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GEOMAGNETISMO

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Kisses, Boys.

Le origini del magnetismo terrestre sono state oggetto di molteplici ipotesi, ma le teorie moderne si orientano verso un modello che simula una dinamo autoeccitante. La scoperta del magnetismo terrestre è tradizionalmente attribuita alle osservazioni di Pierre de Maricourt. Tuttavia, uno dei contributi più significativi alla comprensione di questo fenomeno risale al 1600, quando William Gilbert, fisico e scienziato, riconobbe per primo la distinzione tra magnetismo ed elettricità, e intuì che la Terra si comporta come un enorme magnete, capace di orientare l'ago delle bussole verso il Polo Nord magnetico. Sebbene le sue scoperte fossero basate solo su osservazioni, senza dati numerici, esse anticiparono le teorie della gravità di Newton di quasi un secolo.

ORIGINI

le

Il magnetismo terrestre è un fenomeno fisico naturale che caratterizza il nostro pianeta, simile al campo magnetico generato da un dipolo magnetico. Questo campo presenta poli magnetici che non coincidono con i poli geografici e non sono fissi, con un asse inclinato di circa 9,34° rispetto all'asse di rotazione terrestre. L'intensità del campo geomagnetico sulla superficie terrestre varia tra 25 e 65 microtesla (equivalente a 0,25–0,65 gauss).

il

GEOMAGNETISMO

gli

EFFETTI VISIBILI

Il magnetismo terrestre ha numerosi effetti visibili e misurabili, uno dei più spettacolari dei quali è l'aurora polare, che si verifica quando il vento solare interagisce con la magnetosfera terrestre. Quest'ultima, estendendosi per decine di migliaia di chilometri nello spazio, forma un'area protettiva chiamata magnetosfera, che funge da scudo contro i raggi cosmici e le particelle cariche. Questo "scudo" elettromagnetico devia la maggior parte delle particelle pericolose, riducendo significativamente la loro quantità che raggiunge il suolo, e contribuendo così a proteggere la vita sulla Terra. Le fasce di Van Allen, che si trovano all'interno di questa regione, sono un altro esempio dell'importante ruolo del campo magnetico nel mantenimento delle condizioni favorevoli alla vita.

Il Polo Nord geografico è il punto di intersezione tra l'asse di rotazione terrestre e la superficie del pianeta nell'emisfero boreale (cioè nell'emisfero nord). In altre parole, è il punto fisso dove il pianeta ruota intorno al suo asse. Al contrario, il Polo Nord magnetico è il punto della superficie terrestre dove le linee del campo magnetico terrestre sono perpendicolari alla superficie. È il luogo verso cui puntano le bussole, ma, a differenza del Polo Nord geografico, il Polo Nord magnetico non è fisso e si sposta nel tempo. -Il Polo Nord geografico si trova nel mezzo dell'Oceano Artico, coperto da uno strato di ghiaccio spesso alcuni metri, mentre il Polo Sud geografico è situato in Antartide. Questi punti, che rappresentano l'intersezione dell'asse terrestre con la superficie del pianeta, possono essere considerati fissi nel tempo. -Il campo magnetico terrestre, invece, può essere visto come il risultato di una gigantesca calamita che attraversa il pianeta. Come tutte le calamite, anche la Terra ha due poli: uno positivo e uno negativo. Il polo positivo, chiamato "nord", è quello verso cui punta l'ago della bussola, ed è per questo che viene indicato come "nord magnetico". Tuttavia, a causa della natura dinamica del campo magnetico terrestre, il Polo Nord magnetico non è stabile nel tempo. Questo spiega la discrepanza tra il Polo Nord geografico e quello magnetico, che si trovano in punti differenti della Terra.

POLI GEOGRAFICI, MAGNETICI E GEOMAGNETICI

P.S.

Inoltre, nel corso delle ere geologiche, si sono verificati ciclici eventi di inversione magnetica, durante i quali i poli magnetici si scambiano di posizione: il Polo Nord magnetico diventa il Polo Sud e viceversa. Questo fenomeno ha avuto luogo numerose volte nella storia del pianeta, e l'umanità ha sopravvissuto ad almeno cinque inversioni magnetiche registrate.

