La Terra è una calamita? Guida al magnetismo terrestre

Quando si parla di magnetismo vengono in mente solitamente due cose: le calamite che attacchiamo al frigorifero e le bussole per la caccia al tesoro. Per quanto questi siano sicuramente usi importanti, la questione è ben più complessa: si tratta infatti di un importantissimo fenomeno fisico naturale che permette al nostro pianeta di comportarsi come un'enorme calamita! E sapevate che, periodicamente, il polo nord si sposta al polo sud e viceversa?

Il magnetismo in fisica

Prima di addentrarci nel magnetismo del nostro pianeta è doveroso fare un brevissimo ripasso di quale sia il suo significato fisico. Cercheremo di essere più brevi e sintetici possibile, promesso.

Partiamo col dire che il magnetismo è un fenomeno per cui un corpo (chiamato magnete) è in grado di attirare a sé metalli come ferro e nichel. Il magnetismo non interessa tutto il magnete ma solamente quelli che vengono definiti “poli”, ovvero le due estremità opposte. A uno di questi poli verrà attribuita a una carica negativa (chiamata Sud), mentre all’altro una carica positiva (chiamata Nord).
É importante tenere a mente che poli opposti si attraggono e poli uguali si respingono. Non a caso esiste il detto “gli opposti si attraggono”!

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Il mantello terrestre contiene l’acqua di tutti gli oceani in un minerale blu, la ringwoodite

La scoperta del magnetismo terrestre

La razza umana è sempre stata affascinata dai minerali magnetici come, ad esempio, la magnetite. Non abbiamo dati per poter dire con esattezza quando sia stato scoperto il magnetismo terrestre, ma sicuramente i greci già lo conoscevano nell’800 a.C. L’uso storicamente più interessante di questo tipo di fenomeno fisico è legato alla creazione di bussole che, per secoli, hanno aiutato esploratori e condottieri a raggiungere le destinazioni desiderate.

Uno dei principali passi avanti nella comprensione del magnetismo terrestre è stato fatto nel 1600 da William Gilbert, fisico e scienziato che per primo comprese la diversa natura di magnetismo ed elettricità. Ma non solo: fu il primo a capire che il nostro pianeta si comporta come una grande calamita, attirando l’ago delle nostre bussole verso il Nord magnetico. Questa scoperta, per quanto basata solo su osservazioni e non su dati numerici, anticipò di quasi un secolo quelle di Newton. Nei secoli successivi si svilupparono gradualmente formule ed equazioni capaci di spiegare questo fenomeno, come i lavori di Coulomb, Gauss, Lorentz e Maxwell. Grazie a questi e molti altri fisici, oggi abbiamo una visione molto più completa (ma non certa) di come il nostro pianeta sia in grado di generare autonomamente un campo magnetico.

Poli e campi magnetici

Il nostro pianeta può essere considerato come un dipolo magnetico; in altri termini è come se sotto i nostri piedi ci fosse una calamita gigante. A questo concetto si associa quello di campo magnetico terrestre, ovvero una descrizione fisica di come questo dipolo influenza l'ambiente circostante (nel nostro caso, per “l’ambiente” si intende l’intero pianeta e lo spazio attorno ad esso).

I più attenti avranno notato che nella figura qui sopra il Nord magnetico e geografico non corrispondono. Come mai?
Il polo Nord geografico è legato all’asse di rotazione del nostro pianeta perché si tratta di quel punto sul globo che corrisponde all'intersezione tra l'asse terrestre e la superficie dell'emisfero nord; possiamo considerarlo come un punto che resta fisso nel tempo. Il campo magnetico invece oscilla continuamente e, per questo motivo, il polo Nord magnetico non ha una posizione fissa, ma vari nel tempo. La differenza tra l’asse terrestre e l’asse magnetico è definita declinazione (e si esprime con un angolo). Sembra una cosa complicata ma anche gli antichi navigatori conoscevano la declinazione e, tramite semplici conti, aggiustavano le rotte delle navi tenendo conto di questa variazione.

Inversioni magnetiche

Un altro fenomeno curioso del campo magnetico terrestre è la cosiddetta inversione magnetica. Polo Nord e Sud magnetici possono infatti invertirsi e, nel corso delle ere geologiche, questo fenomeno si è verificato più e più volte. Non essendoci un pattern regolare (cioè uno schema ben definito) nell’inversione, non possiamo sapere quando accadrà di nuovo, anche se sicuramente sarà un processo graduale e non istantaneo. Ma dobbiamo preoccuparci di questo? Ne parliamo in un video che trovate qui sotto.

La formazione del campo magnetico terrestre

Per comprendere questo fenomeno al 100% dobbiamo rispondere ad un’ultima domanda: a cosa è dovuto il magnetismo terrestre?

Come sappiamo, il nostro pianeta è costituito da diversi strati: crosta, mantello, nucleo esterno e nucleo interno. Tutti questi sono allo stato solido, fatta eccezione per il nucleo esterno che è liquido e che, guarda caso, è proprio quello che dà vita al campo magnetico terrestre. Il fuso qui presente è a base di ferro e nichel e a quelle condizioni di pressione e temperatura risulta essere un buon conduttore. Per questo motivo il campo magnetico viene generato dalla Terra sfruttando un meccanismo paragonabile a quello di una dinamo.

Il concetto base di una dinamo è questo: l’energia legata al movimento (la pedalata) viene trasferita a una spirale fatta con un materiale conduttore che, ruotando in un campo magnetico (attorno a lui ci sono in pratica delle calamite), riesce a produrre corrente elettrica. Ecco, nel nucleo avviene un fenomeno simile, solo che anziché generare un campo elettrico (come nella dinamo) si genera un campo magnetico.
Nel nucleo esterno una massa liquida si muove, ed essendo una elettricamente carica, permette la generazione e il mantenimento del campo magnetico. Ovviamente è una super-semplificazione e, ricordiamolo, non abbiamo prove assolutamente certe che questo sia il meccanismo corretto, anche se sicuramente è uno dei modelli ritenuti più probabili.

La magnetosfera

Il campo magnetico, in realtà, si estende ben oltre i confini del nostro pianeta. Esiste una regione di spazio attorno alla Terra che prende il nome di magnetosfera che ha il compito di deviare il vento solare (un flusso di particelle cariche che dal Sole si muove verso gli altri corpi celesti). In particolare, questa magnetosfera si comporta come uno scudo, fermando elettroni e protoni e concentrandoli in due fasce a 3 mila e 16 mila chilometri dal pianeta, le cosiddette fasce di Van Allen: questo permette di mantenere e sviluppare la vita così come la conosciamo. Senza campo magnetico non ci sarebbe lo scudeo della magnetosfera. Ecco perché essenziale per la vita.
"No campo magnetico? No party".
Noi possiamo vedere la magnetosfera? Non direttamente, ma le aurore polari che ammiriamo in prossimità dei circoli polari sono proprio il risultato dell’interazione tra queste particelle solari e il campo magnetico terrestre.

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