Capitulo V: Magnetismo
Es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.
Destacan un conjunto de materiales conocidos que presentan propiedades magnéticas significativas, como el hierro, níquel o cobalto y sus aleaciones. Comúnmente reciben el nombre de imanes.
Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán e innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones. En un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo de su número.
En general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones esos movimientos pueden alinear a los electrones y producir un campo magnético total medible.
Magnetosfera
La magnetosfera es una región alrededor de un planeta en la que el campo magnético de éste desvía la mayor parte del viento solar, formando un escudo protector contra las partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol.
La magnetosfera terrestre no es única en el Sistema Solar y todos los planetas con campo magnético, Mercurio, Júpiter, Saturno, Urano, y Neptuno poseen una magnetosfera propia. En cambio, Ganimedes, satélite de Júpiter, tiene un campo magnético demasiado débil para atrapar el plasma del viento solar, mientras que Marte tiene una muy débil magnetización superficial sin magnetosfera exterior.
El viento solar es un flujo de partículas energéticas cargadas que emana del Sol.
La magnetosfera se extiende entre 500 y 60.000 km, e interacciona con el viento solar en una región denominada magnetopausa, que se encuentra a unos 60.000 km de la Tierra en la dirección Tierra-Sol y a mucha mayor distancia en la dirección opuesta.
Por delante de la magnetopausa se encuentra la superficie de choque entre el viento solar y el campo magnético. En esta región el plasma solar se frena rápidamente antes de ser desviado por el resto de la magnetosfera.
Las partículas cargadas del viento solar son arrastradas por el campo magnético sobre los polos magnéticos dando lugar a la formación de auroras polares: boreales en el hemisferio norte y australes en el hemisferio sur. En el lado no iluminado las líneas de campo se deforman y alargan arrastradas por el viento solar alcanzando un tamaño de 300.000 km en la dirección opuesta al Sol.
A unos pocos millares de km de la superficie terrestre se encuentra una región en el ecuador magnético en el que muchas de las partículas cargadas son atrapadas y aceleradas formando los cinturones de Van Allen o cinturones de radiación.
Estos cinturones son áreas en forma de anillo de superficie toroidal en las que gran cantidad de protones y electrones se están moviendo en espiral entre los polos magnéticos del planeta, y se estructura en dos cinturones: uno interior y otro exterior. El cinturón interior está a unos 1.000 km por encima de la superficie de la Tierra y se extiende hasta más de 5.000 km.
Por su parte, el cinturón exterior se extiende desde aproximadamente 15.000 km hasta los 20.000 km. Este cinturón exterior en concreto, no afecta a satélites de órbitas altas/medias como pueden ser los geoestacionarios situados en torno a 35.000 km de altitud. Los satélites de órbita baja, deben buscar un compromiso entre la conveniencia de emplear una altitud considerable para evitar la resistencia residual de la alta atmósfera, que acorta la vida útil del satélite, y la necesidad de estar por debajo de los 1.000 km para no sufrir largas permanencias en los cinturones de radiación ni atravesar áreas de elevada intensidad, muy perjudiciales para dichos satélites.
Campo magnético terrestre
La superficie terrestre es un campo de fuerzas cuyas líneas de acción señalan en cada punto de la Tierra una dirección Norte–Sur, conocida como meridiano magnético.
Los meridianos magnéticos no son círculos máximos de la esfera, sino curvas, en ocasiones muy irregulares, que concurren en los polos magnéticos.
El campo magnético terrestre (también llamado campo geomagnético) es el campo magnético que se extiende desde el núcleo interno de la Tierra hasta el límite en el que se encuentra con el viento solar.
Un estudio paleo magnético realizado sugiere que el campo magnético ha existido por lo menos desde hace 3450 millones de años.
El magnetismo de la Tierra es el resultado de una dinámica debida a que se supone que su núcleo de hierro no es sólido. Por otra parte, en la superficie terrestre y en la atmósfera se generan diversas corrientes eléctricas producidas por diversas causas, además de un intercambio constante de electricidad entre la Tierra y el aire.
La forma de propagarse las ondas sísmicas parece indicar que la Tierra tiene en el centro un núcleo líquido denso, que ocupa la mitad del radio terrestre, y dentro de este un núcleo interno sólido constituido de hierro fundido, posiblemente mezclado con níquel y azufre. La densidad aparenta ser la adecuada, y el hierro, que de entre todos los elementos es el que tiene el núcleo más estable, abunda en el universo.
La energía del magnetismo terrestre parece provenir de los movimientos de flujo en el centro de la Tierra, de movimientos circulatorios que ayudan a liberar el calor producido.
La Tierra se comporta como un imán gigantesco con sus dos polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos. El Polo Sur Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico.
La polaridad del campo magnético de la Tierra se registra en las rocas sedimentarias. Las inversiones son detectables como bandas centradas en las dorsales oceánicas en las que el lecho oceánico se expande, mientras que la estabilidad de los polos geomagnéticos entre los diferentes sucesos de inversión permite a los paleomagnetistas seguir la deriva de continentes. Las inversiones también constituyen la base de la magnetoestratigrafía, un método de datar rocas y sedimentos. El campo también magnetiza la corteza; pudiéndose usar las anomalías para detectar menas de minerales valiosos.