Abbiamo visto che il Polo Nord magnetico e quello geografico non solo sono due concetti distinti, ma si trovano anche in posizioni diverse. Questo era ben noto ai navigatori del passato, che dovevano eseguire calcoli complessi per correggere la differenza tra i due poli e arrivare a destinazione senza errori. La distanza angolare tra il Polo Nord geografico e il Polo Nord magnetico è descritta dalla declinazione magnetica. Per comprendere meglio questo concetto, possiamo immaginare due linee: una che passa per il Polo Nord magnetico, indicata con la lettera M, e una che passa per il Polo Nord geografico, indicata con la lettera G. L'angolo che si forma tra queste due linee, che chiamiamo D, rappresenta la declinazione magnetica. Questo angolo varia a seconda della posizione sulla Terra e, quanto più grande è l'angolo D, maggiore è la distanza tra il Polo Nord geografico e quello magnetico. La declinazione magnetica, quindi, è un valore che cambia continuamente, e i navigatori devono tenerne conto per determinare la corretta rotta, poiché le bussole indicano sempre il nord magnetico, non quello geografico.

la

DISTANZA TRA POLI

Come spesso accade in natura, la situazione è più complessa di quanto possa sembrare a prima vista. Finora abbiamo parlato dei Poli Nord geografico e magnetico, ma in realtà esiste anche una terza tipologia: il Polo Nord geomagnetico. Questo concetto si basa non su osservazioni dirette, ma su modelli matematici. Vediamo più nel dettaglio le differenze tra il nord magnetico e il nord geomagnetico. I poli magnetici sono i punti in cui il campo geomagnetico terrestre è perpendicolare alla superficie terrestre. Idealmente, i poli magnetici dovrebbero trovarsi agli antipodi, cioè su lati opposti della Terra, simmetrici rispetto al centro del pianeta. Tuttavia, il campo magnetico terrestre è molto più complesso di quello teorico di una calamita perfetta, quindi i poli magnetici non sono perfettamente allineati. I poli geomagnetici, invece, non sono punti osservabili direttamente sulla superficie della Terra. Si calcolano tramite modelli matematici che assumono che all'interno del pianeta ci sia un "magnete ideale" perfetto, con i poli nord e sud perfettamente allineati tra loro. Questo modello teorico non può essere visto a occhio nudo e non può essere individuato con una bussola, poiché si tratta di un concetto astratto basato su calcoli.

POLI GEOMAGNETICI

Attualmente, il Polo Nord geomagnetico si trova nell'area dell'isola di Ellesmere, in Canada, mentre il Polo Sud geomagnetico si trova al largo della Terra di Wilkes, in Antartide. Questi poli geomagnetici rappresentano la posizione teorica dei poli di un "magnete ideale" che descrive il comportamento del campo magnetico terrestre. La loro posizione non è fissa, ma cambia nel tempo, a causa delle fluttuazioni e dei movimenti all'interno del nucleo terrestre.

P.S.

Per quanto riguarda le unità di misura del campo geomagnetico, nel Sistema Internazionale (SI) si utilizza il tesla (T), ma poiché i valori sono piuttosto piccoli, nella pratica si ricorre spesso al microtesla (μT), pari a 10⁻⁶ T, oppure al gauss (G) nel sistema CGS, con la relazione 1 G = 10⁻⁴ T.

La prima descrizione esatta del campo magnetico terrestre, comprensiva di uno studio fisico-matematico e della delineazione delle linee di forza, fu proposta da Carl Friedrich Gauss nel 1832. In prima approssimazione, il campo magnetico terrestre può essere assimilato al campo prodotto da un dipolo situato al centro della Terra, inclinato di 9,34° rispetto all'asse terrestre. Questo dipolo ha il proprio polo nord magnetico diretto verso il nord geografico, e i punti di intersezione dell'asse del dipolo con la superficie terrestre sono chiamati poli geomagnetici. La forza del campo magnetico sulla superficie terrestre varia in funzione della distanza dai poli. All'equatore, il campo ha un'intensità di circa 20.000 nT (nanotesla), mentre alle zone polari raggiunge i 70.000 nT. La massima intensità del campo si trova ai poli e la minima all'equatore. Tuttavia, il modello del campo prodotto da un dipolo è solo un'approssimazione. Un dipolo perfetto non potrebbe esistere, poiché il nucleo terrestre è situato a temperature molto superiori ai 1043 K (circa 770°C), la temperatura di Curie, sopra la quale i minerali ferromagnetici perdono le loro proprietà magnetiche e diventano paramagnetici.

le

CARATTERISTICHE

Il contributo complessivo di questi due campi esterni è piuttosto modesto, variando tra qualche punto per mille e qualche punto percentuale.

