2. Variazioni del campo magnetico

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1. Variazioni del campo magnetico

Le correnti nel nucleo della Terra che creano il suo campo magnetico sono iniziate almeno 3450 milioni di anni fa.

magnetometri rilevano minuscole deviazioni nel campo magnetico terrestre causate da manufatti in ferro, forni, alcuni tipi di strutture in pietra e persino fossati. Utilizzando strumenti magnetici adattati dai rilevatori di anomalie magnetiche aviotrasportate sviluppati durante la Seconda guerra mondiale per rilevare i sottomarini, le variazioni magnetiche attraverso il fondo dell’oceano sono state mappate. Il basalto (la roccia vulcanica ricca di ferro che costituisce il fondo dell’oceano) contiene un minerale fortemente magnetico (magnetite) e può distorcere localmente le letture della bussola. La distorsione è stata riconosciuta dai marinai islandesi già alla fine del XVIII secolo. Ancora più importante, poiché la presenza di magnetite conferisce al basalto proprietà magnetiche misurabili, queste variazioni magnetiche hanno fornito un altro mezzo per studiare il fondo oceanico profondo. Quando la roccia appena formata si raffredda, tali materiali magnetici registrano il campo magnetico terrestre.

2. Magnetismo delle rocce

Nello studio generale del magnetismo delle rocce ricadono le analisi di tutte quelle proprietà magnetiche di base di un corpo roccioso che non esprimono direttamente il magnetismo “fossile” della roccia, che costituisce invece l’oggetto degli studi di paleomagnetismo. Tra tali proprietà magnetiche ricordiamo la suscettività magnetica, le caratteristiche di isteresi (in particolare la determinazione dello spettro di coercitività ed il campo di saturazione) e le variazioni nello stato magnetico con la temperatura. L’insieme delle proprietà su esposte consente di determinare la mineralogia magnetica della roccia in studio ed è fondamentale per una corretta interpretazione del paleomagnetismo. 

La conoscenza dei minerali magnetici presenti in una roccia è infatti essenziale per la valutazione del processo geologico con cui quella roccia ha acquisito una magnetizzazione stabile. 

Lo studio della concentrazione, composizione e granulometria dei minerali magnetici in un sedimento e della relativa variazione in senso spaziale e temporale all’interno di un bacino di sedimentazione ha trovato recentemente importanti applicazioni nello studio del magnetismo ambientale.

Molte proprietà magnetiche di una roccia sono inoltre anisotrope, dipendono cioè dalla direzione in cui vengono misurate. 

Lo studio dell’anisotropia magnetica delle rocce si concentra in particolare sulla suscettività magnetica (che esprime il rapporto tra la magnetizzazione prodotta in un provino di roccia dall’azione di un debole campo magnetico inducente e l’intensità del campo stesso) e sulla magnetizzazione rimanente (che costituisce invece la magnetizzazione che è possibile misurare in una roccia quando su di essa non agisce alcun campo magnetico esterno).

Frequentemente, la magnetosfera terrestre è colpita da brillamenti solari che causano tempeste geomagnetiche, provocando esposizioni di aurore. L’instabilità a breve termine del campo magnetico viene misurata con l’indice K.

3. Il paleomagnetismo: inversioni di polarità del campo magnetico terrestre

Il paleomagnetismo è una disciplina, facente parte della geofisica, che studia le proprietà magnetiche di rocce e sedimenti e le caratteristiche del campo geomagnetico del passato, sia in termini direzionali che di intensità.

Rocce e sedimenti contengono infatti piccole quantità di minerali ferromagnetici che, in seguito al raffreddamento del magma (quando la temperatura scende al di sotto del punto di Curie) o durante la diagenesi del sedimento, si dispongono statisticamente secondo le linee di flusso del campo magnetico terrestre presente in quel momento. Datando la roccia e studiando la direzione di magnetizzazione dei minerali magnetici, è possibile dunque risalire all’intensità e alla direzione del campo magnetico terrestre presente al momento della formazione della roccia stessa. Le inversioni di polarità del campo magnetico del nostro pianeta, documentate dallo stato di magnetizzazione assunto dalle rocce ignee (basalti) dei fondali oceanici (bande a magnetizzazione normale/inversa speculari rispetto alle dorsali oceaniche), ha fornito in questo modo una delle prime prove a sostegno della teoria dell’espansione dei fondali oceanici e della tettonica a placche.

L’inversione magnetica dei poli è il fenomeno per cui il Polo Nord (attualmente positivo) si scambia con il Polo Sud (attualmente negativo). Fu scoperto da Bernard Brunhes nel 1906 attraverso lo studio del magnetismo delle rocce laviche.

