Historia del geomagnetismo

La brújula magnética existía en China ya en el siglo IV a. C. Se utilizaba tanto para el feng shui como para la navegación terrestre. No fue hasta que se pudieron forjar buenas agujas de acero que las brújulas se utilizaron para la navegación marítima; antes de eso, no podían conservar su magnetismo por mucho tiempo. La existencia de la declinación magnética, la diferencia entre el norte magnético y el norte geográfico, fue reconocida por primera vez por Shen Kuo en 1088. ^{[ 3 ]}

La primera mención de una brújula en Europa data del año 1190 d. C., por Alexander Neckam . La describió como una ayuda común para la navegación de los marineros, por lo que la brújula debió haberse introducido en Europa algún tiempo antes. No está claro si el conocimiento provino de China o si se inventó de forma independiente. Si el conocimiento se transmitió, el intermediario más probable fueron los comerciantes árabes, pero la literatura árabe no menciona la brújula hasta después de Neckam. También existe una diferencia en la convención: las brújulas chinas apuntan al sur, mientras que las europeas apuntan al norte. ^{[ 1 ]}

En 1269, Pierre de Maricourt (conocido comúnmente como Petrus Peregrinus ) escribió una carta a un amigo en la que describía dos tipos de brújula: una en la que una piedra imán ovalada flotaba en un recipiente con agua, y la primera brújula seca con la aguja montada sobre un pivote. También fue el primero en escribir sobre experimentos con magnetismo y describir las leyes de la atracción. Un ejemplo es el experimento en el que un imán se rompe en dos pedazos y estos se atraen y repelen entre sí (en términos modernos, ambos tienen polos norte y sur). ^{[ 7 ]} Esta carta, generalmente conocida como Epistola de Magnete , fue un hito en la historia de la ciencia. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Petrus Peregrinus asumió que las brújulas apuntaban hacia el norte verdadero. Si bien se dice que su contemporáneo Roger Bacon observó que las brújulas se desviaban del norte verdadero, la idea de la declinación magnética se aceptó gradualmente. Al principio se pensó que la declinación debía ser el resultado de un error sistemático. Sin embargo, a mediados del siglo XV, los relojes de sol en Alemania se orientaban utilizando correcciones de declinación. ^{[ 8 ]}

Una brújula debe estar equilibrada para contrarrestar la tendencia de la aguja a inclinarse en la dirección del campo terrestre. De lo contrario, no girará libremente. A menudo, las brújulas equilibradas para una latitud no funcionan igual de bien en otra. Este problema fue descrito por primera vez por Georg Hartmann , vicario de Núremberg, en 1544. El navegante inglés Robert Norman fue el primero en reconocer que esto ocurre porque el propio campo terrestre está inclinado con respecto a la vertical. En su libro The Newe Attractive , ^{[ 9 ]} Norman denominó inclinación «una propiedad secreta y sutil recientemente descubierta relativa a la inclinación de la aguja». Creó una brújula cuya aguja flotaba en una copa de agua, sujeta a un corcho para que tuviera flotabilidad neutra. La aguja podía orientarse en cualquier dirección, por lo que se inclinaba para alinearse con el campo terrestre. Norman también creó un círculo de inclinación , una aguja de brújula pivotante sobre un eje horizontal, para medir el efecto. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

Magnus magnes ipse est globus terrestris. (La Tierra misma es un gran imán).

1600 fue un año notable para William Gilbert . Llegó a ser presidente del Real Colegio de Médicos de Londres , fue nombrado médico personal de la reina Isabel I y escribió De Magnete , uno de los libros que marcan el comienzo de la ciencia moderna. De Magnete es famoso por introducir (o al menos popularizar) un enfoque experimental de la ciencia y deducir que la Tierra es un gran imán. ^{[ 10 ]}

El libro de Gilbert se divide en seis capítulos. El primero es una introducción en la que analiza la importancia de la experimentación y diversos datos sobre la Tierra, incluyendo la insignificancia de la topografía de la superficie en comparación con el radio terrestre . También anuncia su deducción de que la Tierra es un gran imán. En el libro 2, Gilbert trata sobre la "coición" o las leyes de la atracción. Gilbert distingue entre magnetismo y electricidad estática (esta última inducida al frotar ámbar ) y relata numerosos experimentos con ambos (algunos que se remontan a Peregrinus). Uno de ellos consiste en partir un imán por la mitad y demostrar que ambas partes tienen un polo norte y un polo sur. ^{[ 7 ]} También descarta la idea del movimiento perpetuo . El tercer libro contiene una descripción general de las direcciones magnéticas, junto con detalles sobre cómo magnetizar una aguja. También presenta su terella o "pequeña Tierra". Se trata de una esfera magnetizada que utiliza para modelar las propiedades magnéticas de la Tierra. En los capítulos 4 y 5 profundiza en los dos componentes de la dirección: la declinación y la inclinación. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