Variaciones del campo magnético terrestre
Los estudios permanentes que se realizan demuestran que el campo magnético terrestre no es constante, sino que cambia continuamente. Hay una variación pequeña y bastante regular de un día a otro. Pero algunos días se producen perturbaciones mucho mayores, que son llamadas tormentas magnéticas, y que son generadas por corrientes eléctricas que tienen lugar en las capas superiores de la atmósfera. A unos cuantos centenares de kilómetros por encima de la superficie terrestre existe una zona llamada ionosfera, en la que hay electrones libres arrancados a los átomos de oxígeno y nitrógeno por la radiación solar. Las partículas cargadas positiva y negativamente (iones y electrones) hacen que el aire en la ionosfera sea un conductor eléctrico. Estas corrientes eléctricas de la ionosfera originan campos magnéticos que causan variaciones transitorias del campo magnético terrestre.
Las variaciones temporales del campo magnético terrestre, en periodos tan largos que sólo se aprecian al comparar valores medios anuales durante varios años, reciben el nombre de variación secular. Un fenómeno de la variación secular hace referencia a que la distribución del campo geomagnético se mueve lentamente hacia el Oeste. A la velocidad estimada, la distribución del campo daría la vuelta completa a la Tierra en unos 2.000 años.
A diferencia de las tempestades magnéticas, que ocurren por causas externas, las anomalías a largo plazo y su orientación hacia el Oeste se deben a causas localizadas en el interior de la Tierra. Los cambios internos tienen lugar de modo muy lento y abarcan hasta millares de millones de años. En comparación, dos mil años es, pues, un tiempo muy corto. Este elemento constituye una de las claves fundamentales en el estudio del magnetismo terrestre.
En la actualidad el valor promedio del campo geomagnético está disminuyendo; este deterioro corresponde a un 10-15 % del declive total en los últimos 150 años y se ha acelerado en los últimos años. La intensidad geomagnética ha decrecido de manera casi continuo a partir de un máximo de 35% por encima del valor actual desde hace 2000 años. El ritmo de disminución y la intensidad actual están dentro del rango normal de variación, como se muestra por la información de anteriores valores del campo registrados en rocas.
Cerca de la superficie de la Tierra, el campo magnético de esta puede ser razonablemente aproximado por el creado por un dipolo magnético localizado en el centro de la Tierra e inclinado con un ángulo de alrededor de 10º con respecto al eje de rotación del planeta. Este campo dipolar supone alrededor de un 80-90 % del campo total en la mayor parte de las localizaciones.
Intensidad del campo magnético terrestre
El campo magnético terrestre se caracteriza también por su intensidad, que se mide en gauss. La intensidad de campo es máxima cerca de los polos (0,7 gauss) y mínima cerca del ecuador (0,3 gauss). Un Gauss es una diezmilésima de Tesla, pero normalmente se representa usando los nanoteslas (nT), siendo 1 G = 100 000 nT. El nanotesla también es llamado un Gamma.
El campo magnético promedio en el núcleo externo de la Tierra se calculó en alrededor de 25 G, 50 veces superior al campo en la superficie.
Declinación Magnética
Para cada punto en la Tierra, es el ángulo comprendido entre el norte magnético local y el norte verdadero (o norte geográfico).
Por convención, la declinación es considerada de valor positivo cuando el norte magnético se encuentra al este del norte verdadero, y negativa si se encuentra al oeste.
Las curvas de igual valor de declinación magnética se denominan curvas Isogónicas; y de ellas, aquéllas que poseen un valor nulo se denominan curvas agónicas (en este caso coinciden el norte geográfico con el magnético). El valor de la declinación magnética varía, además, a lo largo del tiempo.

Esta variación es debida al flujo interno del núcleo de la tierra pudiendo influir en depósitos subterráneos de hierro o magnetita que se encuentran en la superficie terrestre.
A su vez la variación de la declinación magnética es función de la distancia que se encuentre de los polos magnéticos, y puede llegar a mostrar una velocidad de cambio de entre 2 y 25 grados por cada cien años.
Inclinación magnética
La inclinación magnética viene dada por el ángulo por el que el campo apunta hacia abajo con respecto a la horizontal. Puede tener valores entre -90º (hacia arriba) y 90º (hacia abajo). En el polo norte magnético apunta completamente hacia abajo, y va progresivamente rotando hacia arriba al disminuir la latitud hasta la horizontal (inclinación 0º), que se alcanza en el ecuador magnético. Continúa rotando hasta alcanzar la vertical en el polo sur magnético. La inclinación puede ser medida con un círculo de inclinación.
Una aguja magnética suspendida por su centro de gravedad no se mantiene en posición horizontal, ya que el extremo que señala al Norte se inclina hacia el suelo en el hemisferio septentrional, y lo mismo hace el extremo que señala al Sur, en el hemisferio meridional. Este ángulo de desviación de la aguja respecto de la horizontal se llama inclinación magnética. El valor de la inclinación, al igual que el de la declinación, es diferente de un punto a otro de la superficie de la Tierra.
