El campo magnético de la Tierra

En 1600 William Gilbert publicó De magnete donde demostraba que las agujas de una brújula se orientaban hacia el polo Norte como si la Tierra se comportase como un imán situado en su centro y orientado según su eje de rotación. En el año 2000 se cumplían 400 años de esto. En el siglo XIX Karl Gauss demostró que el campo magnético de la Tierra tenía su origen en su interior.
Convencionalmente los campos magnéticos se representan por líneas de fuerza, éstas son líneas que indican en todas partes la dirección del campo. La intensidad del campo se representa por la distancia que separa líneas de fuerza contiguas. En el lugar en que están muy juntas el campo es fuerte; donde están muy separadas, débil. El campo magnético de la Tierra es muy aproximadamente el de un dipolo magnético. En la figura se muestran las líneas de fuerza para un campo dipolar, sobreimpresionadas en la Tierra.

Hay dos puntos en donde las líneas de fuerza son verticales. Éstos son los polos magnéticos, si el dipolo está centrado en la Tierra éstos están a 180º el uno del otro. Los polos magnéticos de la Tierra están separados de los polos geográficos por alrededor de 18º. El Polo Norte está en las islas del norte de Canadá; el Polo Sur en la Antártida al sur de Tasmania. La intensidad del campo es, aproximadamente, de 0,6 gauss en los polos magnéticos y 0,3 gauss en el ecuador magnético.
Actualmente, el campo magnético de la Tierra se aparta algo de un dipolo. El campo cambia con el tiempo, fenómeno conocido como la variación secular. Una parte importante de la variación secular es la deriva hacia el oeste, consiste en un movimiento hacia el oeste de las concavidades v convexidades características de un campo no dipolar así como el de los propios polos magnéticos. Esta es la razón por la que al campo magnético siempre se le añade una fecha. El movimiento en relación con la superficie de la Tierra es tal que las características del campo podrían circundar la Tierra en unos pocos miles de años. La deriva hacia el oeste, no obstante, no es toda la variación secular; los caracteres del campo cambian su forma tanto como sus localizaciones. Por último, la variación secular es un fenómeno mundial.
A grandes distancias el viento solar afecta la estructura dipolar del campo magnético. En el lado que mira hacia el Sol las líneas de fuerza se comprimen hacia la Tierra, mientras que en el lado opuesto son empujadas en dirección contraria al Sol formando una larga cola.

En Agosto de 2000 quedó operativa una flotilla de 4 satélites Cluster que medirá simultaneamente el campo magnético terrestre en varias zonas.
El campo magnético terrestre representa una protección o pantalla contra las partículas del viento solar. En los momentos de mayor debilidad del campo magnético, las partículas de alta energía procedentes mayoritariamente del Sol pueden atravesarlo ¿puede ello influir en el clima terrestre?

La teoría de la dinamo

La teoría moderna del campo magnético de la Tierra es atribuida principalmente a E. C. Bullard y W. M. Elsasser. Se basa en las deducciones siguientes. El hecho de que la variación secular sea un fenómeno mundial sugiere que el campo se origina a grandes profundidades. Por otra parte, la variación secular es demasiado lenta para ser atribuida a la atmósfera o a los océanos. Los polos magnéticos están lo suficientemente próximos a los polos geográficos como para sugerir que la rotación de la Tierra tiene mucho que ver con el campo magnético. La parte externa del núcleo de la Tierra es un líquido metálico. Como tal, es un fluido conductor de la electricidad. Un fluido de este tipo, cuando está en movimiento, puede interactuar con un campo magnético y éste, a su vez, influir el movimiento del fluido. De acuerdo con la teoría de la dinamo, la Tierra comenzó sin un campo magnético propio. Sin embargo, en la Galaxia existen siempre débiles campos magnéticos, y si uno de ellos aparece cuando se producen movimientos en los fluidos del núcleo, el campo influirá sobre el movimiento. Bajo circunstancias adecuadas este tipo de movimientos creará un campo magnético propio. Por una acción de dinamo en el núcleo de la Tierra se regenera un campo magnético de la galaxia dando origen al campo magnético mucho más fuerte de la Tierra.
Se sabe que los dos requisitos, un campo inicial débil y el movimiento de fluidos, son insuficientes por ellos mismos de dar lugar a una acción de dinamo. Pero los movimientos de líquidos en la Tierra están también influenciados por la rotación de ésta. La rotación provee de una tercera condición vital para hacer posible la dinamo regeneradora. Una razón por la cual Venus no tiene campo magnético puede ser la rotación tan lenta del planeta.
El papel fundamental jugado por la rotación en esta teoría sugiere que los polos magnéticos deberían estar cercanos a los polos geográficos. Es fácil encontrar razones por las cuales momentáneamente ambos polos no deberían coincidir, pero una diferencia excesiva sería difícil de explicar.
Los movimientos de fluidos que producen la dinamo son algunas veces inestables, y a consecuencia de estas irregularidades se produce la variación secular. La inestabilidad puede causar la inversión del campo en un tiempo relativamente corto, de manera que el polo norte magnético aparece cerca del polo sur geográfico.

