Parte quarta. l’origine del campo magnetico terrestre

I

Pietro Dominici GEOMAGNETISMO

Dalle lezioni del corso annuale omonimo tenuto nella Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali dell’Università I “La Sapienza” di Roma, per il

corso di laurea in fisica

Prefazione

Le pagine che seguono costituiscono la prima stesura xerocopiata di una nuova edizione delle dispense del corso citato sopra.

Com’è normale per una prima stesura, è probabile che siano presenti refusi e anche vere e proprie inesattezze, per le quali cose mi scuso; sarò grato a chi vorrà gentilmente segnalarmi queste imprecisioni.

L’utilizzazione di queste pagine, oltre che essere rigidamente soggetta alla normativa sui prodotti dell’ingegno e sui diritti d’autore, è assolutamente riservata a coloro che frequentano il

corso annuale di Geomagnetismo per la laurea in fisica nel Dipartimento di fisica dell’Università I “La Sapienza” di Roma.

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III

INDICE

Parte prima: premesse generali sul CMT e sulle associate nozioni fisiche

Cap. I. - Sintesi dell’evoluzione storica delle conoscenze sul magnetismo terrestre I.1. Prime nozioni sui magneti e sul magnetismo: i “filosofi naturali” della Scuola

Ionica di Mileto pag. 1 I.2. La capacità dei magneti di autoorientarsi al nord pag. 1 I.3. La realizzazione delle bussole magnetiche in Cina pag. 2 I.4. L’introduzione in Occidente delle bussole magnetiche pag. 3 I.5. Le prime teorie sul funzionamento delle bussole magnetiche pag. 3 I.6. Il trattato di William Gilbert pag. 4 I.7. La «Terrella» di de Maricourt e Gilbert pag. 4 I.8. Le due teorie del «campo geomagnetico centrale»: il «campo di magnete centrale»

e il «campo di corrente elettrica centrale» pag. 5 I.9. Evoluzione e crisi del concetto di campo principale di dipolo: il «campo nucleare»

e il «campo crostale» nella magnetoplasmadinamica del CMT pag. 6

Cap. II. - Generalità sulla Terra e sull’Universo

II.1. Richiamo delle principali notizie astronomiche e geodetiche sulla Terra

piana (6° sec. aC) e il passaggio al modello di Eratostene della Terra

sferica (2° sec. aC) pag. 4 II.2.2. Il Sistema Solare geocentrico di Tolomeo (2° sec. dC) pag. 5 II.2.3. I Sistemi eliocentrici Copernicano (16° sec.), Kepleriano (17° sec.) e

derivati, fino alla cosmologia attuale del Sistema Solare pag. 6 II.3. Alcune notizie sulla struttura interna della Terra pag. 7 II.4. Alcune stimolanti riflessioni di filosofia naturale sulla “posizione” e sul

ruolo dell’Uomo nell’Universo: il “principio antropico” pag. 8

Cap. III. - Richiami dei fondamenti della teoria classica dei campi

III.1. Generalità sui campi fisici pag. 1 III.1.1. Definizioni elementari pag. 1 III.1.2. Variabilità e invarianza di campi pag. 2 III.1.3. Rappresentazione geometrica di un campo vettoriale mediante le linee del

IV

campo. Campo scalare associato e relative isolinee, isosuperfici e isovolumi pag. 3 III.1.4. Sorgenti di un campo pag. 4 III.1.5. Operatori di sorgenti polari: flusso, divergenza, operatore nabla. Campi

solenoidali. pag. 5 III.1.6. Proprietà fondamentali di alcuni campi, per rango crescente pag. 9 III.1.6.1. Campo di polo (rango zero) pag. 9 III.1.6.2. Campo di dipolo (rango 1) pag. 10 III.1.6.3. Campi di rango maggiore di 1. Campi polari generalizzati pag. 10 III.1.7. Operatori circuitazione e rotore. Campi conservativi pag. 12 III.1.8. Campo vettoriale di gradiente di un campo scalare pag. 13 III.1.9. Identità notevoli per un campo vettoriale pag. 13 III.1.10. Il potenziale di un campo vettoriale pag. 14 III.2. Il concetto di “campo fisico” nella filosofia naturale pag. 17

Cap. IV. - Richiami di magnetostatica

IV.1. Premessa sullo sviluppo storico della magnetologia pag. 1 IV.1.1. L’approccio “statico” pag. 1 IV.1.2. Le leggi fondamentali dell’elettromagnetismo pag. 2 IV.1.3. Premessa sulle unità di misura elettromagnetiche pag. 4 IV.2. Il Sistema Internazionale (SI) di unità di misura pag. 5 IV.3. I fondamenti della magnetostatica moderna in unità SI pag. 6 IV.3.1. Il campo magnetico pag. 6 IV.3.2. Correnti elettriche pag. 7 IV.3.3. Azioni elettrodinamiche e forza di Lorentz. Il vettore induzione magnetica B.

