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El campo magnético de la
Tierra
Introducción
• Campo geomagnético es generado en el núcleo de la Tierra
Las temperaturas> 3000 K;
por encima de punto de Curie (Tc (Fe) = 1043 K, Tc (Ni) = 627 K)
El campo magnético es generado por la corriente eléctrica
Corriente eléctrica no sostenida se disipan en 20.000 años
Registros paleomagnéticos (antiguo campo registrado en los
sedimentos y lavas)
Campo magnético de la Tierra existe hace millones de años
Mecanismo que regenera las corrientes
eléctricas (dínamo autoexcitado)
La inversión de la polaridad
Tierra perderá el escudo magnético de partículas de alta energía
El campo geomagnético medido en cualquier punto sobre la superficie terrestre es una combinación de varios campos magnéticos generados por distintas fuentes. Estos campos se superponen e interactúan entre sí. Más del 90% del campo medido es de origen INTERNO, es decir, se origina en el núcleo externo de la Tierra. El campo magnético observado en la Tierra cambia constantemente.
GeoMagnetismo
Esta porción del campo geomagnético se denomina Campo Principal, que varía lentamente en el tiempo y se puede describir por Modelos Matemáticos como el Campo de Referencia Geomagnético Internacional o International Geomagnetic Reference Field (IGRF) y el Modelo Magnético Mundial o World Magnetic Model (WMM).
Otras fuentes importantes son los campos que provienen de corrientes eléctricas que fluyen en la atmósfera superior ionizada y los campos inducidos por corrientes que fluyen dentro de la corteza terrestre.
Por lo tanto, el campo magnético de la Tierra varía en el espacio y en el tiempo. Al igual que las coordenadas geográficas existen coordenadas magnéticas: Ecuador magnético, Primer vertical magnética, Meridiano magnético, Polos norte y sur magnéticos norte y sur magnéticos.
La magnetosfera forma una cola como un cometa en respuesta a la presión dinámica del viento solar. Se comprime del lado hacia el Sol a unos 10 radios terrestres Rt (1 Rt = 6.378 km) y se extiende como una cola del lado opuesto al Sol o nocturno a más de 100 Rt. La magnetosfera desvía el flujo de la mayor parte de las partículas del viento solar alrededor de la Tierra, mientras que las líneas del campo geomagnético guían el movimiento de las partículas cargadas dentro de la magnetosfera.
El eje magnético está inclinado unos 11,5º respecto del geográfico, y el dipolo o imán magnético realmente no está centrado sino desplazado respecto del eje geográfico. Pero a diferencia de las coordenadas geográficas que son fijas, las magnéticas se mueven constantemente en espacio y tiempo. Los que estudian paleomagnetismo trazan el camino del polo magnético aparente a través del tiempo.
COMPONENTES DEL CAMPO MAGNETICO
La componente del Campo Principal es modelada por el IGRF y el WMM.
La componente del Campo Principal es modelada por el IGRF y el WMM.
La componente del Campo Principal es modelada por el IGRF y el WMM.
La componente del Campo Principal es modelada por el IGRF y el WMM.
La intensidad del campo magnético terrestre es de carácter vectorial y sabemos que su proyección horizontal señala, aunque no exactamente, al norte geográfico.
La componente del Campo Principal varía lentamente en el tiempo y se puede describir groseramente como el campo producido por una barra imán con polos norte y sur centrado en el núcleo terrestre, y las líneas del campo magnético se extienden fuera en el espacio. La componente del Campo Principal es modelada por el IGRF y el WMM.
Para estudiar las componentes de la intensidad del campo magnético terrestre se toma como sistema de referencia, en un punto de la superficie de la Tierra, un sistema cartesiano de coordenadas XYZ en la dirección norte, este, nadir, o sistema geográfico, en el que el norte es el norte geográfico, o proyección sobre el plano horizontal de la dirección del eje de rotación de la Tierra.
El campo magnético terrestre, se puede aproximar en un 90%, a un dipolo situado en su centro, inclinado 11.5° con respecto a la dirección del eje de rotación. El polo negativo de este dipolo está en la dirección del polo norte magnético y se le llama polo geomagnético.
La componente horizontal de la intensidad del campo magnético es H, la cual señala al norte magnético y tiene una desviación "D", con respecto al norte geográfico, a esta desviación se le conoce como declinación magnética. El ángulo formado por la intensidad del campo magnético y la horizontal, es la inclinación magnética y se representa con la letra "I".
