O campo magnético da Terra , também conhecido como escudo da Terra , é um campo magnético presente em um grande espaço ao redor da Terra (de forma não uniforme devido à sua interação com o vento solar ), bem como na crosta e no manto . Tem sua origem no núcleo externo , por um mecanismo dínamo autoexcitado .
Segundo estudos de John Tarduno, da Universidade de Rochester ( Estados Unidos ), a Terra já possuía um campo magnético de 3,45 bilhões de anos atrás. Naquela época, a intensidade do campo era de 50 a 70% de seu valor atual. Mas já em 3,2 Ga o campo terrestre era tão intenso quanto é hoje. Foi proposto em 2014 que o campo magnético terrestre já existia 4,2 bilhões de anos atrás, mas a validade desses estudos, baseados na magnetização de antigos cristais de zircão , foi questionada em 2020.
O campo magnético da Terra é gerado pelos movimentos de convecção do núcleo externo do nosso planeta, constituído por metal líquido (principalmente Fe e Ni ). Este núcleo externo funciona como uma auto-animado dínamo (também dizemos auto-sustentável ), que é dizer que o campo magnético está na origem das correntes elétricas que se geram no campo (de nidificação da indução eletromagnética e da lei de Biot e Savart ). A convecção é provavelmente solutal (devido a gradientes de concentração ) em vez de térmica (devido a gradientes de temperatura ), e intimamente relacionada ao crescimento do núcleo interno : o ferro-níquel sólido sendo menos rico em elementos dissolvidos como o líquido, a cristalização deste líquido enriquece a base do núcleo externo em elementos dissolvidos; sendo esses elementos mais leves que o Fe e o Ni, o líquido metálico profundo tende a se elevar sob o efeito do impulso de Arquimedes .
O núcleo interno, no entanto, é muito jovem para o mecanismo acima ter funcionado há mais de 1,5 Ga . Outro processo de convecção solutal teria sido a exsolução do óxido de magnésio MgO, devido ao resfriamento progressivo do núcleo (enquanto totalmente líquido). O MgO é de fato solúvel em ferro líquido em temperaturas muito altas. Uma quantidade significativa de MgO poderia ter se dissolvido no núcleo durante o acréscimo da Terra e, em particular, durante o impacto gigantesco na origem da Lua.
O campo magnético da Terra pode ser comparado, como uma primeira aproximação, ao de um ímã direito (ou de um dipolo magnético , ou de uma bobina plana atravessada por uma corrente elétrica ), de momento magnético 7,7 × 10 22 A m 2 em 2000 O ponto central deste ímã não está exatamente no centro da Terra, ele está localizado a algumas centenas de quilômetros do centro geométrico. Esta aproximação não deve nos fazer esquecer que o campo tem componentes multipolares cuja intensidade, embora muito mais fraca do que a componente dipolar, não é desprezível, em particular durante uma inversão do campo magnético terrestre que vê o enfraquecimento. A intensidade do dipolo para que os componentes não dipolares tornam-se predominantes.
A teoria do potencial descreve, a partir da equação de Laplace , que um quadrupolo se sobrepõe a este ímã direito na segunda ordem , na terceira ordem um octopolo, etc., até o infinito. Esta chamada decomposição esférica harmônica admite coeficientes que ponderam a importância a ser atribuída a cada ímã. O primeiro a ter medido seu valor é Gauss a partir de uma malha de observatórios magnéticos distribuídos ao redor da Terra, para então derivar estudos estatísticos deles.
O conjunto de linhas do campo magnético da Terra localizado acima da ionosfera , a mais de 1.000 km de distância , é chamado de magnetosfera . A influência do campo magnético da Terra é sentida a várias dezenas de milhares de quilômetros de distância.
Outros planetas do sistema solar possuem um campo magnético: Mercúrio , Saturno , Urano , Netuno e especialmente Júpiter . O próprio Sol tem um.