Magnetismo de las rocas

Unos pocos minerales son magnéticos y las rocas en los que se encuentran pueden, a su vez, transformarse en magnéticas. Es posible medir la intensidad y la dirección del magnetismo de una roca, este último dato nos capacita para determinar la dirección del campo magnético en el pasado. Los minerales magnéticos contienen átomos de ciertos elementos, de los que el hierro es el único ejemplo natural importante, que se comportan como pequeños imanes. En ciertos cristales los imanes atómicos están orientados paralelamente los unos a los otros, razón por la cual el material es magnético. Los minerales magnéticos más importantes son la magnetita Fe₃O₄, hematites Fe₂O₃, y en menor grado la ilmenita FeTiO₃ y la pirrotina Fe_1-xS. Todos estos minerales son ferrimagnéticos en contraposición con los materiales ferromagnéticos tales como el hierro metálico. En los materiales ferromagnéticos todos los imanes atómicos se alinean en una dirección común, mientras que en las sustancias ferrimagnéticas algunos de los imanes señalan en una dirección y otros en la opuesta. Pero en todo caso el número de imanes, o sus grados de intensidad, no son iguales en las dos direcciones, de modo que queda un magnetismo neto remanente. Cuando un cristal ferrimagnético se calienta por encima de una temperatura claramente definida, llamada punto de Curie, el alineamiento común a todos los imanes atómicos se destruye y el cristal se vuelve paramagnético. Los imanes atómicos están ahora orientados al azar, y el magnetismo del cristal está debilitado en varios órdenes de magnitud. Muchos de los minerales relacionados con el hierro son paramagnéticos aun a temperatura ambiente, razón por la cual su magnetismo es poco importante.
El modo mediante el cual una roca se imanta depende del tipo de ésta. Las lavas cristalizan a temperaturas superiores al punto de Curie de sus minerales magnéticos. Como se enfrían pasando por el punto de Curie existe una tendencia a que los minerales se imanten en la dirección del campo presente en aquel momento.
Teóricamente es posible que una roca se imante en dirección opuesta al campo pero este fenómeno, llamado autorreversion, parece ser poco frecuente. Al magnetismo adquirido por enfriamiento a través del punto de Curie, se le conoce con el nombre de magnetización termorremanente. Las rocas sedimentarlas, que nunca han sido calentadas, también pueden ser imantadas. A este fenómeno se le llama magnetización remanente isotérmica y se produce principal mente de dos formas. Si algunos de los granos en la roca están ya imantados, durante la sedimentación tendrán una ligera tendencia a alinearse con el campo existente, tal como lo hace una aguja de brújula. Aun un pequeño valor en la orientación preferencial producida de esta manera dará a la roca una imantación mensurable. Alternativamente, los minerales imantados pueden ser precipitados químicamente en los poros del sedimento, como en el caso de las areniscas cementadas por hematites. Estos minerales tienden a orientarse de tal manera que su magnetismo es paralelo al del campo magnético local del momento. No se ha sugerido ningún mecanismo de autorreversión para los sedimentos.