A finales de la década de 1590, Henry Briggs , profesor de geometría en el Gresham College de Londres, publicó una tabla de inclinación magnética de la Tierra en función de la latitud. Esta tabla coincidía con las inclinaciones que Gilbert había medido alrededor de la circunferencia de su terrella . Gilbert dedujo que el campo magnético terrestre era equivalente al de una esfera uniformemente magnetizada, magnetizada paralelamente al eje de rotación (en términos modernos, un dipolo axial geocéntrico ). Sin embargo, era consciente de que las declinaciones no eran consistentes con este modelo. Basándose en las declinaciones conocidas en aquel entonces, propuso que los continentes, debido a su topografía elevada , formaban centros de atracción que provocaban la desviación de las agujas de las brújulas. Incluso demostró este efecto excavando relieves en su terrella y midiendo su efecto en las declinaciones. Un monje jesuita , Niccolò Cabeo , posteriormente se inspiró en Gilbert y demostró que, si la topografía estuviera a la escala correcta para la Tierra, las diferencias entre las elevaciones y las depresiones serían de tan solo una décima de milímetro. Por lo tanto, los continentes no podrían afectar de forma apreciable la declinación. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

El sexto libro de De Magnete estuvo dedicado a la cosmología . Rechazó el modelo ptolemaico del universo, en el que los planetas y las estrellas se organizan en una serie de capas concéntricas que giran alrededor de la Tierra, argumentando que las velocidades involucradas serían absurdamente grandes («no puede haber movimiento diurno infinito»). ^{[ 12 ]} En cambio, la Tierra giraba sobre su propio eje. En lugar de las capas concéntricas, propuso que los cuerpos celestes interactuaban entre sí y con la Tierra mediante fuerzas magnéticas. El magnetismo mantenía la posición de la Tierra y la hacía girar, mientras que la atracción magnética de la Luna impulsaba las mareas . Un razonamiento algo oscuro condujo a la peculiar conclusión de que una terrela, si se suspendiera libremente, se orientaría en la misma dirección que la Tierra y giraría diariamente. Tanto Kepler como Galileo adoptarían la idea de Gilbert sobre la atracción magnética entre los cuerpos celestes, pero la ley de gravitación universal de Newton la volvería obsoleta. ^{[ 11 ]}

Hacia 1603, el francés Guillaume le Nautonier (Guillermo el Navegante), ^{[ 13 ]} Sieur de Castelfranc , publicó una teoría rival del campo terrestre en su libro Mecometrie de l'eymant (Medición de la longitud con un imán) . Le Nautonier era matemático, astrónomo y geógrafo real en la corte de Enrique IV . Discrepó de la suposición de Gilbert de que la Tierra debía estar magnetizada paralelamente al eje de rotación, y en su lugar produjo un modelo en el que el momento magnético estaba inclinado 22,5 ° , en efecto, el primer modelo de dipolo inclinado. Las últimas 196 páginas de su libro estaban ocupadas con tablas de latitudes y longitudes con declinación e inclinación para uso de los marineros. Si su modelo hubiera sido preciso, podría haberse utilizado para determinar tanto la latitud como la longitud mediante una combinación de declinación magnética y observaciones astronómicas. ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 12 ]}

Le Nautonier intentó vender su modelo a Enrique IV, y su hijo al líder inglés Oliver Cromwell , ambos sin éxito. Fue ampliamente criticado, y Didier Dounot concluyó que el trabajo se basaba en «suposiciones infundadas, errores de cálculo y manipulación de datos». Sin embargo, el geofísico Jean-Paul Poirier examinó los trabajos de Le Nautonier y Dounot, y descubrió que el error radicaba en el razonamiento de Dounot. ^{[ 7 ]}

Una de las conclusiones de Gilbert fue que el campo magnético terrestre no podía variar con el tiempo. Esto pronto se demostraría falso mediante una serie de mediciones realizadas en Londres. En 1580, William Borough midió la declinación y la calculó en 11 1 / 4 ° NE. En 1622, Edmund Gunter la calculó en 5° 56' NE. Observó la diferencia con el resultado de Borough, pero concluyó que este debía haber cometido un error de medición. En 1633, Henry Gellibrand midió la declinación en el mismo lugar y la calculó en 4° 05' NE. Debido al cuidado con el que Gunther había realizado sus mediciones, Gellibrand confiaba en que los cambios eran reales. En 1635 publicó " Un discurso matemático sobre la variación de la aguja magnética", donde afirmaba que la declinación había cambiado en más de 7° en 54 años. La realidad de la variación secular geomagnética fue rápidamente aceptada en Inglaterra, donde Gellibrand gozaba de gran reputación, pero en otros países fue recibida con escepticismo hasta que fue confirmada por mediciones adicionales. ^{[ 2 ] [ 14 ]}