Embora os ímãs sejam conhecidos desde os tempos antigos, foram os chineses que, por volta do ano 1000-1100, os usaram para se orientar com a ajuda da bússola . A relação entre os ímãs e o campo magnético da Terra foi descoberto em 1600 por William Gilbert , um médico e físico Inglês da Rainha Elizabeth I re publicar em 1600 Magno Magnete Telúrio ( "Desde o Grande ímã da Terra"). Esta teoria é a primeira a respeito das características globais da Terra, antes da gravidade de Isaac Newton . Ele demonstrou como uma bússola colocada na superfície de uma bola magnetizada (a " Terrella ") sempre indica o mesmo ponto, como faz na Terra.
Os pólos magnéticos são convencionalmente definidos como os pontos na superfície da Terra onde o campo magnético é localmente vertical, ou seja, a inclinação magnética é de 90 graus (veja abaixo as propriedades do campo magnético para uma definição de inclinação). Existe um pólo magnético por hemisfério, o norte e o sul. No XI th século, o polímata chinês Shen Kuo foi o primeiro a notar que os pólos geográficos e magnéticos não para corresponder. Foi em 1831 que os cientistas notaram que os pólos magnéticos estavam mudando.
O pólo norte magnético da Terra é, na verdade, um pólo de magnetismo “sul”. Trata-se de pura convenção, devido à escolha de chamar "norte" a ponta da agulha da bússola que aponta este pólo magnético, que não está muito longe do pólo norte geográfico . O eixo geomagnético, passando pelos dois pólos geomagnéticos, forma um ângulo de 11,5 ° em relação ao eixo de rotação da Terra; é a declinação magnética .
Uma medição de abril de 2007 pelo projeto "Poliartico" localizou o Pólo Magnético Norte (Nm) a uma latitude de 83,95 ° N e uma longitude de 121,02 ° W ( 83 ° 57 ′ 00 ″ N, 121 ° 01 ′ 12 ″ W ), ou seja, 673 km do Pólo Norte geográfico (Ng) e depois com uma velocidade média de movimento de 55 km / ano contra 15 km / ano antes de 1990. Esta aceleração significa que o pólo se move muito durante os primeiros 20 anos do XXI th século, ao longo do XX th .
Desde meados da década de 1990 , mudou-se do Canadá (onde sempre esteve desde os primeiros bares) para a Sibéria sem que esse desenvolvimento fosse compreendido pela comunidade científica.
No verão de 2010, estava a 550 km do pólo norte geográfico.
A aceleração do movimento é combinada com outro fenômeno: os "solavancos geomagnéticos", impulsos que "aceleram" localmente o campo magnético. Um ocorreu em 2016. Os serviços especializados americanos foram assim levados a distribuir, em 2019, uma nova versão do modelo magnético Mundial , uma das referências na área.
Em setembro de 2019, a longitude do Pólo Norte magnético era a do meridiano de Greenwich .
Além disso, a posição do pólo magnético varia durante o dia, movendo-se assim várias dezenas de km em torno de sua posição média.
O Pólo Magnético Sul , por sua vez, está localizado fora da Terra Adélie , no Mar de Urville , a 65 ° S e 138 ° E.
Pólo Norte Magnético | (2001) 81 ° 18 ′ N, 110 ° 48 ′ W | (2004) 82 ° 18 ′ N, 113 ° 24 ′ W | (2005) 82 ° 42 ′ N, 114 ° 24 ′ W | (2010) 85 ° 00 ′ N, 132 ° 36 ′ W |
Pólo Sul Magnético | (1998) 64 ° 00 ′ S, 138 ° 30 ′ E | (2004) 63 ° 30 ′ S, 138 ° 00 ′ E | (2005) 63 ° 06 ′ S, 137 ° 30 ′ E | (2010) 64 ° 24 ′ S, 137 ° 18 ′ E |
Em um determinado ponto no campo magnético da Terra, o vetor do campo magnético pode ser dividido em um componente vertical (direcionado ao longo da vertical local ou aproximadamente em direção ao centro da Terra) e um componente horizontal . Nos pólos magnéticos, o componente horizontal tem valor zero.