Azioni elettromagnetiche pag. 9 IV.3.4. Azioni magnetiche di momento magnetico pag. 11 IV.3.5. Azioni magnetiche di magnetizzazione. Il vettore magnetizzazione M. Il vettore

intensità magnetica H. Suscettività magnetica di un mezzo pag. 12 IV.3.6. Relazione tra induzione B e intensità H del campo. Permeabilità magnetica

assoluta e relativa di un mezzo pag. 14 IV.3.7. Proprietà intrinseche e non intrinseche dei vettori magnetici B e H pag. 15 IV.3.7.1. Solenoidalità intrinseca dell’induzione magnetica B. Sorgenti vettoriali e

tensoriali di B, sua non conservatività intrinseca e sua equazione di continuità pag. 15 IV.3.7.2. Non solenoidalità e non conservatività dell’intensità magnetica H pag. 15 IV.3,7.3. Condizioni ai limiti per i vettori B e H nel passare da un mezzo a un altro pag. 19 IV.3. 8. Formule di campo pag. 21 IV.3.8.1. Campi magnetici stazionari generati da correnti elettriche pag. 21 IV.3.8.2. Campo magnetico stazionario generato da un momento magnetico

(dipolare) pag. 24 IV.4. Richiami di magnetologia in unità CGS pag. 24 IV.5. Un’incongruenza nell’attuale magnetologia IUPAP in unità SI pag. 27 IV.6. Comparazione tabellare tra unità elettromagnetiche SI, SI* e CGSsim; formule

universali dell’elettromagnetismo pag. 29

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Cap.V. – Osservabili geomagnetiche: “elementi” e componenti del vettore del campo geomagnetico, e loro misurazione

V.1. Osservabili del CMT pag. 1 V.1.1. Gli “elementi” geomagnetici tradizionali pag. 1 V.1.2. Le componenti geomagnetiche cartesiane locali pag. 2 V.1.3. Coordinate geocentriche sferiche e cartesiane pag. 4 V.2. Caratteristiche generali delle misurazioni geomagnetiche pag. 5 V.2.1. Variabilità spaziotemporale del CMT pag. 5 V.2.2. Organizzazione delle misurazioni geomagnetiche pag. 6 V.2.3. Errori di misurazione pag. 7 V.3. Strumenti di misurazione geomagnetici pag. 8 V.3.1. Strumenti tradizionali pag. 8 V.3.1.1. Il teodolite magnetico (THM) pag. 8 V.3.1.2. Il magnetometro orizzontale a torsione (HTM) pag. 12 V.3.1.3. La bilancia magnetica pag. 13 V.3.1.4. Inclinometri magnetici ad ago, inclinometro a induttore (induttore terrestre) pag. 14

V.3.2. Strumenti attuali pag. 15 V.3.2.1. Il magnetometro a precessione nucleare di protoni (magnetometro a protoni) pag. 15 V.3.2.2. Il magnetometro a saturazione pag. 18 V.3.2.3. Magnetometri di grande sensibilità pag. 20 V.4. Variografi magnetici pag. 20 V.4.1. Variografi fotografici pag. 20 V.4.2. Variografi assoluti pag. 21

Parte seconda: il CMT medio nel tempo

Cap. VI. Il CMT medio sulla superficie terrestre Rappresentazione del CMT medio sulla superficie terrestre

VI.1. Riduzione delle misure locali a valori medi nel tempo pag. 1 VI.2. Cartografia del CMT medio pag. 2

Analisi armonica del CMT medio

VI.3. L’analisi armonica del potenziale scalare del CMT medio pag. 6 VI.4. L’equazione di Laplace e la sua soluzione generale per il potenziale magnetico pag. 6 VI.5. Significato fisico dei termini della soluzione generale [VI.4*5] pag. 8 VI.6. Derivazione delle componenti cartesiane del CMT dal potenziale scalare pag. 9 VI.7. Procedimento di analisi per le componenti orizzontali X e Y pag. 10 VI.8. Analisi armonica sulla componente verticale Z: campo interno e campo esterno pag. 12 VI.9. Risultati di analisi del CMT medio interno pag. 13 VI.10. Lo schema tradizionale del campo dipolare e del campo non dipolare pag. 15 VI.10.1. Significato dei coefficienti armonici del I ordine: il campo di dipolo centrale pag. 15 VI.10.2. Componenti geomagnetiche pag. 18 VI.10.3. Coordinate geomagnetiche pag. 19

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VI.10.4. I termini di ordine maggiore del primo: il campo non dipolare pag. 19 VI.10.5. Tentativi di modellizzazione “dipolare” del CMT. Poli geomagnetici virtuali pag. 20 VI.11. Lo schema moderno del campo nucleare e del campo crostale pag. 21 VI.11.1. La potenza armonica media pag. 21 VI.11.2. Il campo nucleare pag. .23 VI.11.3. Il campo crostale pag. 24 VI.11.4. Commento pag. 24 VI.12. Il campo di riferimento IGRF pag. 24 VI.13. Campo crostale. Anomalie magnetiche pag. 28

