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Strumento di analisi ed informazione sui rischi da esposizione ai campi elettromagnetici


Livello superiore - Elettricità e magnetismo

Il campo magnetico terrestre
Un ago magnetico, libero di ruotare in un piano orizzontale, si dispone in equilibrio indicando approssimativamente, con i suoi due estremi, il Nord e il Sud geografici: tale prova dimostra chiaramente l'esistenza di un campo magnetico terrestre.
I primi studi rivolti a questo argomento furono svolti da W. Gilbert (1540-1603), il quale ipotizzò, nella sua opera "De Magnete", che la massa terrestre fosse tutta più o meno uniformemente magnetizzata.
L'astronomo E. Halley (1656-1742), contemporaneo ed amico di Newton, si accorse del mutamento di certe caratteristiche del campo magnetico terrestre che ne indicavano uno spostamento verso ovest.
Nel 1839 K. F. Gauss (1777-1855), dimostrò, basandosi sulle osservazioni allora disponibili, che il magnetismo terrestre è originato internamente al nostro pianeta.
Oggi i dati delle osservazioni sono enormemente più numerosi e di maggiore attendibilità; eppure, se possiamo dire di conoscere molte più cose sul comportamento e le conseguenze del campo magnetico della Terra, non esiste ancora una teoria sicura in grado di spiegarne l'origine e di giustificarne certe variazioni.
Con buona approssimazione, il campo magnetico terrestre può essere assimilato a quello di un dipolo magnetico, cioè di una sbarra magnetica con il centro coincidente con quello della Terra e l'asse disposto in modo da formare un angolo di circa 11° con l'asse di rotazione terrestre.
Le variazioni che il campo magnetico terrestre subisce possono essere suddivise in secolari (Fig. 2) e giornaliere (Fig. 3).


Campo magnetico normale            Campo magnetico inverso
Fig. 1- Rappresentazione del campo magnetico terrestre normale rispetto al campo magnetico terrestre invertito.



Fig. 2-Scala temporale delle polarità magnetiche per gli ultimi 30 milioni di anni (ridisegnata da Berggren et al. in Soc. Econ. Paleontol. Mineral., Spec. Pubbl. 54, 129-212, 1995)
Qui viene rappresentata la cosiddettavarvatura magnetica: le varve bianche stanno ad indicare la polarita' magnetica inversa, mentre le varve nere stanno ad indicare quella normale.


