Originile câmpului magnetic terestru

Originea campului magnetic terestru este o problema de lunga durata, care a captat

atentia mai multor oameni renumiti de stiinta. Daca William Gilbert, Andre-Marie Ampere,

Rene Descartes, Edmond Halley, Karl-Friedrich Gauss, Lord Blackett si multi altii care au

contribuit la dezvoltarea stiintei, au studiat aceasta problema, acest lucru a fost datorat

faptului ca a fost legata de o problema foarte practica de importanta critica: navigarea pe

mare. Aceasta problema nu mai este actuala in zilele noastre, acum satelitii ne furnizeaza

latitudinea si longitudinea precisa fara ca noi sa fim nevoiti sa apelam la magnetismul intern

al pamantului. Insa, problema originiii campului magnetic terestru este atat de naturala incat

este obiectul a mai multor cercetarii competitive. Nimeni nu poate ignora faptul ca acul

busolei indica spre nord, si acest lucru este putin iritant deoarece inca nu putem oferi o

explicatie completa de ce se intampla asa. Aceasta problema a devenit astfel o problema

activa de cercetare funamentala in care progrese importante au fost facute in ultimul an

folosind combinatia dintre teorie, experimente si abordarea numerica. Prin natura sa aceasta

problema este interdisciplinara si se situeaza in sfera fizicii, geofizicii si a matematicii

aplicate. Aceasta problema a primit o atentie sporita in ultimul timp in presa deoarece sa

discutat despre o posibile inversare a polaritatii campului magnetic terestru in viitorul

apropiat. Considerand ca suntem in pericol de avedea planeta neprotejata de vantul solar,

intelegerea mecanismului de generare a campului magnetic devine din nou o preocupare

generala si un scop intemeiat al unui studiu de mediu.

In continuare voi rezuma bazele despre cunostintele noastre actuale despre generarea

campului magnetic terestru si apoi ponderea indiciilor stiintifice sprijinind posibilitatea unei

apropieri sau o iminenta inversare de poli.

Originea campului magnetic terestru

Cand Pamantul s-a format acum aproximativ 4.5 miliarde de ani, elementele grele s-au

concentrat in centru, astfel la 3000 km sub scoarta terestra se afla cel mai mare ocean al

planetei: miezul de fier lichid (amestecat cu elemente mai usoare), o sfera de 3400 km raza.

Cu timpul presiunea s-a amplificat spre centru Pamantului, fierul s-a solidificat si astfel putem

gasi un miez interior solid, care ocupa un spatiu de 1200 km raza. In acest miez metalic isi are

originile campul magnetic terestru. Temperaturile la aceste adancimi sunt de peste 3000 K si

deci sunt trecute bine de punctul Curie ( la care metalele isi pierd proproietatile

feromagnetice). Un camp magnetic poate fi deci sustinut doar daca un curent electric circula

prin acest ocean de fier lichid. Totusi, disipatia Ohmica ar impiedica orice curecnt electric

nesustinut din miezul Pamantului avand valori aproximative de 20 kyr, dar totusi a existat un

camp magnetic pe Pamant de milioane de ani. Acest lucru este certificat de studiul campurilor

antice inregistrate in sedimente si in lava (cunoscute ca inregistrari paleomagnetice). Aceasta

inseamna ca trebuie sa fie un proces care regenereaza curentii electrici din miezul Pamantului

impotriva disipatiei Ohmice.

Studiul inregistrarilor paleomagnetice a campului magnetic terestru au aratat de

asemenea o caracteristica foarte interesanta: campul magnetic terestru si-a inversat polaritatea

de mai multe ori in trecut intr-o aparenta ordine haotica. Mecanismul dinamului care se

autoactiveaza a fost propus prima data de Sir Joseph larmor in aanul 1919 pentru a explica

campul magnetic al petelor solare. Aceasta teorie numita si teoria dinamului pe scurt propune

ca o solutie non-magnetica (B=0) intr-un flux magneto-hidro-dinamic poate deveni instabila

daca fluxul este destul de puternic. Acest tip de instabilitatate poate fi usor introdusa folosind

un simplu dispozitiv mecanic (vezi figura), nu este la fel de dreapta cand este un volum

uniform de lichid conductor. O cauza majora de ingrijorare a fost prima data identificata de

Thomas Cowling, inca din anul 1934. Cowling a descoperit ca un camp simetric axial nu

poate fi mentinut de o actiune de dinam. Acest rezulat suprima speranta pentru orice descriere

simpla simetrica axiala a unui proces de dinam ( un punct de vedere tentant considerand

puternica simetrie a campului terestru). De fapt un rezultat mai general a venit dupa aceea si e

cunoscut sub numele de Teorema lui Zeldovic: nu poate fi gasita nici o solutie in doua

dimensiuni. Problema trebuie sa fie tratata direct in spatiul tridimensional , fara a avea

sperenta unei prime abordari simple spatiale.

Fig. 1. Scaderea puternica a momnetului dipol mangetic din ultimele

patru secole asa cum arata modelele GUFM si IGRF.

Problema a fost formalizata chiar dupa Al Doilea Razboi Mondial de Walter Elsasser.

In ciuda primelor vesti proaste despre teorema lui Cowling, este singura teorie care poate

suplini pentru constrangerile observationale. In afara de asta, o trasatura remarcabila a

ecuatiei rezulatate este invariatia lor sub o schimbare de semn a lui B. Daca un camp de viteza

a spatiului si a timpului u(x,f), un camp de temperatura T(x,f) si un camp magnetic B(x,f) pot

fi identificate pentru a satisface ecuatia generala, atunci aceleasi campuri de viteza si

temperatura, impreuna cu campul magnetic opus B(x,t) satisfac de asemenea ecuatia. Aceasta

proprietate (care rezulta dintr-o ecuatie liniara care descrie evolutia lui B si a fortei Lorentz

patratic in B in momentul ecuatiei) se descurca remarcabil de bine pentru a explica aceste

inversiuni. Aceste doua polaritati nu trebuie sa corespunda la doua stari diferite hidrodinamice

si deci inversiunea poate fi gandita ca o transmisie de la o solutie magnetica la alta.