Las observaciones de Gellibrand inspiraron extensos esfuerzos para determinar la naturaleza de la variación: global o local, predecible o errática. También inspiraron nuevos modelos para el origen del campo. Henry Bond Senior alcanzó notoriedad al predecir con éxito en 1639 que la declinación sería cero en Londres en 1657. Su modelo, que involucraba un dipolo en precesión, fue duramente criticado por una comisión real, pero continuó publicándose en manuales de instrucciones de navegación durante décadas. Peter Perkins (1680) y Edmond Halley (1683, 1692), entre otros, también propusieron modelos dinámicos que involucraban múltiples polos. En el modelo de Halley, la Tierra consistía en esferas concéntricas. Dos polos magnéticos se encontraban en una esfera exterior fija y otros dos en una esfera interior que giraba hacia el oeste, dando lugar a una "deriva hacia el oeste". Halley estaba tan orgulloso de esta teoría que un retrato suyo a los ochenta años incluía un diagrama de la misma (arriba a la derecha). ^{[ 15 ]}

El Polo Norte magnético difiere del Polo Norte geográfico (eje de rotación de la Tierra), del norte magnético , que es la dirección norte indicada por una brújula, y del polo geomagnético teórico .

La búsqueda del polo norte magnético comenzó en 1818 con una expedición británica que exploraba el Paso del Noroeste . En 1831, James Clark Ross, a bordo del barco Victory, localizó por primera vez el polo norte magnético terrestre en la costa oeste de la península de Boothia ( archipiélago ártico ). En 1842, la expedición antártica de Ross dedujo la posición del polo sur magnético , que no se localizó formalmente hasta el siglo XX.

Desde entonces, el polo magnético norte se ha desplazado en dirección nornoroeste, hacia Siberia , y desde 2017 se encuentra a unos cientos de kilómetros dentro del océano Ártico . Debido al movimiento del núcleo terrestre, los polos magnéticos actuales se desplazan constantemente (variación secular). Además, los polos oscilan diariamente describiendo un óvalo de aproximadamente 80 km (50 millas) de diámetro debido a la desviación del campo magnético provocada por el viento solar . La posición del polo magnético norte es reevaluada cada cinco años por el Servicio Geológico Británico (BGS) y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos (NOAA), responsables del Modelo Magnético Mundial (WMM).

Un estudio magnético (1698-1700) realizado por los británicos produjo el mapa magnético mundial de 1702 de Edmond Halley . ^{[ 16 ]} Los primeros observatorios magnéticos se establecieron en la LMU de Múnich ^{[ 17 ]} (1819) y en Berlín (1827). ^{[ 18 ]} Las variaciones observadas en la dirección, la fuerza y ​​la inclinación magnéticas llevaron a Alexander von Humboldt , Carl Friedrich Gauss y Edward Sabine a determinar que el campo magnético de la Tierra debería ser estudiado y monitoreado sistemáticamente a nivel mundial para quizás revelar aspectos geofísicos importantes del planeta. Esto llevó al establecimiento de más observatorios magnéticos y campañas en Alemania (Asociación Magnética Humboldtiana/Humboldtsche Magnetische Verein ^{[ 19 ]} (1829–1834), Unión Magnética de Gotinga/Göttingen Magnetischer Verein ^{[ 20 ]} (1836-41)), Gran Bretaña (Estudio Magnético de las Islas Británicas (1833), Imperio Británico, Compañía Británica de las Indias Orientales), ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} y Rusia ^{[ 24 ]} (1841-1862). Con un total de 53 estaciones en todo el mundo, el magnetismo terrestre se convirtió en una de las geociencias que más datos generó en la época.

A esto le siguieron campañas mundiales de geomagnetismo durante el Primer Año Polar Internacional (1882-1883), el Segundo Año Polar Internacional (1932-1933), el Año Geofísico Internacional (1957-1958), el Año Internacional del Sol Tranquilo (1964-1965), el Año Internacional del Sol Activo (1969-1971), el Estudio Magnetosférico Internacional (1976-1979) y el Cuarto Año Polar Internacional (2007-2008).