MÓDULO 1.1: A TERRA É MAGNÉTICA

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MÓDULO 1.1: A TERRA É MAGNÉTICA
MÓDULO 1.1: A TERRA É MAGNÉTICA
A descoberta de que a Terra possui um
campo magnético próprio ocorreu em 1600 por um
cientista chamado William Gilbert. Ele chegou a
conclusão de que a Terra se comportava como um
grande imã. O estudo do campo magnético da Terra
(ou geomagnético) sempre foi de grande
importância histórica, tanto para a orientação nas
navegações quanto para um melhor conhecimento
sobre o planeta Terra. Nos dias atuais há muita
pesquisa
sendo
desenvolvida
sobre
geomagnetismo. Alguns tópicos ainda estão em
plena discussão, como por exemplo, os processos
que originam este campo magnético e as suas
consequências para a Terra. Neste curso
discutiremos desde os tópicos fundamentais até as
questões mais complexas que atualmente estão
sendo estudadas.
Como o campo magnético é uma grandeza
vetorial, com intensidade e direção, podemos
medi-lo por seus componentes (Figura 1): norte
(X), leste (Y), vertical (Z) e por seus ângulos de
declinação magnética (D) e inclinação magnética
(I). A componente horizontal do campo é
representada por H e a intensidade total por F (ou
por B). A componente horizontal (H) aponta para o
norte magnético. A declinação magnética é o
ângulo entre o norte magnético e o geográfico.
A intensidade do campo magnético é
medida em uma unidade chamada Tesla. O campo
geomagnético é expresso em nano-tesla (nT) que é
igual a 10-9 tesla. A intensidade do campo na
superfície da Terra é da ordem de 70.000 nT
próximo aos pólos e cerca da metade deste valor
próximo ao equador (Figura 2). Mas há uma região
da Terra onde o campo é mais fraco e essa área é
chamada de Anomalia Magnética do Atlântico Sul
(AMAS). Grande parte da AMAS está localizada no
Brasil e será um tópico de importante discussão no
decorrer deste curso.
Figura 1: Componentes do campo geomagnético: “X” é a
componente norte, “Y” é a componente leste e “Z” a vertical.
O ângulo “D” é a declinação magnética: desvio da bússola
em relação ao norte geográfico e a inclinação “I” é o ângulo
entre a componente horizontal (“H”) e o campo total (“F”).
AMAS
Figura 2: Mapa do campo magnético em 2005 calculado
por um modelo internacional de referência do campo
geomagnético (IGRF).
O campo magnético observado é resultado
da contribuição de diferentes fontes: o campo do
núcleo, o campo externo, campo induzido e o
campo crustal. Os campos do núcleo, crustal e
induzido serão abordados em detalhes no módulo
2, já o campo externo será descrito no módulo 3.
Entretanto, para uma visão geral do campo
geomagnético,
explicamos
as
principais
características em seguida.
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Campo do núcleo (ou campo principal): o campo
geomagnético gerado no núcleo possui uma
geometria aproximadamente dipolar. Este campo
corresponde a cerca de 90% do campo observado,
por isso o campo do núcleo também é chamado de
principal. Esse campo dipolar funciona como um
“escudo protetor” para as partículas que vêm do
Sol e de raios cósmicos que se propagam na
direção do nosso planeta.
O termo dipolar significa dois pólos, norte e
sul, como por exemplo, em um imã. As LINHAS DE
FORÇA DO CAMPO MAGNÉTICO em um imã saem
do pólo norte para o pólo sul (Figura 3).
consideram os pólos magnéticos de acordo com os
pólos geográficos. Por isso, a configuração atual do
campo magnético indica que o pólo sul magnético
está próximo ao pólo sul geográfico e vice-versa
(Figura 4). Essa associação não é permanente, já
que devido às reversões do campo, os pólos
invertem o sentido.
Figura 4: Representação atual do campo dipolar da Terra,
mostrando as linhas do campo magnético, os pólos
magnéticos e geográficos.
Figura 3. Linhas de força do campo magnético de um
imã.
Mas você imagina como é o interior da
Terra? O interior da Terra possui quatro camadas
principais: a crosta, o manto, o núcleo externo e o
núcleo interno (Figura 5). Cada camada possui
características específicas de composição, pressão e
temperatura.
