Campo magnético terrestre

A magnetosfera protege a superfície da Terra das partículas carregadas do vento solar. É comprimida no lado diurno (Sol) devido à força das partículas que chegam, e estendido no lado noturno.

Geomagnetismo é a capacidade que a Terra têm de formar um campo magnético, que se designa como Magnetosfera. O campo magnético terrestre assemelha-se a um dipolo magnético com seus polos próximos aos polos geográficos da Terra. Uma linha imaginária traçada entre os polos sul e norte magnéticos apresenta uma inclinação de aproximadamente 11,3º relativa ao eixo de rotação da Terra. A teoria do dínamo é a mais aceita para explicar a origem do campo. Um campo magnético, genericamente, estende-se infinitamente. Um campo magnético vai tornando-se mais fraco com o aumento da distância da sua fonte. Como o efeito do campo magnético terrestre se estende por várias dezenas de milhares de quilómetros, no espaço ele é chamado de magnetosfera da Terra.

Polo magnético

A localização dos polos não é estática, chegando a oscilar vários quilômetros por ano. Os dois polos oscilam independentemente um do outro e não estão em posições diametralmente opostas no globo. Atualmente o polo sul magnético distancia-se mais do polo norte geográfico que o polo norte magnético do polo sul geográfico.

Posições do polo magnético

Polo magnético norte	(2001)81° 18′ N, 110° 48′ O	(2004)82° 18′ N, 113° 24′ O	(2005)82° 42′ N, 114° 24′ O
Polo magnético sul	(1998)64° 36′ S, 138° 30′ L	(2004)63° 30′ S, 138° 00′ L

Distâncias referentes aos polos magnéticos (2005):

• ao longo da superfície da terra:
  • entre os polos - 17.386 km (entre os polos geográficos é de ~20 mil km)
  • entre polo norte magnético e polo norte geográfico - 890 km
  • entre polo sul magnético e polo sul geográfico - 2.835 km
• eixo unindo os polos magnéticos - ~12.550 km (entre os geográficos é 12.713 km)

Características do campo magnético

O campo é semelhante ao de um ímã de barra, mas essa semelhança é superficial. O campo magnético de um ímã de barra, ou qualquer outro tipo de ímã permanente, é criado pelo movimento coordenado de elétrons (partículas negativamente carregadas) dentro dos átomos de ferro. O núcleo da Terra, no entanto, é mais quente que 1043 K, a temperatura de Curie em que a orientação dos orbitais do elétron dentro do ferro se torna aleatória. Tal aleatoriedade tende a fazer a substância perder o seu campo magnético. Portanto, o campo magnético da Terra não é causado por depósitos magnetizados de ferro, mas em grande parte por correntes elétricas do núcleo externo líquido.

Outra característica que distingue a Terra magneticamente de um ímã em barra é sua magnetosfera. A grandes distâncias do planeta, isso domina o campo magnético da superfície.

Correntes elétricas induzidas na ionosfera também geram campos magnéticos. Tal campo é sempre gerado perto de onde a atmosfera é mais próxima do Sol, criando alterações diárias que podem deflectir campos magnéticos superficiais de até um grau.

Variações do campo magnético

A intensidade do campo na superfície da Terra neste momento varia de menos de 30 microteslas (0,3 gauss), numa área que inclui a maioria da América do Sul e África Meridional, até superior a 60 microteslas (0,6 gauss) ao redor dos polos magnéticos no norte do Canadá e sul da Austrália, e em parte da Sibéria.

Magnetômetros detectaram desvios diminutos no campo magnético da Terra causados por artefatos de ferro, fornos para queima de argila e tijolos, alguns tipos de estruturas de pedra, e até mesmo valas e sambaquis em pesquisa geofísica. Usando instrumentos magnéticos adaptados a partir de dispositivos de uso aéreo desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos, as variações magnéticas através do fundo do oceano foram mapeadas.

O basalto - rocha vulcânica rica em ferro que compõe o fundo do oceano - contém um forte mineral magnético (magnetita) e pode distorcer a leitura de uma bússola. A distorção foi percebida por marinheiros islandeses no início do século XVIII. Como a presença da magnetita dá ao basalto propriedades magnéticas mensuráveis, estas variações magnéticas forneceram novos meios para o estudo do fundo do oceano. Quando novas rochas formadas resfriam, tais materiais magnéticos gravam o campo magnético da Terra no tempo.

