Campo magnético terrestre
Campo magnético terrestre, também conhecido como campo geomagnético, é o campo magnético que se estende do interior da Terra para o espaço, onde interage com o vento solar, um fluxo de partículas carregadas que emanam do Sol. O campo magnético é gerado por correntes elétricas devido ao movimento das correntes de convecção de uma mistura de ferro e níquel fundidos no núcleo externo da Terra: essas correntes de convecção são causadas pelo calor que sai do núcleo, um processo natural chamado geodinamismo.
O campo magnético da Terra serve para desviar a maior parte do vento solar, cujas partículas carregadas arrancariam a camada de ozônio que protege a Terra da radiação ultravioleta prejudicial. Um mecanismo de decapagem faz com que o gás seja capturado em bolhas de campo magnético, que são arrancadas pelos ventos solares. Cálculos da perda de dióxido de carbono da atmosfera de Marte, resultante da eliminação de íons pelo vento solar, indicam que a dissipação do campo magnético marciano causou uma perda quase total de sua atmosfera. O estudo do campo magnético passado da Terra é conhecido como paleomagnetismo. A polaridade do campo magnético da Terra é registrada em rochas ígneas e, portanto, as reversões do campo são detectáveis como "listras" centradas nas dorsais oceânicas onde o fundo do mar está se espalhando, enquanto a estabilidade dos polos geomagnéticos entre as inversões permitiu aos paleomagnetistas rastrear o movimento passado dos continentes. As reversões também fornecem a base para a magnetostratigrafia, uma maneira de datar rochas e sedimentos. O campo também magnetiza a crosta, e anomalias magnéticas podem ser usadas para procurar depósitos de minérios metálicos.
Em qualquer local, o campo magnético da Terra pode ser representado por um vetor tridimensional. Um procedimento típico para medir sua direção é usar uma bússola para determinar a direção do norte magnético. Seu ângulo em relação ao norte verdadeiro é a declinação (D) ou variação. Diante do norte magnético, o ângulo que o campo faz com a horizontal é a inclinação (I) ou mergulho magnético. A intensidade (F) do campo é proporcional à força que exerce sobre um ímã. Outra representação comum está nas coordenadas X (norte), Y (leste) e Z (abaixo).
Declinação
A declinação é positiva para um desvio para leste do campo em relação ao norte verdadeiro. Pode ser estimada comparando a direção norte/sul magnética em uma bússola com a direção de um polo celeste.
Intensidade
A intensidade do campo é frequentemente medida em gauss (G), mas geralmente é relatada em nanoteslas (nT), com 1 G = 100 000 nT. Um nanotesla também é chamada de gama (γ) O tesla é a unidade SI do campo magnético; o campo da Terra varia entre aproximadamente 25 000 e 65 000 nT (0,25-0,65 G) Em comparação, um imã de geladeira forte possui um campo de cerca de 10 000 000 nanoteslas (100 G). Um mapa de contornos de intensidade é chamado de gráfico isodinâmico. Como mostra o Modelo Magnético Mundial, a intensidade tende a diminuir dos polos para o equador. Uma intensidade mínima ocorre na Anomalia do Atlântico Sul na América do Sul, enquanto existem máximos no norte do Canadá, na Sibéria e na costa da Antártica, ao sul da Austrália.
Inclinação
A inclinação é dada por um ângulo que pode assumir valores entre -90° (acima) e 90° (abaixo). No hemisfério norte, o campo aponta para baixo. Isto está logo abaixo do Polo Norte Magnético e gira para cima à medida que a latitude diminui até ficar na horizontal (0°) no equador magnético. Ele continua a girar para cima até chegar ao Polo Magnético Sul. A inclinação pode ser medida com um círculo de imersão.
Variação geográfica
Componentes do campo magnético da Terra na superfície do Modelo Magnético Mundial para 2015.
Aproximação dipolar
Perto da superfície da Terra, o campo magnético funciona como um dipolo magnético posicionado no centro do planeta e inclinado em um ângulo de cerca de 11° em relação ao eixo rotacional dele. O dipolo é equivalente a um poderoso ímã, com seu polo sul apontando para o Polo Norte geomagnético. Como o polo norte de um ímã atrai os polos sul de outros ímãs e repele os polos norte, ele deve ser atraído pelo polo sul do ímã da Terra. O campo dipolar é responsável por 80-90% do campo na maioria dos locais.
