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campo magnético de la Tierra

Simulación por computadora del campo terrestre en un período de polaridad normal entre inversiones. [ 1 ] Las líneas representan las líneas del campo magnético, azules cuando el...

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Simulación por computadora del campo terrestre en un período de polaridad normal entre inversiones. [ 1 ] Las líneas representan las líneas del campo magnético, azules cuando el campo apunta hacia el centro y amarillas cuando se aleja. Los densos grupos de líneas se encuentran dentro del núcleo terrestre. [ 2 ]

El campo magnético terrestre , 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 emanan del Sol . El campo magnético se genera por corrientes eléctricas debidas al movimiento de corrientes de convección de una mezcla de hierro y níquel fundidos 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 terrestre en su superficie oscila entre 25 000 y 65 000 nT (0,25 a 0,65 G) . [ 3 ] Como aproximación, se representa mediante el campo de un dipolo magnético inclinado aproximadamente 11° con respecto al eje de rotación de la Tierra , como si un enorme imán de barra estuviera colocado en ese ángulo a través del centro de la Tierra. El polo geomagnético norte (en la isla Ellesmere , Nunavut , Canadá) representa en realidad el polo sur del campo magnético terrestre, y viceversa, el polo geomagnético sur corresponde al polo norte del campo magnético terrestre (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).  

Si bien los polos magnéticos Norte y Sur suelen estar ubicados cerca de los polos geográficos , se mueven lenta y continuamente a lo largo de escalas de tiempo geológicas, pero lo suficientemente despacio como para que las brújulas comunes sigan siendo útiles para la navegación. Sin embargo, a intervalos irregulares, con un promedio de varios cientos de miles de años, el campo magnético terrestre se invierte y los polos magnéticos Norte y Sur intercambian abruptamente sus posiciones. Estas inversiones de los polos geomagnéticos dejan un registro en las rocas que resulta valioso para los paleomagnetistas a la hora de calcular los campos geomagnéticos del pasado. Dicha 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 terrestre en el espacio o geoespacio . Se extiende por encima de la ionosfera , a 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, erosionarían la atmósfera superior, incluida la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta .

Significado

El campo magnético terrestre 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 radiación ultravioleta dañina. [ 4 ] Un mecanismo de eliminación consiste en que el gas quede atrapado en burbujas del campo magnético, las cuales son arrancadas por los vientos solares. [ 5 ] Los cálculos de la pérdida de dióxido de carbono de la atmósfera de Marte , resultante de la captura 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 terrestre del pasado se conoce como paleomagnetismo. [ 8 ] La polaridad del campo magnético terrestre se registra en las rocas ígneas , y las inversiones del campo se detectan como "franjas" centradas en las dorsales oceánicas donde se expande el fondo marino , 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 constituyen la base de la magnetoestratigrafía , un método para 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 humanos han utilizado brújulas para determinar la dirección desde el siglo XI d. C. y para la navegación desde el siglo XII. [ 11 ] Si bien la declinación magnética varía con el tiempo, este desplazamiento es lo suficientemente lento como para que una brújula simple siga siendo útil para la navegación. Mediante la magnetorrecepción , diversos organismos, desde algunos tipos de bacterias hasta palomas, utilizan el campo magnético terrestre para la orientación y la navegación. [ 12 ]

Características

En cualquier lugar, el campo magnético terrestre puede representarse mediante un vector tridimensional. Un procedimiento típico para medir su dirección consiste en utilizar una brújula para determinar la dirección del norte magnético. Su ángulo con respecto al norte geográfico es la declinación ( D ) o variación . Mirando hacia el 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 mediante coordenadas X (Norte), Y (Este) y Z (Abajo). [ 13 ]

Sistemas de coordenadas comunes utilizados para representar el campo magnético de la Tierra.

Intensidad

El campo terrestre 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 unos 10 000 μT (100 G) . [ 15 ] La intensidad del campo se denomina más correctamente "densidad de flujo"; la unidad del SI es el tesla (T), pero también se puede usar el gauss (G) , donde 1 G = 100 μT.      