Em Outubro de 2003, a magnetosfera da Terra foi atingida por uma chama solar que causou uma breve, mas intensa tempestade geomagnética, provocando a ocorrência de auroras boreais.

Reversões do campo magnético

O campo magnético da Terra é revertido em intervalos que variam entre dezenas de milhares de anos a alguns milhões de anos, com um intervalo médio de aproximadamente 250.000 anos. Acredita-se que a última ocorreu há 780.000 anos, referida como a reversão Brunhes-Matuyama.

O mecanismo responsável pelas reversões magnéticas não é bem compreendido. Alguns cientistas produziram modelos para o centro da Terra, onde o campo magnético é apenas quase-estável e os polos podem migrar espontaneamente de uma orientação para outra durante o curso de algumas centenas a alguns milhares de anos. Outros cientistas propuseram que primeiro o geodínamo para, espontaneamente ou através da ação de algum agente externo, como o impacto de um cometa, e então reinicia com o polo norte apontando para o norte ou para o sul. Quando o norte reaparece na direção oposta, interpretamos isso como uma reversão, enquanto parar e retornar na mesma direção é chamado excursão geomagnética.

A intensidade do campo geomagnético foi medida pela primeira vez por Carl Friedrich Gauss em 1835 e foi medida repetidamente desde então, sendo observado um decaimento exponencial com uma meia-vida de 1400 anos, o que corresponde a um decaimento de 10 a 15% durante os últimos 150 anos.

Origem física

Ver artigo principal: Teoria do dínamo

O núcleo da Terra e o geodinâmico

Acredita-se que o campo magnético da Terra seja gerado por correntes elétricas nas ligas de ferro condutoras de seu núcleo, criadas por correntes de convecção devido ao calor que sai do núcleo. No entanto, o processo é complexo e os modelos de computador que reproduzem alguns de seus recursos só foram desenvolvidos nas últimas décadas. Já se acreditou que o dipolo, que compreende a maior parte do campo magnético terrestre e está desalinhado 11,3 graus em relação ao eixo de rotação, era causado pela magnetização permanente dos materiais na Terra. Isto significa que a teoria do dínamo foi originalmente usada para explicar o campo magnético solar na sua relação com o da Terra. No entanto, esta teoria, que inicialmente foi proposta por Joseph Larmor em 1919, foi modificada devido a estudos extensos das variações magnéticas seculares, paleomagnetismo (incluindo inversão de polaridades), sismologia, e da abundância de elementos no sistema solar. Além disso, a aplicação das teorias de Carl Friedrich Gauss às observações magnéticas mostrou que o campo magnético da Terra tinha uma origem interna, e não externa.

No caso da Terra, o campo magnético é induzido e constantemente mantido pela convecção do ferro líquido no núcleo externo. Um dos requisitos para a indução de campos é um fluido em rotação. A rotação do núcleo externo é fornecida pelo efeito de Coriolis produzido pela rotação da Terra. A força de Coriolis tende a organizar os movimentos do fluido e correntes elétricas em colunas (veja também coluna de Taylor) alinhadas com o eixo de rotação. A indução ou criação do campo magnético é descrita pela equação de indução:

${\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\eta \nabla ^{2}\mathbf {B} +\nabla \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B} )$

onde u é a velocidade, B é o campo magnético, t é o tempo e $\eta =1/\sigma \mu$ é a difusividade magnética com condutividade elétrica $\sigma$ e permeabilidade $\mu$. A razão entre segundo termo do lado direito com o primeiro termo dá o número de Reynolds magnético, um quociente adimensional de advecção do campo magnético à difusão.

O campo magnético médio no núcleo externo da Terra foi calculado em 25 gausses, 50 vezes mais forte que o campo na superfície.

Modelos numéricos

Simular o geodinâmico requer resolver numericamente um conjunto de equações diferenciais parciais não lineares para a magnetoidrodinâmica (MHD) do interior da Terra. A simulação das equações MHD é realizada em uma grade 3D de pontos e a finura da grade, que em parte determina o realismo das soluções, é limitada principalmente pela energia do computador.