Fig. 3-Rappresentazione della variazione diurna del campo magnetico terrestre

Nell'ambito delle variazioni secolari, se consideriamo intervalli di tempo dell'ordine di 102 anni, e' possibile registrare variazioni d'intensità fino al 20% oltre che la cosiddetta deriva verso ovest, ovvero lo spostamento in tale direzione di alcune caratteristiche del campo magnetico, come la declinazione magnetica, effetto questo già noto ad Halley.
Risalendo indietro nel tempo per intervalli dell'ordine di 106 anni, sono state scoperte variazioni assai più ingenti e strettamente connesse con un altro fenomeno particolarissimo: l'inversione della direzione del campo magnetico, più volte ripetutasi nel tempo.
Durante un'inversione, l'intensità del campo diminuisce continuamente fino ad annullarsi (o quasi), per poi tornare a crescere in direzione opposta alla precedente più o meno bruscamente (si valuta questo periodo nell'ordine di 103 anni).
Di questo fenomeno si occupa il paleomagnetismo, che studia la magnetizzazione delle rocce, la loro datazione ed in particolare la magnetizzazione naturale rimanente (NMR), la quale esprime la magnetizzazione misurabile nella roccia quando su di essa non agisce nessun campo magnetico esterno.
Al momento della sua genesi ogni roccia acquisisce una magnetizzazione che viene denominata primaria.
Il modo con cui tale magnetizzazione viene acquisita dipende dal tipo di roccia: pertanto, considerato che le rocce vengono suddivise in ignee, sedimentarie e metamorfiche, potremo avere tre tipi di magnetizzazione.
Nelle rocce ignee quest'ultima e' legata alla fase di consolidamento della massa magmatica, in cui durante il processodi solidificazione i granuli costituenti i minerali magnetici si posizionano secondo le direttrici del campo magnetico esistente.
Nelle rocce sedimentarie i granuli magnetici hanno la possibilità di disporsi ed ordinarsi durante le fasi di deposizione e compattazione iniziali, fasi in cui e' ancora presente una certa percentuale di acqua, la quale facilita la mobilità dei granuli stessi.
A compattazione avvenuta, un fenomeno del genere non e' più possibile.
Nelle rocce metamorfiche possono essere raggiunti altri tipi di magnetizzazione durante i processi di riscaldamento che possono avvenire per contatto (metamorfismo di contatto) o per attrito (faglie), dove il progressivo riscaldamento provoca una mobilizzazione dei minerali magnetici, che tendono a disporsi secondo le nuove direttrici: in tal caso si parla di magnetizzazione secondaria che va a sommarsi alla primaria.
In altre parole, una roccia magnetizzata si comporta come l'ago di una "bussola naturale"rimasto bloccato nel tempo dal momento della sua formazione, conservando così l'orientamento del campo magnetico primario.
Quando poi si scoprirono rocce magnetizzate in una direzione e rocce magnetizzate nella direzione opposta, particolarmente nel caso di formazioni laviche sovrapposte per le quali con  opportune tecniche di datazione fu possibile assegnare il periodo di formazione ad epoche diverse, la conclusione inevitabile fu quella di ammettere l'esistenza del fenomeno dell'inversione del campo magnetico terrestre.
Le cause di tali inversioni sono a tutt'oggi ancora parzialmente sconosciute.
Per quanto riguarda le variazioni giornaliere, osservatori diversi posti alla stessa latitudine, registrano quotidianamente oscillazioni del magnetismo terrestre all'incirca uguali, purché riferite al tempo locale; ciò dimostra che esse sono strettamente dipendenti dal Sole.
Queste oscillazioni variano con la latitudine, presentando variazioni d'intensità massima verso l'equatore e di declinazione verso i poli; tuttavia esse corrispondono a fluttuazioni che variano intorno allo 0.5% del campo totale e non lasciano tracce permanenti.
Tali oscillazioni possono però essere influenzate dal vento solare, particolarmente in occasione di tempeste magnetiche che sono inequivocabilmente collegate all'attività delle macchie solari.
Come ha dimostrato E. N. Parker nel 1958, il vento solare è un plasma caldo emesso dalla corona solare, costituito essenzialmente da idrogeno ionizzato (protoni ed elettroni non legati fra loro).
Questo flusso di particelle cariche, emesso dal Sole in direzione radiale con una velocità variabile da 400 a 800 km/s, genera un campo magnetico che, interagendo con quello terrestre, ne modella le linee di forza, che risultano leggermente schiacciate contro la Terra dalla parte prospiciente il Sole ed allungate in modo da formare una coda dalla parte opposta.
Un gran numero di protoni e di elettroni energetici del vento solare penetra nel campo magnetico terrestre, dove rimane confinato in due regioni, denominate fasce di Van Allen, dal nome dello scienziato che ebbe l'occasione di scoprirle  nel 1958.
La fascia di Van Allen interna si estende da circa 800 km fino a circa 4000 km al di sopra della superficie terrestre mentre quella esterna si estende sino a circa 60.000 km dalla terra.
Esistono buone prove per dimostrare che la fascia interna è composta di protoni ed elettroni derivati dal decadimento di neutroni prodotti nell'atmosfera terrestre da interazioni di raggi cosmici, mentre la fascia esterna e' costituita principalmente da particelle cariche emesse dal Sole.