Un mapa de contornos de intensidad se denomina carta isodinámica . Como muestra el Modelo Magnético Mundial , la intensidad tiende a disminuir desde los polos hacia el ecuador. Se observa una intensidad mínima en la Anomalía del Atlántico Sur sobre Sudamérica, mientras que se registran máximos 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 la creciente evidencia de que el campo magnético terrestre presenta ciclos de intensidad cada 200 millones de años. El autor principal afirmó que «Nuestros hallazgos, al considerarse junto con los conjuntos de datos existentes, respaldan la existencia de un ciclo de aproximadamente 200 millones de años en la intensidad del campo magnético terrestre relacionado con procesos terrestres profundos». [ 17 ]

Inclinación

La inclinación viene dada por un ángulo que puede tomar valores entre -90 ° (hacia arriba) y 90° (hacia abajo). En el hemisferio norte, el campo apunta hacia abajo. Es vertical 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 es vertical en el Polo Sur Magnético. La inclinación se puede medir con un círculo de inclinación .

A continuación se muestra un gráfico isoclínico (mapa de curvas de nivel de inclinación) del campo magnético terrestre .

Declinación

La declinación es positiva cuando el campo magnético se desvía hacia el este con respecto al norte verdadero. Se puede estimar comparando la dirección norte-sur magnética en 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 una carta con líneas isogónicas (curvas de nivel donde cada línea representa una declinación fija).

Variación geográfica

Componentes del campo magnético terrestre en la superficie según el Modelo Magnético Mundial para 2020. [ 16 ]

aproximación dipolar

Relación entre los polos terrestres. A1 y A2 son los polos geográficos; B1 y B2 son los polos geomagnéticos; C1 (sur) y C2 (norte) son los polos magnéticos.

Cerca de la superficie terrestre, su campo magnético puede aproximarse al campo de un dipolo magnético situado en el centro de la Tierra e inclinado unos 11° con respecto al eje de rotación terrestre. [ 18 ] El dipolo es aproximadamente equivalente a un potente imán de barra , 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 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 terrestre. El campo dipolar representa entre el 80 y el 90 % del campo en la mayoría de los lugares. [ 13 ]

polos magnéticos

El movimiento del Polo Norte Magnético de la Tierra a través del Polo Norte

Históricamente, los polos norte y sur de un imán se definieron por primera vez por el campo magnético terrestre, y no al revés, ya que uno de los primeros usos del 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, en la región ártica, cuando el imán está suspendido de manera 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 el interior de la Tierra). [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

Las posiciones de los polos magnéticos se pueden definir de al menos dos maneras: localmente 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 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 uno del otro y no están directamente opuestos en el globo. Se han observado movimientos de hasta 40 kilómetros (25 mi) por año para el Polo Norte Magnético. En 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 mi) de 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, los dos puntos donde intersecta 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 terrestre tiene una contribución no dipolar significativa , por lo que los polos no coinciden y las brújulas generalmente no apuntan hacia ninguno de los dos.

Magnetosfera

Representación artística de la estructura de una magnetosfera. 1)  Onda de choque frontal. 2)  Magnetofunda. 3)  Magnetopausa. 4)  Magnetosfera. 5)  Lóbulo de la cola norte. 6)  Lóbulo de la cola sur. 7)  Plasmasfera.