Polos magnéticos
Historicamente, os polos norte e sul de um ímã foram definidos pela primeira vez pelo campo magnético da Terra, e não vice-versa, uma vez que um dos primeiros usos de um ímã foi como uma agulha de bússola. O polo norte de um ímã é atraído pelo polo magnético norte da Terra quando o ímã é suspenso e pode girar livremente. Como polos opostos se atraem, o Polo Magnético Norte da Terra é, na verdade, o polo sul do seu campo magnético (o local onde o campo é direcionado para baixo na Terra). As posições dos polos magnéticos podem ser definidas de pelo menos duas maneiras: local ou globalmente. A definição local é o ponto em que o campo magnético é vertical. Isto pode ser determinado medindo a inclinação do campo da Terra, que é de 90° (para baixo) no Polo Magnético Norte e de -90° (para cima) no Polo Magnético Sul. Os dois polos vagam independentemente um do outro e não estão diretamente opostos um ao outro no globo. Movimentos de até 40 quilômetros por ano foram observados no Polo Magnético Norte, que está migrando para noroeste nos últimos 180 anos, de Cape Adelaide, na Península de Boothia, em 1831, para Resolute Bay em 2001, a 600 quilômetros.
O campo magnético da Terra, predominantemente dipolar em sua superfície, sendo distorcido ainda mais pelo vento solar, é um fluxo de partículas carregadas que saem da coroa solar e aceleram a uma velocidade de 200 a 1 000 quilômetros por segundo. Eles carregam consigo um campo magnético, o campo magnético interplanetário (FMI). O vento solar exerce uma pressão e, se pudesse alcançar a atmosfera da Terra, iria desgastá-la. No entanto, é mantido afastado pela pressão do campo magnético da Terra. A magnetopausa, a área onde as pressões se equilibram, é o limite da magnetosfera. Apesar do nome, a magnetosfera é assimétrica, com o lado solar saindo a cerca de 10 raios terrestres, enquanto o outro lado se alonga em uma cauda magnetosférica que se estende para além de 200 raios terrestres. Na direção solar da magnetopausa está o choque em arco, a área onde o vento solar diminui abruptamente. Dentro da magnetosfera está a plasmasfera, uma região em forma de anel contendo partículas carregadas de baixa energia, ou plasma. Esta região começa na altura de 60 km, estende-se até a 3 ou 4 raios terrestres e inclui a ionosfera. Esta região gira com a Terra. Existem também duas regiões concêntricas em forma de pneu, chamadas de cinturões de Van Allen, com íons de alta energia (energias de 0,1 a 10 milhões de elétron-volts (MeV)). A parte interna vai de 1–2 raios terrestres, enquanto a parte externa está a 4-7 raios terrestres. A plasmasfera e os cinturões de Van Allen têm uma sobreposição parcial, mas isto varia muito com a atividade solar.
Variações de curto prazo
O campo geomagnético muda em escalas de tempo de milissegundos a milhões de anos. As escalas de tempo mais curtas surgem principalmente de correntes na ionosfera (região do dínamo ionosférico) e na magnetosfera, e algumas mudanças podem ser atribuídas a tempestades geomagnéticas ou variações diárias de correntes. As mudanças em escalas de um ano ou mais refletem principalmente mudanças no interior da Terra, particularmente o núcleo rico em ferro. Frequentemente, a magnetosfera da Terra é atingida por erupções solares, que causam tempestades geomagnéticas e provocam as auroras. A instabilidade de curto prazo do campo magnético é medida com o índice K.
Variação secular
Mudanças no campo magnético da Terra em uma escala de tempo de um ano ou mais são chamadas de variação secular. Ao longo de centenas de anos, a declinação magnética é observada a variar em dezenas de graus. A animação mostra como as declinações globais mudaram nos últimos séculos. A direção e a intensidade do dipolo mudam com o tempo. Nos últimos dois séculos, a força dipolar diminuiu a uma taxa de cerca de 6,3% por século. Nesse ritmo de queda, o campo magnético se tornaria insignificante em cerca de 1600 anos. No entanto, essa força é aproximadamente a média dos últimos 7 mil anos e a atual taxa de mudança não é incomum. Uma característica proeminente na parte não dipolar da variação secular é uma deriva para o oeste a uma taxa de cerca de 0,2 grau por ano. Essa deriva não é a mesma em todos os lugares e variou ao longo do tempo. A deriva global média tem sido para o oeste desde cerca de 1400 DC, mas para leste entre cerca de 1000 DC e 1400 DC.