El fenómeno de precesión lunisolar, de 50'',3 por año, fué descubierto por Hiparco (año 125 a. de C.) y explicado por primera vez por Newton. Está producido por la acción gravitatoria del Sol y de la Luna que, como consecuencia de la forma geoidal, achatada, del planeta y de la inclinación de su eje, tiende a producir una basculación del círculo ecuatorial de modo que pase por el centro de cada uno de los astros perturbadores. La mayor influencia la ejerce la Luna, a causa de su proximidad, aún cuando su masa es mucho menor que la del Sol.
El cono de precesión La precesión planetaria se suma a la precesión lunisolar. Es ésta una perturbación mucho menor, de 0'',12 por año, originada por la acción gravitacional de los restantes planetas del sistema.
Para estudiar las componentes de la intensidad del campo magnético terrestre se toma como sistema de referencia, en un punto de la superficie de la Tierra, un sistema cartesiano de coordenadas XYZ en la dirección norte, este, nadir, o sistema geográfico, en el que el norte es el norte geográfico, o proyección sobre el plano horizontal de la dirección del eje de rotación de la Tierra.
Modelo de un dipolo magnético
Componentes del campo geomagnético
Unidades de la
intensidad magnética
1Gauss = 1O oersted =
105 gamma = 105 nT (T = Tesla)
1gamma = 10-9T = 1nT
Es el ángulo agudo entre la dirección de la componente horizontal del campo magnético terrestre y el meridiano geográfico o geodésico.
El meridiano magnético forma en cada punto un ángulo con el meridiano geográfico llamado declinación; basta conocerlo para obtener, empleando una brújula, la orientación de un mapa.
Declinación magnética
El campo magnético
terrestre posee una
orientación ligeramente
oblicua. La Declinación
es la diferencia entre el
norte magnético y el
norte geográfico un
valor que varía de un
sitio a otro
Por convención, la declinación se considera positiva cuando se mide hacia el este, la inclinación e intensidad vertical son positivas hacia abajo (hacia dentro de la Tierra), X es positiva hacia el norte e Y positiva hacia el este.
La declinación es occidental o al oeste ( W )cuando el polo N de la aguja se sitúa al oeste o izquierda del meridiano geográfico; en caso contrario es oriental o al este ( E ). La declinación magnética experimenta variaciones periódicas y accidentales; las primeras pueden ser diarias, anuales y seculares.
El campo magnético terrestre se atribuye principalmente, a corrientes eléctricas en el interior del núcleo metálico líquido. Recibe pequeñas contribuciones de las corrientes de la ionosfera en la alta atmósfera y de las corrientes de los cinturones de Van Allen de carga circulando muy fuera en el espacio.
La mayor parte de las tormentas magnéticas originadas en gigantescos torbellinos de gases ionizados en el Sol, las manchas solares. Los rayos cósmicos, son partículas cargadas son desviados por el campo magnético terrestre, con importante efecto en su distribución sobre la superficie. Los estudios de rocas magnéticas indican que este campo ha invertido súbitamente su dirección muchas veces en el pasado, fenómeno de no verosímil explicación en el presente.
La variación secular de la declinación magnética es un ciclo de 960 años equivalente a la rotación del Polo magnético terrestre en torno al Polo Norte geográfico durante el cual se observa una
variación uniforme de la declinación magnética. Se define ángulo de inclinación al formado por la aguja magnética con la horizontal.
Cartas magnéticas: Son mapas en los que se unen los puntos de la misma declinación magnética por medio de líneas llamadas isogónicas; las líneas de declinación cero se llaman agónicas. Las líneas que unen puntos de la misma inclinación se llaman isoclínicas; la línea de inclinación cero es el Ecuador Magnético.
William Gilbert 1600 A.D. : El campo magnetico terrestre es un dipolo
Medidas tempranas del Campo magnético terrestre
Compass del 200 BC Dinastia HAn
San Francisco (1750-2000)
El campo magnetico cambia a traves del tiempo
Elementos magneticos
H X2 Y 2
F H 2 Z2 X2 Y 2 Z2
H FcosI
tanI Z
H
X H cosD
Y H sinD
Representación del campo magnetico interno: Armonicos esfericos
P l
m 2m,0
lm !l m !
