elementi disciolti; essendo questi elementi più leggeri del ferro e del nichel, il liquido metallico profondo tende a salire sotto l’effetto della spinta di Archimede.
Il nucleo interno è, tuttavia, troppo giovane (la sua età è stimata tra 165 milioni e 2,5 miliardi di anni, una stima recente pende su 1,3 miliardi di anni). Un altro processo di convezione solutale sarebbe stato poi l’essoluzione (cioè la separazione di un costituente omogeneo in più costituenti distinti senza modificare la composizione complessiva della miscela) dell’ossido di magnesio (MgO), per effetto del progressivo raffreddamento del nocciolo (quindi completamente liquido). L’ossido di magnesio è infatti solubile nel ferro liquido a temperature molto elevate.
Per comprendere la dinamo terrestre è inoltre necessario essere in grado di individuare ciò che lega la rotazione della Terra su se stessa e il campo magnetico. In assenza di un campo magnetico, sappiamo che la forza di Coriolis (la forza responsabile di quel passo esitante quando si cammina in una giostra rotante) costringe i flussi (qui fluidi) ad organizzarsi in cicloni e anticicloni – come nell’atmosfera – e si oppone a qualsiasi variazione lungo l’asse di rotazione, facendo sì che la convezione del nucleo si organizzi in enormi colonne parallele all’asse di rotazione.
La forza di Coriolis genera quindi un avvolgimento di materia sotto forma di vortici. A causa della predominanza della forza di Coriolis, questi vortici si allineano con l’asse di rotazione della Terra. L’attrito viscoso tra il fluido del nucleo esterno e il bordo solido del mantello provoca un flusso secondario localizzato che dà un “senso” di trascinamento ai vortici.
Quando i movimenti di convezione sono sufficientemente vigorosi, si innesca l’instabilità della dinamo (un “aumento” spontaneo del campo magnetico nel tempo) e produce un campo magnetico la cui geometria dipende naturalmente da quella dei movimenti che lo provocano. Il campo cresce fino a quando le forze di Laplace (forze di origine magnetica) entrano in competizione con la forza di Coriolis.
Solo di recente questo scenario ha ricevuto il supporto di simulazioni numeriche complete. Il campo magnetico prodotto da queste dinamo digitali è dominato da un dipolo allineato con l’asse di rotazione. Le simulazioni producono un campo magnetico che assomiglia a quello terrestre e molte mostrano persino inversioni spontanee.
Le curve sono linee di campo magnetico, blu quando vanno verso il centro e gialle quando si allontanano.
L’asse di rotazione della Terra è centrato e verticale. Gary A. Glatzmaier e MikeRun/Wikimedia
Tuttavia, sorgono molte domande: che ruolo giocano le piccole scale del flusso e del campo magnetico, che non possono essere modellate? Non dominano la dissipazione? Qual è allora la potenza necessaria per far funzionare la dinamo terrestre? Durante la sua storia, la Terra ha sempre avuto potenza sufficiente per mantenere la sua dinamo? Ancor prima che inizi la cristallizzazione dello strato solido, quale fornisce oggi la maggior parte delle forze archimedee che alimentano la convezione? Perché Venere non ha una dinamo?
Ad ogni modo, mentre il ciclo solare 25 del Sole si preannuncia molto intenso (questo ciclo di 11 anni che caratterizza l’attività solare è iniziato a dicembre 2019), possiamo contare sul campo magnetico della nostra cara Terra per proteggerci. E se mai i brillamenti solari dovessero privarci dei nostri satelliti per localizzarci, dovremmo solo fare affidamento su questo buon vecchio CMT per orientarci. Sperando che l’inversione di polarità non ci confonda.
Autore
Waleed Mouhali, Teacher-researcher in Physics, ECE Paris