Parte terza: il CMT variabile nel tempo

Cap. VII. - Le variazioni temporali del CMT

VII.1 Variabilità temporale del CMT medio pag. 1 VII.2. Quadro d’insieme delle variazioni temporali del CMT pag. 2 VII.3, Le variazioni regolari e intermedie pag. 3 VII.3.1. La variazione diurna solare Sq pag. 3 VII.3.2. La variazione diurna lunare L pag. 4 VII.3.3. Le pulsazioni pag. 5 VII.4.Variazioni irregolari pag. 6 VII.4.1. Le baie pag. 7 VII.4.2. Le tempeste magnetiche pag. 7 VII.5. Perturbazioni del CMT e attività solare pag. 9 VII. 6. Indici di attività geomagnetica pag. 10

Cap. VIII - Paleomagnetismo

VIII.1. Poli magnetici e primi risultati pag. 1 VIII.2. Cronologia geologica pag. 2 VIII.3. Le inversioni del CMT pag. 3 VIII.4. Anomalie magnetiche dei fondi oceanici pag. 6 VIII.5. L’intensità del CMT nel passato pag. 7 VIII.6. Evidenze geomagnetiche della deriva dei continenti pag. 9 VIII.6.1. Polodie magnetiche apparenti pag. 9 VIII.6.2. Polodie magnetiche e movimenti delle zolle tettoniche pag. 9 VIII.6.3. Deriva dei continenti pag. 12

Parte quarta. l’origine del campo magnetico terrestre

Cap. IX. - Origine del campo nucleare

IX.1. Premessa e teorie cosiddette globali pag. 1 IX.2. La “teoria dinamo” del CMT pag. 3 IX.2.1. La “teoria dinamo” del CMT dipolare pag. 3 IX.2.2. La “teoria dinamo” del CMT non dipolare pag. 6 IX.3. L’attuale impostazione magnetoplasmadinamica del geomagnetismo pag. 7

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IX.3.1. Fatti fisici da spiegare pag. 7 IX.3.2. Le equazioni fisiche di base pag. 8 IX.3.3. Sintesi delle vedute attuali pag. 10 IX.3.3.1. La parte dipolare del campo pag. 12

Il campo magnetico crostale

Cap. X - La magnetizzazione delle rocce terrestri

X.1. Premessa pag. 1 Richiami di fisica della magnetizzazione

X.2. Definizioni fondamentali pag. 2 X.3. Fenomenologia macroscopica della magnetizzazione pag. 3 X.4. Descrizione microscopica classica della magnetizzazione pag. 7 X.5. Cenno sulla teoria quantistica della magnetizzazione pag. 16

La magnetizzazione delle rocce terrestri

X.6. Proprietà magnetiche delle rocce pag. 18 X.7. Misurazione della magnetizzazione di rocce pag. 20 X.7.1. Raccolta e preparazione dei campioni pag. 20 X.7.2. Misurazione del momento magnetico di campioni di rocce pag. 21 X.7.2.1. Magnetometro astatico pag. 21 X.7.2.2. Magnetometro a rotazione pag. 22 X.7.2.3. Gradiometro a saturazione pag. 23 X.7.2.4. Magnetometri SQUID pag. 24 X.8. Magnetizzazione delle rocce indotta e residua pag. 24 X.8.1. Premesse pag. 24 X.8.2. Lavaggio preliminare dei campioni pag. 25 X.8.3. Magnetizzazione residua termica pag. 27 X.8.4. Magnetizzazione residua chimica pag. 28 X.8.5. Magnetizzazione residua sedimentaria pag. 29 X.8.6. Magnetizzazione residua isotermica pag. 29 X.9. Anisotropie magnetiche pag. 30 X.10. Effetto piezomagnetico ed effetto sismomagnetico pag. 30

Cap. XI. - Origine del campo atmosferico

XI.1. Premessa pag. 1 XI.2. L’atmosfera terrestre pag. 1 XI.2.1. Definizione e dimensioni dell’atmosfera terrestre pag. 1 XI.2.2. Le equazioni fondamentali dell’atmosfera neutra in quiete pag. 3 XI.2.3. Alcuni casi dinamici pag. 4 XI.3. Conducibilità elettrica dell’atmosfera terrestre pag. 8 XI.3.1. Agenti ionizzanti nell’atmosfera pag. 8

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XI.3.2. La teoria di Chapman della fotoionizzazione atmosferica pag. 9 XI.3.3. Verifiche sperimentali pag. 12 XI.3.4. Teoria magnetoionica e conduttività elettrica dell’atmosfera pag. 14 XI.3.5. Il tensore di conduttività elettrica dell’atmosfera ionizzata pag. 17 XI.4. Correnti elettriche nell’atmosfera terrestre pag. 17 XI.4.1. Analisi elettrodinamica dei moti di particelle cariche nell’atmosfera pag. 19 XI.4.2. Analisi fenomenologica pag. 22

Parte quinta

Cap. XII. Cenni sul magnetismo degli altri astri del Sistema Solare pag. 1-5

Conclusioni

Conclusioni Nota bibliografica