El campo magnético terrestre, predominantemente dipolar en su superficie, se distorsiona más lejos de ella por el viento solar. Este es un flujo de partículas cargadas que salen de la corona solar y se aceleran a una velocidad de entre 200 y 1000  kilómetros por segundo. Transportan consigo un campo magnético, el campo magnético interplanetario (FMI). [ 27 ]

El viento solar ejerce presión, y si pudiera alcanzar la atmósfera terrestre, la erosionaría. Sin embargo, la presión del campo magnético terrestre 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 mira hacia el Sol se extiende aproximadamente 10 radios terrestres, mientras que el otro lado se extiende en una magnetocola que abarca más de 200 radios terrestres. [ 28 ] Al sur de la magnetopausa se encuentra el choque de proa , la zona donde el viento solar disminuye su velocidad bruscamente. [ 27 ]  

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 rota con la Tierra. [ 28 ] También existen 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 se extiende de 1 a 2 radios terrestres, mientras que el cinturón exterior se encuentra de 4 a 7 radios terrestres. La plasmasfera y los cinturones de Van Allen se superponen parcialmente, y la extensión de esta superposición varía considerablemente 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 provienen principalmente de fuera del Sistema Solar . Muchos rayos cósmicos son mantenidos fuera del Sistema Solar por la magnetosfera o heliosfera del Sol . [ 30 ] Por el contrario, los astronautas en la Luna corren el riesgo de estar expuestos a la radiación. Cualquiera que hubiera estado en la superficie lunar durante una erupción solar particularmente violenta en 2005 habría recibido una dosis letal. [ 27 ]

Algunas de las partículas cargadas sí llegan a la magnetosfera. Estas giran en espiral alrededor de las líneas de campo, rebotando 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 anular . Esta corriente reduce el campo magnético en la superficie terrestre. [ 27 ] Las partículas que penetran la ionosfera y colisionan con los átomos allí presentes dan lugar a las luces de las auroras , a la vez que emiten rayos X. [ 28 ]

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, la comprime y entra más material. Los períodos de actividad particularmente intensa, llamados tormentas geomagnéticas , pueden ocurrir cuando una eyección de masa coronal entra en erupción 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 de "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 reportaron auroras hasta Hawái. [ 27 ] [ 31 ]

Dependencia del tiempo

Variaciones a corto plazo

Antecedentes : un conjunto de trazas de observatorios magnéticos que muestran una tormenta magnética en el año 2000. Globo : mapa que muestra la ubicación de los observatorios y líneas de contorno que indican la intensidad magnética horizontal en μT .

El campo geomagnético cambia en escalas de tiempo que van desde milisegundos hasta millones de años. Las escalas de tiempo más cortas se deben principalmente a las 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 en el núcleo rico en hierro . [ 13 ]

Con frecuencia, la magnetosfera terrestre es golpeada por erupciones solares que provocan tormentas geomagnéticas, generando auroras boreales. 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 contrario de la hipótesis anterior. Durante las próximas tormentas solares, esto podría provocar apagones e interrupciones en los satélites artificiales . [ 33 ]

Variación secular

Contornos de declinación estimados por año, de 1590 a 1990 (haga clic para ver la variación)
Intensidad del componente dipolar axial del campo magnético terrestre desde 1600 hasta 2020.

Los cambios en el campo magnético terrestre 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 en los últimos siglos. [ 34 ]

La dirección e intensidad del dipolo cambian con el tiempo. Durante los últimos dos siglos, la intensidad del dipolo ha disminuido a una tasa de aproximadamente un 6,3 % por siglo. [ 13 ] A esta tasa de disminución, el campo sería insignificante en unos 1600 años. [ 35 ] Sin embargo, esta intensidad es aproximadamente la media de los últimos 7000 años, y la tasa de cambio actual no es inusual. [ 36 ]

Una característica prominente en la parte no dipolar de la variación secular es una deriva hacia el oeste a una tasa 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 año 1400 d. C. [ 37 ]

Los cambios que preceden a los observatorios magnéticos se registran en materiales arqueológicos y geológicos. Dichos cambios se denominan variación secular paleomagnética o variación paleosecular (VSP) . Los registros suelen incluir largos periodos de pequeños cambios con cambios grandes ocasionales que reflejan excursiones e inversiones geomagnéticas . [ 38 ]

Un estudio de 1995 sobre los flujos de lava en Steens Mountain , Oregón, parecía sugerir que el campo magnético 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 concluyó que los resultados se debían en realidad a la desmagnetización térmica continua de la lava, y no a un desplazamiento del campo magnético. [ 40 ]

En julio de 2020, los científicos informaron que el análisis de simulaciones y un modelo de campo observacional reciente muestran que las tasas máximas de cambio direccional del campo magnético terrestre 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 ]

Inversiones del campo magnético

Polaridad geomagnética durante el Cenozoico tardío . Las áreas oscuras indican períodos en los que la polaridad coincide con la actual, mientras que las áreas claras indican períodos en los que se invierte.

