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.