In realtà, il campo geomagnetico non è omogeneo sulla superficie terrestre, e le sue variazioni non sono correlate direttamente né alla geologia superficiale né alla morfologia topografica. L'analisi armonica sferica dei dati del campo magnetico ha mostrato che oltre il 94% del campo magnetico è di origine interna alla Terra, mentre la restante parte è di origine esterna. Il campo geomagnetico può essere suddiviso in tre componenti principali: 1) Campo nucleare: Questo campo, che ha origine nel nucleo esterno della Terra, è generato da correnti elettriche e cambia lentamente nel tempo. Il suo contributo al campo totale è superiore al 94% ed è responsabile dei termini armonici fino al dodicesimo ordine circa. 2) Campo crostale: Questo campo è generato dalle rocce magnetizzate dal campo nucleare, e crea anomalie magnetiche locali. Il suo contributo è relativamente piccolo, nell'ordine di qualche punto percentuale, e riguarda i termini armonici di ordine superiore al quindicesimo. 3) Campo esterno o atmosferico e campo indotto interno: Campo esterno: Prodotto da correnti elettriche generate nell'atmosfera terrestre, dovute all'interazione tra il campo magnetico e il vento solare. Campo indotto interno: Questo campo è il risultato di un campo indotto nelle rocce della crosta e nel mantello terrestre, causato dalle stesse correnti atmosferiche.

Il nostro pianeta è composto da diversi strati: la crosta, il mantello, il nucleo esterno e il nucleo interno. Tutti questi strati sono solidi, tranne il nucleo esterno, che è liquido. E, curioso ma significativo, è proprio il nucleo esterno liquido che genera il campo magnetico terrestre. Questo strato è composto principalmente da ferro e nichel, che, alle condizioni di temperatura e pressione presenti in quella zona, sono buoni conduttori elettrici. Per questo motivo, il campo magnetico terrestre nasce grazie a un processo simile a quello che avviene in una dinamo. Il principio base di una dinamo è relativamente semplice: l'energia meccanica (come quella prodotta dalla pedalata su una bicicletta) viene trasferita a una spirale di materiale conduttore che, ruotando in un campo magnetico (creato da magneti permanenti), induce una corrente elettrica. Un meccanismo simile avviene nel nucleo terrestre: anziché generare una corrente elettrica, tuttavia, si genera un campo magnetico. Nel nucleo esterno, che è costituito da una massa liquida di ferro e nichel, il movimento di questa massa liquida, essendo elettricamente carica, consente la generazione e il mantenimento del campo magnetico. In altre parole, il movimento di questo materiale conduttore nel nucleo esterno è responsabile del generatore del campo magnetico, creando correnti indotte che, a loro volta, generano il campo stesso. Questo processo è noto come dinamo geodinamica.

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FORMAZIONE DEL CAMPO GEOMAG

Naturalmente, è importante sottolineare che questa è una semplificazione del fenomeno. Non abbiamo prove dirette che confermino in modo definitivo che il campo magnetico terrestre sia prodotto esattamente con questo meccanismo. Tuttavia, la teoria della dinamo è uno dei modelli più accreditati per spiegare la generazione del campo magnetico della Terra.