As LINHAS DE FORÇA DO CAMPO MAGNÉTICO
descrevem a estrutura do campo magnético. A
agulha da bússola aponta ao longo de uma
linha de campo. Quanto mais próximas as
linhas de campo, maior será a intensidade do
mesmo (como nos pólos magnéticos da Terra
ou de um imã). Já as linhas de campo afastadas
representam campos magnéticos mais fracos.
Entretanto esta convenção do imã não é
adotada pelos geofísicos no caso da Terra. Note
que em nosso planeta atualmente as linhas de
força saem do sul geográfico para o norte
geográfico (Figura 4). Entretanto, os geofísicos
Figura 5: Principais camadas da Terra: crosta, manto e
núcleo (interno e externo).
2
A crosta possui espessuras diferentes nos
continentes e nos oceanos: poucas dezenas de
quilômetros nos continentes e menos do que dez
quilômetros nos oceanos. Abaixo da crosta, existe o
manto que atinge uma profundidade de
aproximadamente 2891 quilômetros. O núcleo
externo é a única camada liquida da Terra e atinge
uma profundidade de 5150 quilômetros. Já o
núcleo interno é sólido e se estende até 6371 km
(raio da Terra).
Mas como sabemos sobre a existência
destas camadas e das divisões entre elas? Para
responder esta pergunta consulte o:
Campo Externo: é gerado pelo VENTO SOLAR ao
atingir a magnetosfera terrestre, que é a região em
volta da Terra onde o campo magnético está
confinado. A parte da magnetosfera voltada para o
Sol é comprimida pelo vento solar e atinge 10 Raios
da Terra (Re=6371km). Já a parte oposta ao Sol, fica
alongada e é chamada de cauda magnética,
atingindo 60 Re (Figura 6). Outra região onde o
campo externo é produzido é chamada de
ionosfera e estende-se de 60 km até 1500 km. A
ionosfera é dividida em camadas com espessuras e
ionizações diferentes.
SAIBA MAIS SOBRE SISMOLOGIA
Entretanto, na realidade, não há um imã no
núcleo terrestre. O que existe é fluido composto
principalmente de ferro (Fe) e níquel (Ni) com uma
alta CONDUTIVIDADE ELÉTRICA (σ = 5x105 S/m).
Este fluido está em constante movimento na
presença de um campo magnético pré-existente.
Consequentemente, o fluido induz correntes
elétricas que ampliam o campo magnético.
A CONDUTIVIDADE ELÉTRICA mede a
capacidade de um material conduzir uma
corrente elétrica. É normalmente representado
pela letra grega sigma (σ) e sua unidade é
Siemens/metro (S/m). Metais, por exemplo,
possuem uma alta condutividade elétrica e por
isso são chamados de condutores. Alguns
exemplos da condutividade elétrica de
materiais encontram-se abaixo (para uma
temperatura de 20ºC):
Terra
Magnetosfera
Figura 6: Esquema mostrando o efeito do vento solar no
campo magnético da Terra. A magnetosfera é a região de
existência do campo geomagnético.
O VENTO SOLAR é composto por partículas
energizadas e ionizadas, basicamente elétrons
e prótons que fluem do Sol para todas as
direções. O vento solar é originado na camada
mais externa do Sol, chamada corona. A sua
velocidade é de aproximadamente 400 km/s,
mas pode chegar até 800 km/s.
Campo Crustal: é gerado pelas rochas magnéticas
que existem na camada mais superficial da Terra. A
primeira observação da existência do campo
magnético da Terra ocorreu devido à propriedade
de atração de uma rocha magnética, o imã natural.
O campo magnético antigo é registrado por rochas,
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que contém minerais magnéticos. Estes minerais
funcionam como pequenos imãs e orientam-se de
acordo com o campo magnético natural naquela
época em que as rochas foram formadas. Este tipo
de magnetização é chamada de permanente.
Quando medimos o campo magnético em
um determinado local, a influência de todas as
fontes está contida no registro. A Figura 7 mostra a
localização dessas diferentes fontes. Não há uma
forma automática de se separar o campo do núcleo
do campo externo no momento em que estamos
fazendo medições. Isso é feito posteriormente
usando métodos matemáticos.