O vento solar é responsável por variações no campo medido, pelas correntes elétricas que gera na ionosfera e na magnetosfera. Dependendo da atividade solar, as tempestades magnéticas podem perturbar o campo magnético da Terra, variando a intensidade do componente horizontal B 0 . Além disso, os ventos solares distorcem as linhas de campo do campo magnético da Terra. No lado diurno, eles são achatados em direção à Terra, e no lado noturno, desviam-se mais de dez raios terrestres .
O valor da indução magnética é expresso em teslas (nome da unidade no Sistema Internacional de Unidades ), em homenagem a Nikola Tesla . Atualmente, é cerca de 47 μT no centro da França.
O arqueomagnetismo , com base no estudo dos vestígios do campo magnético fixado em objetos arqueológicos (tijolos, cerâmicas, etc.), e o paleomagnetismo , mais baseado nas rochas, para compreender a evolução do geomagnetismo ao longo do tempo; datando reversões de polaridade magnética ao longo dos tempos, por exemplo.
Para duas bobinas Helmholtz idênticas separadas por uma distância igual ao seu raio, o campo criado no meio dessas duas bobinas pode ser considerado uniforme (as duas bobinas são percorridas pela mesma corrente). Ao colocar essas bobinas de modo que o campo que induzem esteja alinhado com o campo magnético da Terra, o campo total resultante entre as bobinas é, portanto:
.Uma agulha magnética (bússola) colocada em R / 2 se alinha com este campo resultante. Removido de sua posição de equilíbrio, ele oscila em um período:
onde μ denota o momento magnético do ímã e J seu momento de inércia.
Se a direção da corrente nas bobinas for invertida, o campo induzido muda de direção (conservação da direção colinear com o campo terrestre). Ao garantir que o campo induzido pela bobina seja inferior ao campo magnético da terra (a mudança na direção da corrente não deve induzir uma mudança na direção da agulha), a agulha então oscila no período:
.Destes dois períodos, obtemos:
.Assim, se considerarmos bobinas de raio R , compostas por N voltas e atravessadas por uma corrente de intensidade I , medindo T 1 e T 2 deduzimos o campo magnético terrestre:
.As bobinas de Helmholtz são desta vez colocadas de forma que o campo que induzem seja ortogonal ao campo magnético da Terra.
A agulha magnética, submetida à ação de dois campos, é orientada de acordo com sua resultante. O campo resultante ao qual a bússola está sujeita é igual à soma do campo terrestre e do campo induzido e está alinhado na direção α de modo que:
.A medição do ângulo α permite obter o valor do campo magnético:
.A agulha de uma bússola perfeita (não perturbada por um campo parasita), é orientada ao longo do componente paralelo ao mostrador (normalmente posicionado horizontalmente), permanecendo tangente à linha de campo do local onde está localizada. A bússola indica a direcção do pólo norte magnético (e não o do geográfica Pólo Norte ); a diferença angular relativa é chamada de declinação magnética , cujo valor depende de onde você está.
A bússola usada na navegação, chamada de bússola , geralmente não indica o norte magnético, mas o norte da bússola , uma direção para a qual outra correção (chamada de desvio da bússola) deve ser feita para encontrar a direção do norte magnético.
A variação magnética de um lugar é fornecida nos mapas detalhados (1 / 50.000 ou 1 / 25.000) da região. Nas cartas náuticas e aeronáuticas também é fornecida uma estimativa de sua variação anual (por exemplo, diminuição de 6 'por ano). Para certas aplicações modernas (aviação, etc.), é usado um magnetômetro , que mede os três componentes do vetor do campo magnético.