Aunque generalmente el campo terrestre es aproximadamente dipolar, con un eje casi alineado con el eje de rotación, ocasionalmente los polos geomagnéticos Norte y Sur intercambian sus lugares. La evidencia de estas inversiones geomagnéticas se puede encontrar en basaltos , núcleos de sedimentos tomados de los fondos oceánicos y anomalías magnéticas del fondo marino. [ 43 ] 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, llamada inversión Brunhes-Matuyama , ocurrió hace unos 780.000 años. [ 26 ] [ 44 ] Un fenómeno relacionado, una excursión geomagnética , lleva el 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 se registra principalmente en minerales fuertemente magnéticos , en particular óxidos de hierro como la magnetita , que pueden contener 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 pequeños minerales a medida que se enfrían, dando lugar a una magnetización termorremanente . En los sedimentos, la orientación de las partículas magnéticas adquiere una ligera inclinación hacia el campo magnético al depositarse en el fondo de un océano o lago. Esto se denomina magnetización remanente detrítica . [ 8 ]

La magnetización termorremanente es la principal fuente de las anomalías magnéticas alrededor de las dorsales oceánicas. A medida que el fondo marino se expande, el magma asciende desde el manto , se enfría para formar nueva corteza basáltica a ambos lados de la dorsal y es transportado lejos de ella por la expansión del fondo marino. Al enfriarse, registra la dirección del campo terrestre. Cuando el campo terrestre se invierte, el nuevo basalto registra la dirección invertida. El resultado es una serie de franjas simétricas con respecto a la dorsal. Un barco que remolque un magnetómetro en la superficie del océano puede detectar estas franjas e inferir la edad del fondo marino subyacente. Esto proporciona información sobre la velocidad a la que se ha expandido el fondo marino en el pasado. [ 8 ]

La datación radiométrica de 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 puede utilizarse para datar tanto secuencias sedimentarias como volcánicas, así como las anomalías magnéticas del fondo marino. [ 8 ]

Primera aparición

Estudios paleomagnéticos de lava paleoarcaica en Australia y conglomerado en Sudáfrica han concluido que el campo magnético ha estado presente desde hace al menos unos 3450  millones de años . [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] En 2024, investigadores publicaron evidencia de Groenlandia sobre la existencia del campo magnético hace ya 3700 millones de años. [ 50 ]

Futuro

Variaciones en el momento dipolar axial virtual desde la última inversión.

Desde finales del siglo XIX y durante todo el siglo XX, el campo geomagnético general se ha debilitado. El actual deterioro significativo corresponde a una disminución del 10-15%, que se ha acelerado desde el año 2000. La intensidad geomagnética ha descendido de forma casi continua desde un máximo del 35% por encima del valor actual, alrededor del año 1 d. C. 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 ​​conservados en las rocas.

El campo magnético terrestre se caracteriza por fluctuaciones heterocedásticas (aparentemente aleatorias). Una medición instantánea, o varias mediciones a lo largo de décadas o siglos, no son suficientes para extrapolar una tendencia general en su intensidad. En el pasado, ha fluctuado por razones desconocidas. Asimismo, observar la intensidad local del campo dipolar (o su fluctuación) no basta para caracterizar el campo magnético terrestre en su conjunto, ya que no se trata estrictamente de un campo dipolar. El componente dipolar del campo terrestre puede disminuir incluso cuando el campo magnético total permanece constante o aumenta.