Il campo magnetico terrestre, in realtà, non si limita ai confini della Terra, ma si estende molto più lontano nello spazio, dando origine a una regione che prende il nome di magnetosfera. La magnetosfera ha un ruolo fondamentale nel proteggere la Terra dal vento solare, che è un flusso di particelle cariche (principalmente elettroni e protoni) emesse dal Sole e dirette verso gli altri corpi celesti del sistema solare. La magnetosfera agisce come una sorta di scudo protettivo. Quando il vento solare raggiunge la Terra, la magnetosfera devia le particelle cariche, impedendo loro di colpire direttamente il nostro pianeta. In particolare, le particelle cariche vengono concentrate in due fasce, le fasce di Van Allen, situate a circa 3.000 e 16.000 chilometri di altitudine sopra la superficie terrestre. Queste fasce di radiazione rappresentano una barriera naturale che protegge la vita sulla Terra. Senza il campo magnetico, che alimenta la magnetosfera, queste particelle solari colpirebbero la superficie del pianeta, distruggendo l'atmosfera e rendendo impossibile la vita come la conosciamo. Anche se non possiamo vedere direttamente la magnetosfera, possiamo osservare uno degli effetti visibili delle particelle solari interagenti con il campo magnetico: le aurore polari. Le aurore, che possiamo ammirare nelle regioni vicine ai circoli polari, sono il risultato di questa interazione. Quando le particelle cariche del vento solare vengono deviate e accelerate lungo le linee del campo magnetico, queste collidono con gli atomi nell'atmosfera terrestre, causando l'emissione di luce, che dà origine agli spettacolari fenomeni luminosi che conosciamo come aurore boreali nell'emisfero nord e aurore australi nell'emisfero sud.

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MAGNETOSFERA

lo strumento che permette ai naviganti di di individuare la direzione del nord è la bussola che puo’ essere magnetica o amagnetica, quest’ultima a causa dell’estrema complessità nel funzionamento viene utilizzata per di più su navi militari e su mercantili di notevole stazza; si evidenzia la “girobussola” che nella sua concezione essenziale si si basa sulle qualità specifiche del giroscopio, massa inerziale, ruotante su sospensione cardanica e capace di disporre il suo asse orizzontale esattamente lungo quello N-S. certamente più comune sulle imbarcazioni da diporto la generica bussola magnetica che a sua volta puo essere a secco o a liquido, nella nautica viene generalmente utilizzata quella a liquido in grado di assorbire scosse e vibrazioni e di conferire alla rosa dei venti incisa sul disco magnetico massima stabilità e direttività. la tradizionale bussola magnetica è costituita da: 1)mortaio: l’involucro (amagnetico) che fa da contenitore per far si che durante i movimenti di rollio e di beccheggio (rispettivamente sull’asse trasversale e longitudinale dell’imbarcazione) la rosa conservi la sua orizzontalità il mortaio è montato su sospensione cardanica, costituita da due cerchi concentrici a snodo.

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BUSSOLA

2)liquido: miscela formata al 70% da acqua distillata e da alcol puro quest’ultimo fondamentale al fine di abbassare fino a circ -20° il punto di congelamento 3) punta di sospensione: il perno che si erge dal fondo del mortaio e sul quale poggia la rosa 4) rosa: disco (amagnetico) graduato da 0 a 360° in senso orario integrata da un galleggiante detto cappelletto conico con una pietra dura all’interno, mediante il quale poggia con il minimo attrito sulla punta di sospensione 5) equipaggio magnetico: l’elemento sensibile , materializzante la direzione del nord, è formato da più aghi magnetici fissati inferiormente alla rosa e solidali con essa posti normali all’asse 90-270 6) linea di fede: sulla parte interna, solidale con la nave, è segnata la linea di fede la cui posiione rispetto alla gradazione della rosa ( che non partecipa al movimento di rotazione dello scafo) da immediatamente la direzione della prora dell’imbarcazione

come detto precedentemente il campo magnetico terrestre è costituito da due poli magnetici non coincidenti con quelli geografici e non statici; per questo motivo l’ago magnetico di una bussola -a terra o su di un veliero- non indica esattamente la direzione del nord vero in quanto, a causa proprio del magnetismo terrestre, dirige verso altra direzione dicesi meridiano magnetico che definisce la posizione del nord magnetico. l’angolo compreso tra la direzione del nord vero e la direzione del nord magnetico si dice declinazione magnetica (d) la quale puo’ essere positiva o negativa a seconda che l’ago si sposti verso est o verso ovest rispetto al nord vero; corrisponde a 0° in coincidenza tra nord vero e nord magnetico. essa varia da zona a zona e nella stessa zona seppur lentamente varia nel tempo.

