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Océanos de Ciencia

Los mares y océanos han motivado desde siempre a los científicos. La necesidad de orientarse en un entorno cambiante nos ha hecho mirar al cielo y conocer los astros y sus movimientos, hemos creado instrumentos de navegación en los que se dan la mano arte, ciencia y tecnología, y han tenido lugar grandes expediciones científicas que han cambiado la visión del mundo y de nosotros mismos. De todo ello nos habla Manuel Díez Minguito.

El origen del magnetismo terrestre

Océanos de Ciencia podcast - cienciaes.com

Magnus magnes ipse est globus terrestis (Un inmenso imán es el propio globo terrestre).
“De magnete” William Gilbert de Colchester (AD 1600).

El campo magnético de la Tierra, que es donde la fuerza magnética actúa, está relacionado con fenómenos naturales como la Aurora Boreal y la sorprendente capacidad de orientación de aves y mamíferos marinos durante sus largas migraciones. También es la causa de que una pequeña aguja imantada, suspendida en un hilo o flotando en agua, se oriente espontáneamente en dirección N-S (aproximadamente). Esta aguja, ubicada sobre una rosa de los vientos, se convierte en una brújula, un sencillo pero valioso instrumento que desde hace más de mil años sirve de guía a viajeros y navegantes.

Hubo que esperar hasta el año 1600 cuando el médico inglés William Gilbert explicó el origen de la extraña directividad de la brújula. Gilbert, en su trabajo dedicado al magnetismo (De Magnete), considerado por algunos como el primer tratado científico de la historia, demostró que el origen del fenómeno se encuentra en la propia esfera terrestre y que ésta se comporta como si de un imán se tratara.

Ahora, 400 años después, sabemos mucho más.
Los científicos nos cuentan que el 90% del campo magnético que se registra en la superficie del planeta tiene su origen en el propio globo terrestre, tal y como afirmó Gilbert. El 10% restante procede de influencias externas, como el Sol y las capas altas de la atmósfera.

El campo magnético que observamos no es exactamente como el generado por un sencillo imán, con dos polos. En realidad, es más algo complicado. Es como si hubiera más imanes orientados en otras direcciones; pero éstos se debilitan rápidamente con la distancia al centro de la Tierra, de tal modo que en la superficie son ya bastante débiles. La parte dipolar que, aparte de ser la más grande en magnitud, un 80%, se atenúa menos, y es la que principalmente registramos aquí arriba, en la superficie terrestre. Cuanto más alejados del centro de la Tierra nos encontremos, más parecido será el campo a un dipolo.

¿Cómo genera la Tierra su propio campo magnético? Antes de responder, veamos cómo es el interior de la Tierra…

El interior de la Tierra es inaccesible, pero gracias al estudio de la propagación de las ondas sísmicas por el interior, los científicos saben que está divida en capas. La capa más externa, la corteza terrestre, tiene entre 5 y 50 kms de espesor, localizándose sus puntos menos gruesos debajo de las grandes cuencas oceánicas. Debajo de la corteza comienza el llamado manto terrestre que es otra capa que penetra casi 3000 km hacia el interior. Y allí nos encontramos con el núcleo de la Tierra. El núcleo terrestre es una enorme esfera metálica de un tamaño similar al del Marte, con un radio de unos 3400 km. Está compuesto mayoritariamente por hierro y níquel, que son metales y, esto es importante, buenos conductores de la electricidad. Se piensa que la parte interior, que incluye el centro de la Tierra, es sólida. En cambio, en la capa exterior, en el denominado núcleo externo, estos metales se encuentran en estado líquido y en continuo movimiento.

El movimiento se produce a causa de la rotación terrestre, pero no es menos importante el movimiento de convección del metal fundido. Éste se produce por la diferencia de temperaturas entre la parte alta (en contacto con el manto y a 3500ºC) y baja (en contacto con el núcleo interno y a más de 6000ºC) del núcleo externo. Por medio de corrientes ascendentes y descendentes el metal líquido transporta calor desde el núcleo interno hasta el manto. Para que se hagan una idea, el movimiento es similar al que puede producirse en el agua hirviendo en una olla: al calentarse los metales fundidos en contacto con el núcleo interno, aumentan de volumen y su densidad disminuye. Entonces ascienden desplazando al fluido que se encuentra en la parte superior, más frío y más denso, que desciende hacia el núcleo interno.

Ya estamos en condiciones de responder la pregunta de cómo la Tierra genera su propio campo magnético. El origen del campo se encuentra justamente en el núcleo externo y está causado por corrientes eléctricas. Esto merece una explicación…

Magnetismo y electricidad están relacionados íntimamente y la existencia del campo magnético es una buena muestra de ello. Un dispositivo que ilustra el origen del campo es un electroimán, usado comúnmente en electrodomésticos, en separadores de chatarra, etc. Un electroimán se fabrica enrollando un hilo conductor a modo de roscas de un tornillo alrededor de una barra metálica. Al hacer circular una corriente eléctrica por el hilo, éste genera un campo magnético a través de la barra, convirtiéndola en un imán.

En el núcleo externo de nuestro planeta, las corrientes eléctricas describen trayectorias helicoidales similares a las bobinas de los electroimanes (véase Figura adjunta), de tal forma que el campo magnético que inducen está orientado preferentemente según el eje de rotación N-S. Es la rotación terrestre la que fuerza esa orientación y es por ello por lo que los polos magnéticos prácticamente coinciden con los geográficos. De hecho, la posición de los polos magnéticos ha ido fluctuando alrededor de los geográficos a lo largo de los tiempos. Actualmente, la diferencia entre ellos de tan solo unos 11º, encontrándose el polo magnético boreal en el ártico canadiense.

Si las corrientes son el origen del campo… ¿cuál es el origen de las corrientes? Los geofísicos responden a esta pregunta recurriendo al llamado efecto dinamo. Las dinamos son generadores eléctricos: transforman movimiento en electricidad, como en las dinamos de las bicicletas. Cuando un material conductor de la electricidad se desplaza en el seno de un campo magnético, se inducen en él corrientes eléctricas. En el caso de la Tierra, el conductor en movimiento serían los metales líquidos del núcleo externo y el campo magnético sería el propio campo magnético de la Tierra.

Fíjense que es como la pescadilla que se muerde la cola: un campo magnético (por el efecto dinamo) genera unas corrientes eléctricas y éstas a su vez (como un electroimán) generan el campo magnético, el mismo que de nuevo vuelve a generar las corrientes eléctricas. Y así, indefinidamente. Ambos mecanismos están, por tanto, acoplados, estableciendo un ciclo cerrado que ha sido capaz de mantenerse por sí mismo durante millones de años.

Esta teoría, debida fundamentalmente al físico estadounidense de origen alemán Walter Elsasser, se denomina “Teoría de la Dinamo Auto-sostenida” y se la contamos en este programa.

REFERENCIAS

“Simulating the geodynamo”, G.A. Glatzmaier y P.H. Roberts. Contemporary Physics, Vol. 38(4), pp 269-288 (1997).

“Earth’s core and the geodynamo”, B.A. Buffet. Science, Vol. 288(5473), pp 2007-2012 (2000).

“An Elementary Model of the Earth‘s Magnetic Field”, J.I. Watt y B.J. Roth. The Physics Teacher, Vol. 15, pp 168-170 (2007).

OTROS PROGRAMAS RELACIONADOS

- Joseph Henry. La fuerza del imán.

- James Clerk Maxwell. El genio tartamudo.


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