12
Pl
m
V r, , aa
r
l1
glm cosm hlm sinm P l
mcos
m0
l
l1
glm, hlm, are Gauss coefficients (unit = nT)
Plm are associated Legendre polynomials
First few coefficients for IGRF 2005
Z Br V
r
X B 1
r
V
Y B 1
r sin
V
16
IGRF Producido por la International Association of
Geomagnetism and Aeronomy (IAGA)
Los coeficientes definitivos de Gauss son actualizados
cada 5 años, incluyendo la tendencia linear entre epocas
Internal field changes through time.
Last epoch was 2005.
Gauss coefficients are given up to degree/order 13 for
año 2000+ (solo encima de 10 para epocas antiguas).
Satellite missions produce better data.
Core field at surface is long wavelength.
17
IGRF Observaciones
Observatorios magneticos
www.intermagnet.org
misiones satelitales
Oersted
Campo magnetico en la superficie para el año 2005 Componente radial (-Z) del modelo CHAOS model (contornos en nT)
Campo magnetico en la superficie para el año 2005 Intensidad total (F) del modelo CHAOS model (contornos en nT)
Campo magnetico en la superficie para el año 2005 Inclinación (I) del modelo CHAOS model (contornos en nT)
Campo magnetico en la superficie para el año 2005 Declinación (D) del modelo CHAOS model (contornos en nT)
Componente Dipolar del campo
V a3
r2g10P 1
0 (g11cos h11sin )P 11
V a3
r2g10 cos (g11cos h11sin )sin
V a3
r2
z
rg10
x
rg11
y
rh11
V o
4
m ̂r
r2o
4
1
r2
x
rmx
y
rmy
z
rmz
m4
o
a3 (g10)2 (g11)2 (h11)
2 7.8401022 Am2
l =1, m =0 l =1, m =1
23
Componente Dipolar del campo
Decaimiento el Dipolo
Korte & Constable, EPSL (2005)
Dipole is decaying by 5 - 6% per century!!
OMG!!! We’re dooooomed!!!!
7.8
8.0
8.2
8.4
8.6
1840 1880 1920 1960 2000
Year
Dip
ole
Mo
men
t (1
02
2 A
m2) IGRF
GUFM
CALS7K.2
slide credit: Jon Mound
24
Longer timescales (CALS7K.2)
Year
Dip
ole
Mo
men
t (1
022 A
m2)
-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000
2
4
6
8
10
12
GUFM
CALS7K.2
Korte & Constable, GJI (2006)
Data from archeological artifacts, lake sediments and
lava flows.
Continuous Archeomagnetic and Lake Sediment
model for the past 7k years, version 2
Recent decay is not unusual. slide credit: Jon Mound
Componente Dipolar del campo
25
Paleomagnetic Perspective (70 Ka)
Valet, Rev. Geophys. (2003)
Current strength above average.
Dip
ole
Mo
men
t (1
02
2 A
m2)
slide credit: Jon Mound
Componente Dipolar del campo
26
Paleomagnetic Perspective (4 Ma)
Valet, Rev. Geophys. (2003)
Lots of scatter and variability.
Dip
ole
Mo
men
t (1
02
2 A
m2)
slide credit: Jon Mound
Componente Dipolar del campo
27
Paleomagnetic Perspective (250 Ma)
Valet, Rev. Geophys. (2003)
Long term average is about half current strength.