la

DECLINAZIONE MAG

le bussole di bordo oltre che dal campo magnetico terrestre sono influenzate da un campo magnetico di bordo generato dalle forze deviatrici -masse metalliche e circuiti elettrici- che compongono l’imbarcazione. l’ago percio’ non si dispone più indicando il meridiano magnetico, bensì devia da questo disponendosi verso una nuova direzione dicesi meridiano bussola e che definisce il nord bussola. l’angolo compreso tra nord bussola e nord magnetico si dice deviazione magnetica (sigma) la quale come il valore della declinazione sarà positiva o negativa a seconda che l’ago si sposti verso est o verso ovest rispetto al nord magnetico. la deviazione varia con il mutamento della direzione della prora dell’imbarcazione e varia anche in tal modo, rispetto all’ago, la posizione e quindi l’influenza delle masse ferrose di bordo. essa tuttavia puo’ essere ridotta a valori minimi (mai annullata del tutto) sottoponendo la bussola alla cosidetta compensazione magnetica. al termine delle operazioni (i così detti “giri di bussola” eseguiti a bordo da specialisti) verrà redatta la cosidetta tabella delle deviazioni residue, propria di ciascuna bussola e ciascuna imbarcazione e compresa nell’obbligo dei documenti a bordo.

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INTERFERENZE

la bussola è uno strumento indispensabile ai fini della navigazione perchè com'è facile intuire questo permette sia di individuare facilmente sia la direzione dei poli magnetici, sia, incrociandone i risultati con quelli delle carte nautiche, la posizione dell'imbarcazione.per conoscere e poter sfruttare questa funzione va introdotto un sistema di riferimento dal quale ricavare due coordinate univoche ed inequivocabili; questo sistema di riferimento è essenzialmente costituito da: 1) equatore: il circolo massimo fondamentale, al quale si rapportano le latidudini dei luoghi, e che divide la terra in due emisferi Nord e Sud 2) meridiano di greenwich: il semicircolo massimo fondamentale che unisce i poli, ovvero il meridiano 0° al quale si rapportano le longitudini dei luoghi, e che divide la terra in due emisferi Est e Ovest 3) paralleli: gli infiniti circoli minori che si dipartono parallelamente dall'equatore ai poli; convenzionalmente ai fini del riferimento, se ne considerano 180, di cui 90 verso sud e 90 verso nord 4) meridiani: gli infiniti semicerchi massimi che vanno da un polo all'altro. ai fini del riferimento i 360 semicerchi (che tagliano l'equatore in 360°) che si dipartono da greenwich (0°) fino all'antimeridiano di greenwich (180°) di cui 180 verso est e 180 verso ovest 5) grado: l'unità di misura angolare, pari alla 360ma parte di un cerchio, ogni grado si divide in 60' ed ogni primo in 60''

gli

UTILIZZI

MIGLIO NAUTICO: l'unità della misura di distanza in mare, equivalente a 1852m perchè considerando che l'equatore ha una lunghezza di circa 40.000km e che arrotondandolo ad una circonferenza sia composto da 360° quindi 21.600' basterà dividere 40.000 per 21.600 ottenendo 1851,85 per convenzione 1852m

NOTE:

descritto questo sistema di riferimento si puo' introdurre il concetto di coordinate, la longitudine e la latidudine: 1) la latidudine: è l'arco di meridiano compreso tra l'equatore (0°) ed il punto p preso in considerazione. si conta da 0° a +90° verso nord e da 0° a -90° verso sud 2) grado di latidudine: la distanza angolare dall'uno all'altro dei 90 paralleli considerati. 1° di lat corrisponde a 60 miglia. quindi per quanto detto prima 1' di latidudine corrisponde alla distanza di 1 miglio marino 3) la longitudine: è l'arco di equatore compreso tra il meridiano di greenwich e ed il meridiano del punto in esame. si conta da 0° a 180° verso est e da 0° e -180° verso ovest 4) grado di longitudine: la distanza angolare dall'uno all'altro dei 360 meridiani. 1° di longitudine corrisponde a 60 miglia solo lungo l'equatore

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Dear Santa:

lo strumento che permette di individuare la direzione del nord è la bussola, vediamo insieme com'è fatta, di quanti tipi ne esistono e quali sono i suoi utlizzi!

Bussola:

Uno dei fenomeni più importanti, conessi al mondo della fisica riguarda il Geomagnetismo e le sue applicazioni nella realtà. Ma andiamo ad analizzarle nel dettaglio

Geomagnetismo

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