El polo norte magnético de la Tierra se está desplazando desde el norte de Canadá hacia Siberia a una velocidad que actualmente se acelera: 10 kilómetros (6,2 millas) por año a principios del siglo XX, hasta 40 kilómetros (25 millas) por año en 2003, [ 26 ] y desde entonces solo se ha acelerado. [ 51 ] [ 52 ]  

Origen físico

El núcleo de la Tierra y la geodinamo

Se cree que el campo magnético de la Tierra se genera por corrientes eléctricas en las aleaciones de hierro conductoras de su núcleo, creadas por corrientes de convección debidas al calor que escapa del núcleo.

Esquema que ilustra la relación entre el movimiento de un fluido conductor, organizado en rollos por la fuerza de Coriolis, y el campo magnético que genera dicho movimiento. [ 53 ]

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). Está dividido 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; 10340 °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 variable 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 .

∂B∂t=η∇2B+∇×(tú×B),{\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\eta \nabla ^{2}\mathbf {B} +\nabla \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B} ),}

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 terrestre se apagara, la parte dipolar desaparecería en unas pocas decenas de miles de años. [ 59 ]

En un conductor perfecto (σ=∞{\displaystyle \sigma =\infty \;}), no habría difusión. Según la ley de Lenz , cualquier cambio en el campo magnético sería inmediatamente contrarrestado 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 denomina teorema del campo congelado . 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 maneras que lo deforman. Este proceso podría seguir generando un nuevo campo indefinidamente, si no fuera porque, a medida que el campo magnético aumenta en intensidad, se resiste al movimiento del fluido. [ 59 ]

El movimiento del fluido se mantiene por convección , un movimiento impulsado por la flotabilidad . La temperatura aumenta hacia el centro de la Tierra, y la mayor temperatura del fluido en las profundidades lo hace flotar. Esta flotabilidad se ve potenciada 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 este proceso, los elementos más ligeros quedan en el fluido, haciéndolo más ligero. Esto se denomina 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. [ 57 ] [ 59 ]

Una dinamo puede amplificar un campo magnético, pero necesita un campo "semilla" para iniciarse. [ 59 ] Para la Tierra, este 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 órdenes de magnitud mayor que el viento solar actual. [ 60 ] Sin embargo, gran parte del campo podría haber sido filtrado por el manto terrestre. Una fuente alternativa son las corrientes en el límite núcleo-manto impulsadas por reacciones químicas o variaciones en la conductividad térmica o eléctrica. Dichos efectos aún podrían proporcionar un pequeño sesgo que forma parte de las condiciones 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 ]

Modelos numéricos

La simulación de la geodinamo mediante ordenador requiere la resolución numérica de 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 malla tridimensional de puntos, cuya finura, que determina en parte el realismo de las soluciones, está limitada principalmente por la potencia del ordenador. Durante décadas, los teóricos se limitaron a crear modelos informáticos de dinamo cinemática en los que el movimiento del fluido se elige de antemano y se calcula su 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 sustentar 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 Estados Unidos. [ 1 ] [ 65 ] Este último recibió atención porque reprodujo con éxito algunas de las características del campo terrestre, incluidas las inversiones geomagnéticas. [ 63 ]

Efecto de las mareas oceánicas

Los océanos contribuyen al campo magnético terrestre. El agua de mar es conductora de electricidad y, por lo tanto, interactúa con el campo magnético. A medida que las mareas recorren las cuencas oceánicas, el agua del océano intenta arrastrar las líneas del campo geomagnético. Debido a que el agua salada es solo 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. [ 66 ]

Campos magnéticos a nivel del mar observados por satélites (NASA) [ 66 ]

La intensidad de la interacción también depende de la temperatura del agua del océano. El calor total almacenado en el océano ahora puede inferirse a partir de observaciones del campo magnético terrestre. [ 67 ] [ 66 ]