Queste, contengono minerali magnetici (ossido di ferro) le cui particelle si orientano sul magnetismo terrestre nel momento in cui la lava si raffredda, rimanendo poi stabili nel tempo. Perciò, esaminando il magnetismo degli strati di lava è possibile ricostruire l’andamento del campo magnetico terrestre.

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Si è così scoperto che questo varia nel tempo sia nella declinazione (l’angolo che l’ago della bussola posta in un punto qualsiasi della superficie terrestre forma con la direzione del Polo Nord geografico), sia nell’intensità, costantemente diminuita negli ultimi duemila anni.

Sempre l’osservazione delle rocce ha mostrato che quando l’intensità cessa di diminuire, si verifica l’inversione dei poli, seguita da un ritorno dell’intensità a valori alti. 

L’inversione può avvenire in breve tempo ma anche in migliaia di anni e non si è ancora riusciti a dare una spiegazione del fenomeno, soprattutto perché non è ancora completamente chiarita l’origine del magnetismo terrestre. 

4. Anomalie magnetiche

Un’anomalia magnetica è la variazione di grandezza del campo magnetico terrestre rispetto al valore atteso per quella posizione. Grandi volumi di materiali magnetici cambieranno l’intensità del campo terrestre.

Anomalia = Valore misurato – Valore atteso

Le unità di anomalie magnetiche sono nanoTesla (nT) o l’equivalente gamma.

La grandezza del campo magnetico terrestre varia notevolmente con la latitudine, da 25.000 gamma all’equatore a 70.000 gamma ai poli magnetici. Le variazioni dovute alla geologia hanno tipicamente una magnitudine di poche centinaia di gamma, che è una frazione molto piccola del campo totale. Inoltre, per questioni pratiche usando le bussole per la navigazione ci preoccupiamo davvero solo dell’orientamento del vettore magnetico (e quindi in quale direzione punterà una bussola). C’è anche un cambiamento temporale nel valore del campo, che deve anche essere corretto.

I cristalli di magnetite nella dorsale medio-oceanica di basalto si orientano con il campo terrestre fino a quando non si raffreddano al di sotto della temperatura di Curie a circa 600°C (la loro temperatura di fusione è di circa 1000°C). Al di sotto della temperatura di Curie i grani mantengono la loro magnetizzazione permanente e puntano nella direzione del polo magnetico quando si raffreddano. 

Se misuriamo il loro orientamento, possiamo capire come si è mosso il fondo del mare da quando si è raffreddato. La temperatura di Curie è ben al di sotto della temperatura di fusione, e mentre la roccia è solida i cristalli magnetici possono ancora riorientarsi. Le grandi caratteristiche in ferro artificiali come un cannone acquisiranno anche una magnetizzazione permanente quando vengono costruite, ma quando il cannone viene spostato, non ci interessa davvero come era orientato quando si raffredda.

Poiché l’intensità del campo terrestre cambia significativamente su base giornaliera e su scale temporali più lunghe, le letture devono essere corrette in modo che possano essere confrontate, sebbene i cambiamenti relativi locali possano essere rilevati immediatamente osservando le letture osservate.

Come la gravità, il campo magnetico obbedisce a una legge di potenza inversa e le anomalie diminuiscono significativamente con la distanza

Per risolvere le caratteristiche, il magnetometro deve essere vicino al materiale magnetico anomalo; all’aumentare dell’altezza di rilevamento, l’anomalia diventa più diffusa perché la distanza dal materiale magnetico è maggiore, l’effetto è minore e il cambiamento di posizione diventa molto inferiore. Ciò significa che vogliamo far volare l’aereo basso o lo strumento subacqueo vicino al fondo.

Le anomalie magnetiche marine derivano dalla magnetizzazione residua (o permanente) acquisita quando il materiale si è raffreddato al di sotto della sua temperatura di Curie. Con uno spessore sostanziale della crosta oceanica con proprietà magnetiche allineate nella direzione del campo terrestre quando la crosta si è raffreddata, faranno un cambiamento misurabile nell’intensità del campo. Avrebbero potuto raffreddarsi quando il campo terrestre era invertito, nel qual caso avrebbero sottratto dal campo terrestre, e avrebbero potuto raffreddarsi a una latitudine diversa, avendo una magnitudine diversa.

Nella ricerca di oggetti artificiali come relitti o condotte, la magnetizzazione residua sarebbe stata acquisita quando il materiale magnetico si fosse raffreddato. Se il materiale fosse un numero di cannoni di ferro, o un grande tumulo di zavorra, la magnetizzazione residua di ogni singolo pezzo di ferro sarebbe essenzialmente casuale e si annullerebbero a vicenda. In questo caso la magnetizzazione indotta dell’intera massa di materiale ferroso potrebbe creare un’anomalia riconoscibile. Essere esposti al campo terrestre fa sì che alcuni elettroni si allineino con il campo terrestre e aumentino l’intensità.

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