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El enigma del Campo Magnetico Terrestre

Evidencias recientes ponen en duda la teoría más difundida sobre el magnetismo terrestre, pero no parecen existir explicaciones alternativas satisfactorias.

No se tiene certeza sobre cómo se produce el campo magnético de la Tierra. Lo podrían generar los desplazamientos de una capa de metal fundido, de 2.100 km de espesor ubicada a 3.000 km de la superficie terrestre.

Para muchos hombres del siglo XVII, la luz, la gravedad y el magnetismo ocupaban un lugar en la jerarquía de las entidades espirituales. La fuerza magnética está animada o imita al alma..., escribió el físico y médico inglés William Gilbert (1544-1603) en su obra De Magnete, publicada en Londres en 1600 y considerada por científicos e historiadores como el primer tratado científico acerca del campo magnético terrestre. Un siglo más tarde, en 1701, el físico y astrónomo Edmund Halley (1656-1742), también inglés, amigo de Newton -al punto que financió la impresión del Principia, la obra de este- y más conocido por haber descubierto, en 1682, el cometa que lleva su nombre, publicó la primera carta de declinaciones magnéticas, que había preparado realizando trabajosas y pacientes mediciones en las aguas del Atlántico.

En el siglo XIX, otro inglés, el químico y físico Michael Faraday (1791-1867), ya lejos de la "filosofía magnética" de Gilbert, elaboró la difícil noción de campo y empleó, por primera vez, el término campo magnético. Se crearon, entonces, los primeros observatorios y se acordó un programa precursor de cooperación internacional para estudiar los fenómenos geomagnéticos, iniciativa que, en gran parte, pudo llevarse a cabo porque, en 1838, Karl Friedrich Gauss (1777-1855), matemático, astrónomo y físico alemán, encontró una representación matemática aproximada del campo magnético terrestre. Esta tomó la forma de una suma de términos, conocidos con el bello nombre de esféricos armónicos, de los cuales el primero es dominante y describe el campo que generarían dos polos magnéticos ubicados en el centro de la Tierra (Fig.1).

Desde entonces, la información recogida de diversas fuentes acerca del campo geomagnético ha aumentado en forma vertiginosa. Por una parte, están las estaciones terrestres que registran lo que los geofisicos llaman variaciones seculares, fluctuaciones del campo geomagnético en períodos que abarcan desde décadas hasta miles de años. Por otra parte, la disciplina conocida como paleomagnetismo estudia las variaciones sufridas por ese campo a lo largo del tiempo geológico; lo hace analizando partículas de hierro imantadas por el magnetismo terrestre en objetos que van desde cerámicas romanas hasta variados estratos de lavas volcánicas. Por úftimo, gran parte de los trabajos actuales giran alrededor de la interpretación de datos provistos por el satélite Magsat, lanzado al espacio en 1980. Una de las conclusiones más desconcertantes que se sacaron de este conjunto de observaciones es que el campo magnético dipolar de la Tierra sufre inversiones de polaridad, que tienen lugar en períodos que deben medirse en la escala temporal geológica, es decir en millones de años, y se producen aparentemente al azar.

En grandes trazos, la Tierra podría describirse a los efectos de esta nota como una esfera compuesta por tres capas concéntricas, a saber:

· el núcleo interior, sólido, constituido por una esfera central de 1200km de radio;

· el núcleo exterior, de metal fundido, la capa intermedia que ocupa la zona entre los 1200km y los 3300km desde el centro de la Tierra, y

· el manto, la capa exterior que, a su vez, tiene tres zonas (de adentro hacia afuera: la inferior, la superior y la litosfera), y ocupa la porción exterior de la esfera terrestre, desde los 3300km a los 6300km desde el centro del planeta.

La respuesta a la pregunta acerca de cómo se produce el campo geomagnético debe buscarse en el núcleo exterior. El análisis de ondas sísmicas indica que se trata de una zona de hierro liquido, con un poco de níquel y algunos elementos livianos. El fluido estaría sometido a presiones del orden del millón de atmósferas y a temperaturas semejantes a las de la superficie del Sol (unos 58000C). El campo magnético terrestre parece deberse al desplazamiento de este mar de hierro sobre el núcleo interior sólido. Imaginar cómo circula ese fluido y establecer la relación de sus movimientos con los valores del campo geomagnético que se miden y, sobre todo, con su carácter dipolar responderían a la pregunta formulada, que encierra un enigma no resuelto.