Corrientes en la ionosfera y la magnetosfera

Las corrientes eléctricas inducidas en la ionosfera generan campos magnéticos (región de la dinamo ionosférica). Dicho campo se genera siempre cerca de la zona donde la atmósfera está más próxima al Sol, provocando alteraciones diarias que pueden desviar los campos magnéticos superficiales hasta 1°. Las variaciones diarias típicas de la intensidad del campo son de aproximadamente 25  nT (una parte en 2000), con variaciones en pocos segundos de alrededor de 1  nT (una parte en 50 000). [ 68 ]

Medición y análisis

Detección

La intensidad del campo magnético terrestre fue medida por Carl Friedrich Gauss en 1832 [ 69 ] y se ha medido repetidamente desde entonces, mostrando una disminución relativa de aproximadamente el 10% en los últimos 150 años. [ 70 ] El satélite Magsat y satélites posteriores han utilizado magnetómetros vectoriales de 3 ejes para investigar la estructura tridimensional del campo magnético terrestre. El satélite Ørsted posterior permitió una comparación que indica la actividad de una geodinamo dinámica que parece estar dando lugar a un polo alterno bajo el océano Atlántico al oeste de Sudáfrica. [ 71 ]

En ocasiones, los gobiernos gestionan unidades especializadas en la medición del campo magnético terrestre. Se trata de observatorios geomagnéticos, que suelen formar parte de un servicio geológico nacional , como por ejemplo el Observatorio Eskdalemuir del Servicio Geológico Británico . Estos observatorios pueden medir y predecir condiciones magnéticas, como tormentas magnéticas, que a veces afectan a las comunicaciones, el suministro eléctrico y otras actividades humanas.

La Red Internacional de Observatorios Magnéticos en Tiempo Real , con más de 100 observatorios geomagnéticos interconectados en todo el mundo, lleva registrando el campo magnético de la Tierra desde 1991.

Las fuerzas armadas 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. Por lo general, estos detectores de anomalías magnéticas se transportan en aeronaves 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 en los yacimientos minerales , como la anomalía magnética de Kursk .

Anomalías magnéticas de la corteza terrestre

Un modelo de características de longitud de onda corta del campo magnético terrestre, atribuidas a anomalías litosféricas [ 72 ]

Los magnetómetros detectan desviaciones mínimas en el campo magnético terrestre 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 oceánico. El basalto, la roca volcánica rica en hierro que compone el fondo oceánico, [ 74 ] contiene un mineral fuertemente magnético (magnetita) y puede distorsionar localmente las lecturas de la brújula. Los marineros islandeses reconocieron esta distorsión ya a finales del siglo XVIII. [ 75 ] Más importante aún, debido a que la presencia de magnetita confiere al basalto propiedades magnéticas medibles, estas variaciones magnéticas han proporcionado otro medio para estudiar el fondo oceánico profundo. Cuando la roca recién formada se enfría, estos materiales magnéticos registran el campo magnético terrestre. [ 75 ]

Modelos estadísticos

Cada medición del campo magnético se realiza en un lugar y momento específicos. Si se necesita una estimación precisa del campo en otro lugar y momento, las mediciones deben convertirse a un modelo y este debe utilizarse para realizar predicciones.

Armónicos esféricos

Representación esquemática de los armónicos esféricos en una esfera y sus líneas nodales. P ℓ m es igual a 0 a lo largo de m círculos máximos que pasan por los polos, y a lo largo de ℓ- m círculos de igual latitud. La función cambia de signo cada ℓ veces que cruza una de estas líneas.
Ejemplo de un campo cuadrupolar. Este también se puede construir acercando dos dipolos.