Dip
ole
Mo
men
t (1
02
2 A
m2)
slide credit: Jon Mound
Componente Dipolar del campo
Earth’s magnetic field at the surface for 2005: Radial Component (-Z) from CHAOS model (contours in nT)
Magnetic field is almost dipolar at surface: in part because of spatial attenuation
V r, , aa
r
l1
glm cosm hlm sinm P l
mcos
m0
l
l1
Slide credit: Christopher C. Finlay
Componente No Dipolar del campo
V r, , aa
r
l1
glm cosm hlm sinm P l
mcos
m0
l
l1
Campo magnético en la superficie del núcleo para el año 2005:
Componente radial (-Z) a partir del modelo CAOS (contornos en nT)
Earth’s magnetic field: at the surface vs at CMB
Slide credit: Christopher C. Finlay
Componente No Dipolar del campo
Crustal field
Slide credit: Christopher C. Finlay
Campo magnético cortical
satellites
Slide credit: Christopher C. Finlay
El campo magnético en función del tiempo: mediciones de los satélites
Slide credit: Christopher C. Finlay
El campo magnético en función del tiempo: mediciones de los
observatorios
Maritime 1 El campo magnético en función del tiempo: mediciones de los registros
en barcos
halley El campo magnético en función del tiempo: mediciones de los registros
en barcos
Maritime 2
Slide credit: Christopher C. Finlay
El campo magnético en función del tiempo: mediciones de los
registros en barcos
39
Campo magnetico en la superficie
Declination between 1590-1990
40
Vertical component between 1590-1990
Campo magnetico en la superficie
41
Magnetic field at the CMB
Vertical component between 1590-1990
Campo magnetico en el CMB
Observaciones del campo magnetico
North Magnetic Pole could be leaving Canada - March 20, 2002
El campo magnetico depende del tiempo
-over geologic time, the entire geomagnetic field has reversed N-S many times
-excursions occur when the field temporarily weakens but does not reverse
El campo magnético en función del tiempo: inversiones y excursiones
Componente interna del Campo magnetico de la Tierra
G. Glatzmaier and P.H. Roberts, Nature, 1995
Componente externa del campo magnetico terrestre
Credit: Dr J.L. Green, NASA
Corrientes externas y campo magnetico dentro de la magnetosfera
Variaciones diurnas de una corriente tranquila del sol
Atmospheric tides
motions of ions in ionosphere
interaction with B of Earth
Solar quiet current
Diurnal variations of 10-50 nT
Variaciones diurnas de una corriente tranquila del sol
Tormentas magneticas: cambios en B e 100-1000 nT
Tormentas magneticas
Caused by a sudden influx of particles in ring current and auroral electrojet current
Producto de las tormentas magneticas: despliegue de auroras
Pulsaciones Magneticas
Señal de las mareas de la inducción magnética en los océanos (~2 nT)
image credit: Stephan Maus
Gravitational field Magnetic field
Overall field geometry Approximate spherical
symmetry
g varies as 1/r2
80% dipole
B varies as 1/r3
Direction Down, by definition Inclination varies from
+90˚ to –90 ˚
Spatial variations 978,000 mgal at Equator
983,000 mgal at poles
GRS formula simple
and accounts for variation
of g with latitude
25,000 nT at Equator
61,000 nT at high latitude
IGRF is a complex series of spherical
harmonics
Temporal variations with
internal origin
Signal produced by plate
motion and mantle
convection?
Secular variation,
westward drift and
north-south field reversals
Poles moving at ~ 15 km/yr
Temporal variations with
external origin
Tidal signals (< 0.5 mgal) Diurnal Sq variation (50 nT)
Magnetic storms (100-1000nT)
Latitude variation
in Edmonton
~ 1 mgal km-1 ~3 nT km-1
Elevation variation
in Edmonton
~ 0.3 mgal m-1 ~ 0.03 nT m-1
Comparacion de los campos gravitacionales y magneticos
Estructura del campo magnético terrestre
tan (inclinación) = 2 tan (latitud)
CGEO: 21.6°N inc=38.4°
Dipolo perfecto
Intensidad varía con
la latitud:
polo = 2 * ecuador
VADM = momento
virtual de un dipolo
axial: hoy
~8·1022 Am2
Campo magnético terrestre real
(ojo: no a escala!!)
Vista desde lejos
Observaciones: años a siglos
Observatorio Londres Toronto
China
Modelo de la declinación magnética
Por donde andan los polos magnéticos?
Variación secular: ~23,000 años
Cientos de miles a millones de años
Eventos y excursiones Marina’s anomalias
magnéticas
Escala de
polaridad
magnética
Las fuentes del campo magnético terrestre (CMT)
La presencia de fierro y nickel
y las condiciones
p-T en el nucleo externo
líquido ionizado
Gradientes térmicos y
cambios de densidad
Convección
Resultado:
acción de dínamo y
campo magnético
With a year of
computing on
Pittsburgh's
CRAY C90, 2,000
hours of
processing,
Glatzmaier and
collaborator Paul
Roberts of UCLA
took a big step
toward some
answers.
Modelo del geodínamo de Glatzmeier & Roberts (1)
Campo en tiempos normales y entrando a una reversión
Modelo del geodínamo de Glatzmeier & Roberts (2)
En plena reversión (multi-polar) y en recuperación
Cambios de polaridad: son predecibles??
Observaciones:
- la dirección cambia
- la intensidad disminuye
?
?
Que exactamente pasa durante un cambio de polaridad??
1. cambio de las direcciones
Que exactamente pasa durante un cambio de polaridad??