Reversões de campo magnético
Embora geralmente o campo magnético terrestre seja aproximadamente dipolar, com um eixo quase alinhado com o eixo rotacional, ocasionalmente os polos geomagnéticos norte e sul trocam de lugar. Evidências para essas reversões geomagnéticas podem ser encontradas em basaltos, núcleos de sedimentos retirados do fundo do oceano e anomalias magnéticas no fundo do mar. As reversões ocorrem quase aleatoriamente no tempo, com intervalos entre reversões que variam de menos de 0,1 milhão de anos a até 50 milhões de anos. A mais recente reversão geomagnética, chamada de Brunhes-Matuyama, ocorreu cerca de 780 mil anos atrás. Um fenômeno relacionado, uma excursão geomagnética, equivale a uma reversão incompleta, sem alteração na polaridade.
Primeira aparência
Estudos paleomagnéticos de lava paleoarqueana na Austrália e de conglomerados na África do Sul concluíram que o campo magnético está presente desde pelo menos 3,45 bilhões de anos atrás.
Futuro
Atualmente, o campo geomagnético geral está se tornando mais fraco; a forte deterioração atual corresponde a um declínio de 10 a 15% nos últimos 150 anos e se acelerou nos últimos anos; a intensidade geomagnética diminuiu quase continuamente de um máximo de 35% acima do valor moderno, alcançado aproximadamente 2 000 anos atrás. No entanto, a taxa de diminuição e a força atual estão dentro da faixa normal de variação, como mostra o registro de campos magnéticos passados registrados em rochas. O polo norte magnético da Terra está flutuando do norte do Canadá para a Sibéria com uma taxa atualmente acelerada - 10 quilômetros por ano, no início do século XX, até 40 quilômetros por ano em 2003 e, desde então, apenas acelerou. Segundo um estudo desenvolvido pela Universidade de Leeds, o norte magnético deve continuar avançando em direção à Rússia. De acordo com esta pesquisa, o deslocamento tem alcançado valores entre 50 e 60 km por ano.
O núcleo da Terra e o geodinamo
A Terra e a maioria dos planetas do Sistema Solar, assim como o Sol e outras estrelas, geram campos magnéticos através do movimento de fluidos eletricamente condutores. O campo da Terra se origina em seu núcleo. Esta é uma região de ligas de ferro que se estende a cerca de 3 400 km (o raio da Terra é 6370 km). É dividido em um núcleo interno sólido, com um raio de 1 220 km, e um núcleo externo líquido. O movimento do líquido no núcleo externo é impulsionado pelo fluxo de calor do núcleo interno, que é de cerca de 6 000 K (ou 5 730 ºC), até a fronteira núcleo-manto, que é de cerca de 3 800 K (ou 3 530 ºC). O calor é gerado pela energia potencial liberada pelos materiais mais pesados que afundam em direção ao núcleo (diferenciação planetária), bem como pelo decaimento dos elementos radioativos no interior. O padrão de fluxo é organizado pela rotação da Terra e pela presença do núcleo interno sólido do planeta.
Modelos numéricos
Simular o geodínamo 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 potência do computador. Durante décadas, os teóricos limitaram-se a criar modelos de computador com dínamo cinemático nos quais o movimento do fluido é escolhido com antecedência e o efeito no campo magnético calculado. A teoria do dínamo cinemático era principalmente uma questão de tentar diferentes geometrias de fluxo e testar se tais geometrias poderiam sustentar um dínamo.
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 2 000), com variações ao longo de alguns segundos, tipicamente em torno de 1 nT (uma parte em 50 000).