Pa1eomagnetismo

El estudio del magnetismo de las rocas, y en particular de sus direcciones de imantación, nos puede informar sobre la posición de las rocas en la superficie de la Tierra en el momento en que fueron imantadas. Como puede imaginarse, es posible hacer ciertas suposiciones que nos permitan extraer información de los datos magnéticos. Algunos de estos supuestos pueden experimentarse y establecer su validez, pero otros carecen de confirmación experimental aunque teóricamente son plausibles.
Un requisito primordial del paleomagnetismo es que el magnetismo adquirido por una roca al formarse debe estar orientado en la dirección del campo magnético existente en aquel momento. La roca debe conservar su dirección original de magnetización aun si es desplazada, y en consecuencia expuesta al campo magnético de la Tierra de dirección diferente durante cientos de millones de años. Esta segunda propiedad, conocida como estabilidad, no aparece en todas las rocas, sin embargo se han ideado test de estabilidad dignos de confianza. Desde que es objeto de verificación, la estabilidad no es un supuesto separado del paleomagnetismo; solamente necesitamos suponer que la roca fue imantada en la dirección del campo que prevalecía en el momento de su formación.
Un segundo supuesto del paleomagnetismo es el de que las rocas fueron imantadas en un campo dipolar. Un test de este supuesto podría ser la medición de las direcciones de imantación en rocas de la misma edad en varios lugares ampliamente separados. Pero este test requiere el conocimiento de las localizaciones relativas de un lugar respecto del otro en el pasado, y esto no lo sabemos. Lo mejor que se puede hacer es estudiar las rocas de la misma edad, tan alejadas entre sí como sea posible dentro de un mismo continente. En los lugares en que se han hecho tests, se han obtenido resultados consecuentes con un campo dipolar. Sin embargo, la discriminación no es tan buena como la que se obtendría mediante una serie de ejemplos de todo el mundo de los que fueran conocidas sus posiciones relativas. Hay también justificaciones teóricas para suponer un campo dipolar, pero éstas se deducen de la teoría de la dinamo, la cual no es á aún completamente ultimada. No pueden excluirse otras formas de campos magnéticos. La suposición de un campo dipolar es consecuente con el campo actual y con lo poco que sabemos del campo en el pasado y tiene la virtud de ser la más simple de las que podemos hacer. No será abandonada hasta que se presenten pruebas que muestren claramente que es errónea.
Como podemos ver, la suposición de un campo dipolar nos conduce a la conclusión de que algunos lugares paleomagnéticos se han desplazado con relación a otros. Si abandonamos el supuesto de un campo dipolar y aceptamos en su lugar que estos movimientos tienen alguna normativa particular (podríamos suponer, por ejemplo, que no hay movimiento en absoluto), deberíamos entonces deducir la disposición geométrico del campo que debería ser consecuente con las observaciones magnéticas y las supuestas localizaciones de estos lugares. Pero esta nueva serie de suposiciones no serían más plausibles que las que aceptaban un campo dipolar, ni podrían apoyarse en bases experimentales seguras. En muchos casos, serían necesarias líneas de fuerza con disposiciones irregulares, y no tenemos garantías de que exista un mecanismo capaz de producir un campo de este tipo.
El supuesto final del paleomagnetismo es que los polos magnéticos y geográficos coincidan. El polo sur magnético puede coincidir con el polo norte geográfico como resultado de una reversión magnética, sin embargo la diferencia de latitud entre los polos se considera cero. Esta suposición parece sorprendente a la vista del hecho de que los polos magnéticos están normalmente en latitudes de 72º en lugar de 90º, pero algunos de los primeros trabajos paleomagnéticos le dieron base experimental. Una segunda consecuencia de la extensión temporal de los datos es que las componentes no dipolares del campo magnético tienden a cero. Sin embargo las rocas volcánicas enfriadas rápidamente a través del punto de Curie darán la dirección del polo norte instantáneo. Con lavas de edades ligeramente diferentes se puede hallar un polo promedio para la época que coincide con el polo geográfico. Esta confirmación de coincidencia de los polos se obtiene sólo para rocas recientes, la extensión a otras épocas se hace en base al papel importante que juega la rotación de la Tierra en la teoría de la dinamo.
La dirección de la imanación de una roca viene dada por la inclinación I o ángulo que forma la dirección de imanación con la horizontal, y la declinación o ángulo que forma la dirección de imanación con el polo norte geográfico. En el caso de un campo perfectamente dipolar centrado axialmente y con coincidencia de los polos magnético y geográfico la declinación es siempre nula, mientras que la inclinación magnética I y la latitud L(geográfica o magnética da igual con este supuesto) cumple la relación : tan I= 2 tan L .