Figura 7: Esquema mostrando as diferentes fontes do
campo magnético da Terra.
As primeiras observações do campo
geomagnético mostraram que o campo magnético
da Terra não é estático, mas varia no tempo em
uma ampla escala temporal: de milissegundos até
milhões de anos. A Figura 8 mostra um registro da
declinação magnética na China do ano de 720 até
1829.
De modo geral, podemos dividir a variação
temporal do campo geomagnético em duas faixas:
as variações mais longas, de milhões de anos a
dezenas de anos, são geradas pelo núcleo e as
variações de mais curto período, como as
tempestades magnéticas, são geradas pelo campo
externo.
Figura 8: Declinação magnética registrada na China.
São as rochas magnéticas que registram as
variações paleomagnéticas, na escala de milhões
de anos. Um fato bem conhecido é que o campo
magnético reverteu sua polaridade muitas vezes no
tempo geológico. No presente, o dipolo magnético
aponta do hemisfério sul para o hemisfério norte
(veja Figura 4), mas no passado essa direção já foi
invertida muitas vezes.
Já as mudanças do campo magnético na
escala de centenas de anos são chamadas de
variação secular. Desde o início das observações
contínuas do campo geomagnético, a cerca de 170
anos atrás, a intensidade do campo magnético
global vem decaindo em uma taxa de 6% em 100
anos. Entretanto, o decréscimo da intensidade do
campo não é igual em todas as regiões do globo;
especialmente na região da AMAS esta diminuição
está ocorrendo mais rapidamente. Outra
característica interessante da variação secular é o
deslocamento do campo para oeste. Assista o vídeo
BfS.mov e note que a AMAS estava na África por
volta de 1600 e se deslocou para a direção do
Brasil, onde encontra-se atualmente.
Existem outras variações temporais mais
curtas devido à atividade solar, que vão de dezenas
de anos até milissegundos. Por exemplo, há
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variações no decorrer de 1 dia (chamada variação
diurna). Quando a atividade solar não está muito
ativa, o dia é chamado de “dia geomagneticamente
calmo” ou Sq (do inglês: “Solar-quiet”). Já quando a
atividade solar encontra-se muito ativa, ocorrem
tempestades magnéticas, que duram horas.
Durante tempestades magnéticas, podem
ocorrer problemas em satélites, sistemas de
navegação e rádio-comunicação. Estes distúrbios
ocorrem mais frequentemente nas áreas onde a
intensidade do campo é mais fraca (AMAS), ou seja,
onde o “escudo protetor” da Terra (campo
principal) é mais fraco. Todos estes tópicos serão
abordados em detalhes nos próximos módulos do
curso.
R
eferências Bibliográficas
Merril, R. T.; McElhinny, M. W.; McFadden, P. L.
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F
ontes das
F
iguras
Figura 1: Modificado do livro “The Magnetic Field
of the Earth- Paleomagnetism, the core, and the
deep mantle” Merril, R. T. et. al. (1996)
Figura 3: Homepage da NASA sobre campos
magnéticos “Magnetic Fields”
http://helios.gsfc.nasa.gov/magfield.html
Figura 4: Homepage da Agência Espacial Européia.
Autor: Peter Reid (2003)
http://sci.esa.int/sciencee/www/object/index.cfm?fobjectid=41209
Figura 5: Homepage sobre as camadas da Terra
“Into the dephts of the Earth”
http://sprg.ssl.berkeley.edu/~ateste/AlexandraTest
e/Earth_layers.html
Figura 6: Homepage da NASA
http://sohowww.nascom.nasa.gov/gallery/images/
magfield.html
Figura 7: Artigo científico
N. Olsen · G. Hulot · T.J. Sabaka (2010).
Figura 8: Homepage sobre paleomagnetismo
Autora: Lisa Tauxe
http://magician.ucsd.edu/essentials/WebBookch14
.html#WebBookse89.html
Raymond Jeanloz (1990). The nature of the Earth´s
core. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 18:357-86.
Serway, Raymond A. (1998). Principles of Physics
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College Pub. p. 602.
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