Correntes na ionosfera e magnetosfera

Correntes elétricas induzidas na ionosfera geram campos magnéticos (região do dínamo ionosférico). Esse campo é sempre gerado perto de onde a atmosfera está mais próxima do Sol, causando alterações diárias que podem desviar os campos magnéticos da superfície em até um grau. As variações diárias típicas da intensidade do campo são de cerca de 25 nanoteslas (nT) (uma parte em 2000), com variações ao longo de alguns segundos, tipicamente em torno de 1 nT (uma parte em 50.000).

Campo magnético inicial

Os cientistas descobriram que o campo magnético que se formou ao redor da Terra era ainda mais forte do que se acreditava anteriormente. Isso ajuda a tirar conclusões sobre a sustentabilidade do escudo magnético da Terra e se há ou não outros planetas no sistema solar com as condições necessárias para abrigar a vida.

Dados paleomagnéticos, de microscópio eletrônico, geoquímicos e de paleointensidade e a análise de cristais de zircão, que têm cerca de dois décimos de milímetro, e contêm partículas magnéticas que bloqueiam a magnetização da terra no momento em que foram formadas, coletadas de locais em Austrália, sugere um campo mais forte. Mas, como o núcleo interno ainda não havia se formado, acredita-se que o campo energético que originalmente se desenvolveu há 4 bilhões de anos deve ter sido alimentado por um mecanismo de precipitação química de óxido de magnésio na Terra.

O óxido de magnésio provavelmente foi dissolvido por calor relacionado ao impacto que formou a lua da Terra. À medida que o interior da Terra esfriava, o óxido de magnésio poderia precipitar, impulsionando a convecção e o geodinâmico. O interior da Terra acabou exaurindo a fonte de óxido de magnésio a tal ponto que o campo magnético entrou em colapso quase 565 milhões de anos atrás.

Ver também

Características e fenómenos do campo

• Ionosfera: parte da atmosfera que é ionizada pela radiação solar.
• Variação solar: flutuações na quantidade de energia emitida pelo Sol. Pequenas variações foram medidas por satélites durante as décadas recentes.
• Anomalia Magnética Sul-Atlântica: a região onde o cinturão de radiação van Allen no interior da Terra mais se aproxima à superfície do planeta.
• Corrente de Birkeland: correntes elétricas que contribuem para a formação da aurora polar.

Disciplinas

• Geofísica: estudo da Terra por métodos físicos quantitativos, especialmente por métodos de reflexão e refração sísmicas, de gravidade, magnéticos, eléctricos, electromagnéticos e de radioatividade.
• Magnetoidrodinâmica: disciplina acadêmica que estuda a dinâmica de fluidos eletrocondutores.

Teorias

• Teoria do dínamo: mecanismo pelo qual um corpo celestial como a Terra gera um campo magnético.

Pessoas

• Edward Sabine: pesquisou extensivamente o campo magnético terrestre.
• Kristian Birkeland: pesquisou as correntes elétricas em regiões polares.

Leitura adicional

• Discovering the Essential Universe, Neil F. Comins (2001) (em inglês)
• Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation, Martin Walt (1994) (em inglês)

Ligações externas

• USGS Geomagnetism Program. Real time monitoring of the Earth's magnetic field. U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, February 17, 2005. (em inglês)
• Geomagnetism (em inglês) . National Geophysical Data Center, NOAA. Apr-2005.
• BGS Geomagnetism (em inglês) . Information on monitoring and modelling the geomagnetic field. British Geological Survey, August 2005.
• William J. Broad, "(em inglês) ex=1247457600&en=e8f37e14d213ba16&ei=5090&partner=rssuserland Will Compasses Point Southinglêsinglês?". New York Times, July 13, 2004. (em inglês)
• John Roach, "Why Does Earth's Magnetic Field Flip?". National Geographic, September 27, 2004. (em inglês)
• "Magnetic Storm". PBS NOVA, 2003. (ed. sobre reversões polares) (em inglês)

• "Integrated Space Weather Analysis Sytem". (Sistema de Análise Integrado de Espaço Tempo) (em inglês)
• "[1]". Magnetismo Terrestre. Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais, 05 de Maio de 2005.