2. cambio de la paleointensidad
Reversiones del campo desde hace 160 Ma
Reversiones del campo: existe relación con la intensidad?
Que podria pasar durante una reversión?
- Se reduce la intensidad a <20%
- estructura multi-polar
PALEOMAGNETISMO
POLARIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO
(3Ma-REC)
Instrumentación para la medida
del paleomagnetismo:
DESMAGNETIZADORES
Estos instrumentos permiten completar
fácilmente el proceso de
desmagnetización progresiva necesario
para identificar la magnetización
remanente de las rocas
Campo magnético se debilita:
¿permutación de polos? • El campo magnético de la Tierra se debilita y, al
mismo tiempo, se torna más desordenado, lo que
para algunos investigadores es una posible señal
de una permutación de los polos terrestres en los
próximos 1.500 años. La intensidad del
magnetismo terrestre ha disminuido un 1,7 por
ciento en todo el mundo desde 1979, diez veces
más que lo esperado. No obstante, las variaciones
no ocurren de manera uniforme. Estas observa-
ciones fueron realizadas con base en datos del
satélite científico alemán "Champ“
• Si el campo realmente cambia de orientación, la
Tierra estaría entre 5.000 y 10.000 años casi sin
campo magnético
81
Patrones Magneticos en los Oceanos
82
Lineaciones Magneticas. Marte
•
83
Perturbacioens velocidades de las
Ondas P en el Manto medio
84
Shear Wave Velocity
Perturbation. Base of Mantle
Perturbaciones velocidades de las
Ondas S base del Manto
85
Importancia del CMT
•
• Earth’s magnetic field is necessary for life on Earth.
• The magnetic field protects us against the flow of charged particles from the sun and acts a kind of shield.
• Some researchers believe that evolution of life is accelerated during periods of weak magnetic fields, because this would enhance genetic changes – mutations.
• The magnetic field on the continents and their shelves is used for prospecting after oil, gas and mineral deposits.
• The interpretation of the magnetic field on the oceans had a major impact on the development of plate tectonics.
86
EL GEOMAGNETICO
•
FUENTES DEL CAMPO GEOMAGNETICO
Satelites MAGSAT (izq) y Oersted (der)
89
ORBITA DEL SATELITE Örsted
SATELITES DE CAMPO MAGNETICO
91
Representacion de los armoicos esfericos del CMT
Internal source
region
External source region
Source free region
”Region of observations”
),(),( 1 n
n
n
n SrSrVVVn = degree
Espectro Geomagnetico
Campo magnetico cortical
From Maus (2007)
n = 100
94
Antarctica Profundidad de Curie
Crustal Mag
Field
Crustal
Thickness
Curie Depth Heat Flow
95
Lenguaje Geomagnetico
• Frontiers
• Is Earth's magnetic field reversing?
• Catherine Constable & Monika Korte
• Earth and Planetary Science Letters
246 (2006) 1–16
• Page 2
96
Reversals are documented in the oceanic crust 170 My back.
Reversals have taken place on the average everty 250000
year during the past 20 My.
On the average the rotation poles and the magnetic poles
coincide.
97
Normal
polarity
Reverse
polarity
Age
[My] 4 3 2 1 0 1 2 3 4
Variations in the magnetic field over a mid-ocean ridge
Lithosphere
Calculated magnetic field
from the model of sea-floor
spreading
Measured magnetic field
across a mid-ocean ridge
Molten magma fills the gap, solidifies, cools below the Curie temperature
(560oC) and becomes magnetized in the direction of the prevalent magnetic field
98
The magnetization along a 42 m long core from the Pacific at 4415 m water depth
Inklination close to zero at the equator
The sedimentation varies between 1-5 cm/1000 år. The sediments contain small
amounts of magnetite which constitute small magnets that direct themselves into
the direction of the Earth magnetic field on their way through the water column
99
100
• The Gauss–Matuyama (2.58 Ma) reversal record of VGPs recorded
in sediments deposited in Searles Lake, California (Glen et al.,
1999b). Note the highly complex VGP path, with initial and final
excursions in orange, multiple rapid oscillations in black, and main
reversing phase including two large swings from high to equatorial
latitudes in red.
101
Difference between Örsted (2000) and Magsat (1980)
measurements
102
Tangential flow pattern in the outer core at the CM transition
Anticyclonic patches
transporting oppositely
directed magnetic flux,
i.e. negative feedback.