Para precisar el marco dentro del cual se tejen las especulaciones de los geomagnetistas conviene mencionar primero, los principios físicos básicos de generación de un campo magnético y, segundo, el mecanismo propuesto para el caso particular de la Tierra. De las leyes del electromagnetismo, formuladas alrededor de 1860 por el físico y matemático británico James Clerk Maxwell (1831-1879), se desprenden dos caminos posibles de producción de un campo magnético:

· variaciones temporales de un campo eléctrico, y

· circulación de una corriente eléctrica: si circula corriente por una bobina cilíndrica, la configuración del campo magnético resultante se parecerá a la producida por un di polo. Este fenómeno es simétrico: si un material conductor de la electricidad (un metal, por ejemplo) se mueve en un campo magnético, se inducirá una corriente eléctrica.

El primer camino no sería aplicable al campo magnético terrestre porque, en la escala temporal relevante, la magnitud del fenómeno resulta despreciable. Habría, pues, que buscar la respuesta por el segundo camino y su efecto simétrico. Con tal enfoque, W. Elsasser sugirió en 1945 que el núcleo metálico fluido podría comportarse como una dínamo autoexcitada, mecanismo cuya teoría había sido elaborada en 1919 por el matemático y físico británico Joseph Larmor (1857-1942).

El esquema de la dínamo se representa en la figura 2, que muestra un disco y su eje concéntrico, ambos conductores, girando a velocidad v en un campo magnético externo (Bo). Este inducirá una corriente radial J sobre el disco y, como el circuito ha sido cerrado por medio de un conductor dispuesto en forma de espira (una vuelta de una espiral), dicha corriente circulará y generará un campo magnético adicional (Bi). Si en lugar de con una espira cerrásemos el circuito con muchas de ellas, es decir con una bobina cilíndrica en espiral, el campo magnético inducido por el paso de la corriente J reforzará el campo magnético externo en la región que ocupa el disco y, en general, se parecerá al campo de un dipolo. La intensidad del campo inducido (Bi) dependerá de la velocidad de rotación del disco: en ciertos casos, podría alcanzar magnitudes que hagan despreciable el campo externo (Bo).

Trasponer este esquema simplificado al caso del núcleo terrestre, donde no hay cables ni discos circulares, es complejo. Se habla de tornados convectivos producidos en el núcleo exterior esto es, de columnas de fluido sujetas a un movimiento en espiral generado por las altas temperaturas y por la rotación terrestre. Cuando estos flujos interaccionan con el campo geomagnético se establece una corriente que, a su vez, genera otro campo que refuerza al primitivo. Ello durará mientras persista la liberación de energía térmica y la rotación terrestre.
La inversión del dipolo terrestre se ha explicado mediante mecanismos de dínamos acopladas. Las ecuaciones matemáticas respectivas predicen que se trata de un fenómeno complejo, el cual incluye inversiones de polaridad espontáneas y aparentemente, azarosas.

La Tierra se halla inmersa en el campo magnético del Sol, y el sistema solar a su vez, en el galáctico. Hasta hace unos años -hablárase de planetas, estrellas o galaxias-, había acuerdo, por lo menos, acerca de dos cuestiones: los campos magnéticos son producidos por partículas cargadas o corrientes eléctricas que rotan, y el proceso de generación aceptado era el de la dínamo. Sin embargo, en el ínterin, algunos teóricos han comenzado a mostrar evidencias relacionadas con el Sol, la vía láctea y, por extensión, las estrellas y las galaxias en general, acerca de que el mecanismo usual de la dínamo falla.

Si bien, para el caso del Sol, la dinamo explica el ciclo de veintidós años de las manchas solares, requiere que cerca de los polos haya una rotación rápida en las capas profundas, pero datos sismológicos obtenidos a fines de la década pasada revelaron que tiene lugar una rotación lenta. R. Kulsrud, de la universidad de Princeton, calculó que un proceso de tipo dinamo tardaría 1026 años en crear el campo magnético actual de la vía láctea, pero se estima que la galaxia tiene una edad aproximada de 1010 años.

Los astrofísicos se estarían quedando, pues, sin la herramienta conceptual que aclare cómo estrellas y galaxias adquirieron sus campos magnéticos. La única explicación alternativa considerada en este momento es que tales campos magnéticos daten de una etapa temprana del universo. Sin embargo, si bien la teoría de la dínamo no puede ser usada de manera confiable con propósitos predictivos, según D. Gubbins, de la universidad de Leeds, parece no haber obstáculos conceptuales decisivos que impidan utilizarla para explicar la permanencia y la dinámica del campo magnético terrestre. En este sentido, la mayor esperanza está en el estudio de registros sedimentarios, pues representan la única fuente con buena cobertura geográfica y un registro temporal continuo.

Diego Hurtado de Mendoza

Diego Hurtado de Mendoza

Laboratorio de Geofísica, UBA-CONICET
Ciencia Hoy
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