Detecção
A força do campo magnético da Terra foi medida por Carl Friedrich Gauss em 1832 e tem sido repetidamente medida desde então, mostrando um declínio relativo de cerca de 10% nos últimos 150 anos. O satélite Magsat e satélites posteriores usaram magnetômetros vetoriais de 3 eixos para sondar a estrutura 3D do campo magnético da Terra. O último satélite de Ørsted permitiu uma comparação indicando um geodínamo dinâmico em ação que parece estar dando origem a um polo alternado sob o Oceano Atlântico, a oeste da África do Sul. Os magnetômetros detectam pequenos desvios no campo magnético da Terra causados por artefatos de ferro, fornos, alguns tipos de estruturas de pedra e até valas e sambaquis na geofísica arqueológica. Usando instrumentos magnéticos adaptados a partir de detectores de anomalia magnética aerotransportados, desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial para detectar submarinos, as variações magnéticas no fundo do oceano foram mapeadas. O basalto - uma rocha vulcânica rica em ferro que compõe o fundo do oceano - contém um mineral fortemente magnético (magnetita) e pode distorcer localmente as leituras de bússolas. A distorção foi reconhecida pelos navegadores islandeses no final do século XVIII. Mais importante, como a presença de magnetita fornece propriedades magnéticas mensuráveis ao basalto, essas variações magnéticas forneceram outro meio de estudar o fundo do oceano. Quando a rocha recém-formada esfria, esses materiais magnéticos registram o campo magnético da Terra.
Modelos estatísticos
A maneira mais comum de analisar as variações globais no campo magnético da Terra é ajustar as medidas a um conjunto de harmônicos esféricos. Isto foi feito pela primeira vez por Carl Friedrich Gauss. Harmônicos esféricos são funções que oscilam sobre a superfície de uma esfera. Eles são o produto de duas funções, uma que depende da latitude e outra da longitude. A função da longitude é zero ao longo de zero ou mais círculos passando pelos polos norte e sul; o número de tais linhas nodais é o valor absoluto da ordem m. A função da latitude é zero ao longo de zero ou mais círculos de latitude; isto mais a ordem é igual ao grau ℓ. Cada harmônico é equivalente a um arranjo específico de cargas magnéticas no centro da Terra. Um monopolo é uma carga magnética isolada, que nunca foi observada. Um dipolo é equivalente a duas cargas opostas reunidas e um quadripolo para dois dipolos reunidos. Um campo quadripolar é mostrado na figura inferior à direita.
Marés
O campo magnético da Terra é constituído a partir de muitas fontes contribuintes, desde o núcleo do planeta até a magnetosfera no espaço. Desembaraçar e identificar as diferentes fontes permite que os cientistas geomagnéticos coletem informações sobre os processos individuais que se combinam para criar o campo completo. Um contribuinte é o oceano. Mas como as marés afetam o campo magnético da Terra? A água do mar é um condutor elétrico e, portanto, interage com o campo magnético. À medida que as marés giram em torno das bacias oceânicas, a água do oceano tenta essencialmente puxar as linhas do campo geomagnético. Como a água salgada é um bom, mas não um ótimo condutor, a interação é relativamente fraca. O componente mais forte vem da maré lunar regular (M2), que ocorre cerca de duas vezes por dia (na verdade, 12,42 horas). Outras contribuições vêm de ondas, redemoinhos e até tsunamis.
Biomagnetismo
Animais, incluindo pássaros e tartarugas, podem detectar o campo magnético da Terra e usá-lo para navegar durante a migração. Alguns pesquisadores descobriram que vacas e veados selvagens tendem a alinhar seus corpos na direção norte-sul enquanto relaxam, mas não quando estão sob linhas de alta tensão, sugerindo que o magnetismo é responsável. Outros pesquisadores relataram em 2011 que não podiam replicar essas descobertas usando diferentes imagens do Google Earth. Os pesquisadores descobriram que campos eletromagnéticos muito fracos perturbam a bússola magnética usada por piscos-de-peito-ruivo e outros pássaros canoros para navegar usando o campo magnético da Terra. Nem as linhas de energia nem os sinais dos celulares são os responsáveis pelo efeito do campo eletromagnético nos pássaros; em vez disso, os culpados têm frequências entre 2 kHz e 5 MHz. Isto inclui sinais de rádio AM e equipamentos eletrônicos comuns que podem ser encontrados em empresas ou residências particulares.