La forma más común de analizar las variaciones globales del campo magnético terrestre 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 longitud es cero a lo largo de cero o más círculos máximos que pasan por los polos Norte y Sur; el número de dichas líneas nodales es el valor absoluto del orden m . La función de 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 muy próximas entre sí y un cuadrupolo a dos dipolos juntos. Un campo cuadrupolar se muestra en la figura inferior derecha. [ 13 ]

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 la misma función escalar llamada potencial magnético . Los análisis del campo magnético terrestre utilizan una versión modificada de los armónicos esféricos habituales que difieren por un factor multiplicativo. Un ajuste por mínimos cuadrados a las mediciones del campo magnético da como resultado el campo terrestre como la suma de armónicos esféricos, cada uno multiplicado por el coeficiente de Gauss g m ℓ o h m ℓ que mejor se ajusta . [ 13 ]

El coeficiente de Gauss de menor grado, g 0 0 , proporciona 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 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 ]

Dependencia radial

El análisis de armónicos esféricos puede utilizarse para distinguir entre fuentes internas y 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 puede dividirse 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 durante unos pocos años, las contribuciones externas se anulan. [ 13 ]

Los términos restantes predicen que el potencial de una fuente dipolar ( ℓ=1 ) disminuye como 1/ r² . El campo magnético, al ser una derivada del potencial, disminuye como 1/ r³ . Los términos cuadrupolares disminuyen como 1/ r⁴ , y los términos de orden superior disminuyen 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 armónicos esféricos, la parte dipolar es menor en un factor de aproximadamente 8 en la superficie, la parte cuadrupolar en un factor de 16, y así sucesivamente. Por lo tanto, solo los componentes con longitudes de onda grandes pueden ser perceptibles en la superficie. A partir de diversos argumentos, generalmente se asume que solo los términos hasta grado 14 o inferior 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 corticales. [ 13 ]  

Modelos globales

La Asociación Internacional de Geomagnetismo y Aeronomía mantiene un modelo de campo global estándar denominado Campo Geomagnético de Referencia Internacional (IGRF). Este se actualiza cada cinco años. El modelo de undécima generación, IGRF11, se desarrolló utilizando datos de satélites ( Ørsted , CHAMP y SAC-C) y una red mundial de observatorios geomagnéticos. [ 77 ] La ​​expansión en armónicos esféricos se truncó en el grado 10, con 120 coeficientes, hasta el año 2000. Los modelos posteriores se truncan en el grado 13 (195 coeficientes). [ 78 ]

Otro modelo de campo global, denominado Modelo Magnético Mundial , es elaborado 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 3000  kilómetros. Es el modelo utilizado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos , el Ministerio de Defensa del 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 numerosos sistemas de navegación civil. [ 79 ]

Los modelos anteriores solo tienen en cuenta el "campo principal" en el límite núcleo-manto. Si bien generalmente son suficientes para la navegación, los casos de uso que requieren mayor precisión exigen que se consideren anomalías magnéticas a menor escala y otras variaciones. Algunos ejemplos son (consulte la referencia geomag.us para obtener más información): [ 80 ]

Para obtener datos históricos sobre el campo principal, se puede utilizar el IGRF hasta el año 1900. [ 78 ] Un modelo especializado GUFM1 realiza estimaciones hasta el año 1590 utilizando los registros de los barcos. [ 83 ] La investigación paleomagnética ha producido modelos que datan del 10 000  a. C. [ 84 ]

Biomagnetismo

Los animales, incluyendo aves y tortugas, pueden detectar el campo magnético de la Tierra y usarlo 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 pudieron replicar esos hallazgos usando diferentes imágenes de Google Earth . [ 88 ]

Los campos electromagnéticos muy débiles interrumpen la brújula magnética que utilizan los petirrojos europeos y otros pájaros cantores, que se orientan mediante el campo magnético terrestre. Ni las líneas eléctricas ni las señales de telefonía móvil son las responsables del efecto del campo electromagnético en las aves; [ 89 ] en cambio, los culpables tienen frecuencias entre 2  kHz y 5  MHz. Estas incluyen señales de radio AM y equipos electrónicos comunes que se pueden encontrar en negocios o casas particulares. [ 90 ]

Véase también

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