Distingue-se entre o arqueomagnetismo , baseado no estudo dos vestígios do campo magnético fixados em objetos arqueológicos (tijolos, cerâmicas, etc.), e o paleomagnetismo baseado na análise das variações do campo magnético registrado pelas rochas. Durante a solidificação “rápida” de um material (queima de uma cerâmica, erupção vulcânica, etc.), os dipolos magnéticos que ele contém congelam, dando assim um instantâneo da direção do campo magnético da Terra. O trabalho de Xavier Le Pichon na década de 1970 permitiu destacar o fenômeno da deriva continental , a partir do estudo da variação do campo magnético terrestre registrado ao nível das dorsais mesoatlânticas. Foi assim descoberto que o campo magnético da Terra sofreu múltiplas inversões de polaridade ao longo de milhões de anos.
A prospecção mineral é um dos principais campos de aplicação para o estudo do geomagnetismo. Rochas diferentes com magnetizações diferentes, o valor da intensidade do campo magnético da terra é modificado. Assim, é possível obter um mapa das estruturas em profundidade, de acordo com as variações na magnetização das rochas.
O campo magnético da Terra desempenha um papel vital no desenvolvimento da vida na Terra, desviando partículas mortais do vento solar , formando assim as luzes do norte e do sul.
O núcleo externo (líquido) que gera o campo magnético global da Terra esfria muito lentamente. O núcleo interno (sólido) fica maior pela solidificação do metal líquido do núcleo externo em contato com o núcleo interno. Estima-se que o núcleo externo estará (quase) totalmente solidificado em alguns bilhões de anos e que, como resultado, o campo magnético global terá desaparecido.
A Terra então apresentará condições comparáveis às atuais em Vênus , sem um campo magnético global.
Muitos animais terrestres altamente migratórios ( por exemplo: pássaros ) ou aquáticos ( por exemplo: tartarugas marinhas ) parecem ter uma boa percepção do campo magnético terrestre ( magnetorecepção ), mesmo se outros sentidos estiverem envolvidos durante as migrações. Por exemplo, as tartarugas cabeçudas são sensíveis à latitude dependendo do campo magnético da Terra e sua inclinação. Assim, as tartarugas muito jovens desta espécie foram colocadas, logo após a eclosão, em uma bacia que reproduz as condições do campo magnético de outras regiões ( Porto Rico e Cabo Verde , localizadas em sua rota migratória habitual na mesma latitude (20 ° N), mas em diferentes longitudes) rapidamente viraram na direção que tomariam neste ambiente (NE e SE, respectivamente).
A reversão do campo magnético da Terra é um fenômeno recorrente na história geológica da Terra, o Pólo Norte magnético se move para o Pólo Sul geográfico e vice-versa. É o resultado de uma perturbação da estabilidade do núcleo da Terra . O campo magnético entra em pânico por um curto período (1000 a 10.000 anos), durante o qual os pólos magnéticos se movem rapidamente sobre toda a superfície do globo ou desaparecem, dependendo das teorias.
Durante essa transição, a intensidade do campo magnético é muito fraca e a superfície do planeta pode ficar exposta ao vento solar , potencialmente perigoso para os organismos vivos. Se isso acontecesse hoje, muitas tecnologias que usam o campo magnético também poderiam ser afetadas.
No final desse período de transição, ou os pólos magnéticos voltam às suas posições iniciais, então é apenas uma questão de excursão geomagnética, ou eles se permutam e aí falamos de inversão.
O campo da Terra se inverteu cerca de 300 vezes nos últimos 200 milhões de anos. A última reversão foi 780.000 anos atrás e a última reversão 33.000 anos atrás, ninguém sabe quando a próxima vai acontecer.
Em 2012, Mioara Mandea e sua equipe destacaram uma correlação entre mudanças magnéticas terrestres e mudanças nos campos gravitacionais induzidas por modificações dentro do núcleo da Terra em uma área que vai do Alasca ao Oceano Índico , o relatório de causa e efeito ainda a ser provado e o modelo teórico a ser construído.