Un aumento del numero di queste particelle è associato con l'attività solare, e il loro allontanamento dalla fascia di radiazioni provoca le aurore boreali sui poli ed  interruzioni delle trasmissioni radio.
Per comprendere meglio l'intrappolamento di particelle cariche nelle fasce di Van Allen, consideriamo, per esempio, un elettrone libero prodotto da una collisione tra un atomo ed un raggio cosmico molti chilometri al di sopra della superficie terrestre.
La componente di velocità perpendicolare al campo magnetico terrestre fa sì che l'elettrone si muova su una traiettoria curva, tuttavia, l'intensità del campo è tanto maggiore quanto più si è vicino alla superficie terrestre.
Il risultato è un moto elicoidale, con l'elettrone che deriva verso est a causa della sua carica negativa (per cariche positive, la deriva è verso ovest).
Un ulteriore effetto proviene dalla componente della velocità dell'elettrone parallela al campo magnetico terrestre: questa componente infatti produce una spirale verso uno dei poli magnetici, lungo le linee di forza magnetiche.
A causa del crescere dell'intensità del campo magnetico verso nord o sud la spirale diviene via via più stretta, mentre allo stesso tempo la componente parallela della velocità diminuisce.
Ogni elettrone quindi raggiunge una determinata latitudine nord o sud alla quale la componente parallela della velocità diventa zero; quale sia questa latitudine dipende dalla velocità iniziale.
Quindi l'elettrone si ritira verso il polo opposto, e il moto risultante è perciò un cambiamento in longitudine verso est e una oscillazione nord-sud in latitudine.
Tale moto si ripeterà continuamente, magari per parecchie settimane, finché l'elettrone verrà espulso dalla fascia di Van Allen grazie ad una collisione che porrà fine alla sua condizione di intrappolamento.
Una situazione simile si ha con i protoni.
Poiché il campo magnetico terrestre, intrappolando le particelle del vento solare, impedisce (a meno di saltuarie fluttuazioni) che esse bombardino la terra e gli esseri viventi, si è pensato che questi ultimi, in epoche remote, abbiano subito l'influenza della radiazione del vento solare quando, durante una qualsiasi inversione del campo magnetico, essendosi ridotta praticamente a zero la sua intensità, scomparve temporaneamente lo scudo protettivo da esso generato.
In realtà si è poi calcolato che un secondo scudo, costituito dall'atmosfera, basta a proteggere sufficientemente la vita terrestre dall'attacco diretto del vento solare, il cui effetto, anche in caso di scomparsa del campo magnetico, sarebbe assai minore di quello dei raggi cosmici dai quali siamo ininterrottamente investiti.
Come precedentemente affermato, non conosciamo a tutt'oggi una teoria che sia in grado di spiegare con certezza le origini del campo magnetico terrestre.
Possiamo solo affermare il campo magnetico non dipende fondamentalmente dal nucleo terrestre, inteso in tal senso come un grande magnete naturale permanente in quanto composto da materiali ferromagnetici come nichel e ferro (da cui la sigla NiFe, che indica appunto i due componenti principali del nucleo terrestre); infatti la temperatura del nucleo e' assai superiore alla cosiddetta temperatura di Curie, oltre la quale questi metalli cessano d'essere magnetici.
Attualmente sembra essere più attendibile la teoria che ricerca l'origine del campo magnetico terrestre nelle intense correnti elettriche che facilmente possono circolare nella materia costituente il nucleo il quale, per la sua natura metallica, è evidentemente dotato di conducibilità elettrica assai elevata (Bullard, 1948).
Il problema si e' spostato allora sulla individuazione dell'origine della forza elettromagnetica in grado di mantenere attive queste correnti: in tal caso e' ipotizzabile che i moti rotatori e convettivi della materia fluida del nucleo possono funzionare come una specie di generatore elettrico dinamico.
Un fenomeno interessante associato alle particelle dotate di carica costituenti il campo magnetico terrestre è l'aurora boreale.
I fenomeni aurorali sono osservabili con maggiore frequenza alle elevate latitudini nord, ma talvolta sono visibili anche a sud, per esempio nelle regioni centrali degli Stati Uniti.
La luce aurorale è generata dai protoni del vento solare che penetrano nel campo magnetico terrestre fino ad altitudini di circa 100 Km.    A queste altitudini l'atmosfera è molto rarefatta, ma sono ancora presenti atomi di ossigeno e di azoto in tale numero che, a seguito degli urti fra di essi ed i protoni, viene prodotta una luce molto intensa.
Sebbene l'attività aurorale avvenga di continuo, la quantità di luce generata non e' sempre sufficiente a rendere visibile il fenomeno quando invece avvengono notevoli perturbazioni solari, sotto forma di macchie solari e di tempeste magnetiche (che in genere sono una conseguenza delle macchie solari stesse), il numero di protoni intrappolati nelle zone superiori dell'atmosfera cresce notevolmente, permettendo così la visione di aurore spettacolari.

 ISPESL - Gauss - 4a Edizione - Aggiornamento documenti 2008 Realizzazione 

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