Polos magnéticos
La posición de los polos magnéticos puede definirse por lo menos de dos maneras. Un polo de inclinación magnética es un punto de la superficie terrestre en el que su campo magnético es totalmente vertical.
La inclinación del campo de la Tierra es de 90º en el polo norte magnético y -90º en el polo sur magnético.
Un imán suspendido horizontalmente adopta una posición tal que uno de sus extremos apunta aproximadamente hacia el polo norte geográfico.
Los dos polos se desplazan independientemente uno del otro y no están situados perfectamente enfrentados en puntos opuestos del globo.
El polo norte magnético terrestre se desplaza desde el norte de Canadá a Siberia con un ritmo acelerado: 10 km por año en el comienzo del siglo XX, y en 2003 por encima de los 40 km por año, desde entonces sigue acelerándose.
El polo norte magnético no es un punto, sino un círculo de aproximadamente 1.600 kilómetros. Los polos, en términos de magnetismo, son un área muy extendida, que cruza la depresión polar de un continente al otro. Cuando cualquier explorador ártico, que utilice una brújula magnética, diga que llego al polo, hace una afirmación muy confusa, ya que solamente puede decir que llegó a un punto, que puede estar en cualquier lado demostrable dentro de un área de casi 3.200 kilómetros, considerado el borde magnético de la abertura polar, donde la aguja señala hacia abajo.
Es sabido que los polos magnéticos del norte y sur no coinciden con los polos geográficos, como ocurriría si la tierra fuera una esfera sólida, convexa en los polos. La razón de que los polos magnético y geográfico no coincidan es que, mientras el polo magnético está sobre y a lo largo del borde de la abertura polar, el geográfico está en el centro, en el aire, no en tierra sólida.
El verdadero polo magnético y centro de gravedad no es un borde externo de la abertura polar, sino un punto en el centro de la corteza terrestre, que estará a 650 kilómetros de profundidad, y corre a lo largo de la abertura. Por esta razón, la aguja de la brújula sigue apuntado en sentido vertical hacia abajo cuando se pasa el borde de la abertura y se entra en ella. Sólo después de pasar el centro, la aguja apuntaría hacia arriba en vez de abajo. En ambos casos, después de llegar al borde de la abertura polar, la brújula ya no funciona en sentido horizontal como antes, sino vertical.
Paleomagnetismo
El paleomagnetismo es la ciencia que estudia el magnetismo de la Tierra desde la antigüedad. Su fundamento es la propiedad que tienen ciertas rocas en las que existen granos de minerales magnéticos, como la magnetita, de adquirir una imanación inducida por el campo magnético terrestre y en su misma dirección. Cada grano de magnetita se convierte así en un pequeño imán. Una roca que contenga este mineral tendrá una imanación que será la suma de la de todos sus pequeños granos de magnetita. Esta imanación tiene la propiedad de que, aunque cambie después la dirección del campo magnético terrestre, ella permanece inalterada y se conserva constante. El estudio de la imanación de rocas antiguas permite conocer la dirección que tuvo el campo magnético terrestre en otras épocas.
La magnetización remanente, o remanencia, puede ser adquirida de más de una manera.
En corrientes de lava, la dirección del campo se congela en pequeñas partículas magnéticas al enfriarse, originando a magnetización termo-remanente.
En los sedimentos la orientación de las partículas adquiere cierta tendencia hacia el sentido del campo cuando se depositan en un suelo oceánico o en el fondo de un lago. Este proceso es denominado magnetización detrítica remanente.
La magnetización termo-remanente es la forma de remanencia que origina las anomalías magnéticas en las dorsales oceánicas. Al expandirse el lecho marino, el magma emana desde el manto y se enfría para formar corteza basáltica nueva. Durante el enfriamiento, el basalto guarda la dirección del campo terrestre. Este nuevo basalto se forma en ambos lados de la dorsal y se aleja de ella. Cuando el campo magnético terrestre se invierte, el nuevo basalto registra la dirección inversa. El resultado es una serie de bandas que son simétricas alrededor de la dorsal.
Reversiones de la polaridad
Durante las últimas decenas de millones de años, la polaridad magnética de la Tierra se invirtió varias veces.
Midiendo el magnetismo de rocas situadas en estratos formados en periodos geológicos distintos se han elaborado mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Estos mapas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse. Durante los últimos cinco millones de años se han producido numerosas inversiones.
La última reversión de la que se tiene información fiable fue la Reversión Brunhes-Matuyama, aproximadamente hace 780.000 años.
No obstante, un estudio publicado en 2012 por el Centro de Investigación Alemán para las Ciencias de la Tierra GFZ sugiere que ocurrió una breve inversión hace solo 41 000 años durante la última edad del hielo.
Pero no se puede predecir con exactitud cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la secuencia no es regular. En la actualidad, el campo magnético en general se ha debilitado de tal manera que, de continuar, puede ocasionar que el campo se desplome temporalmente hacia el año 3000 o 4000. La anomalía del Atlántico Sur se cree que es producto de ello. El fuerte deterioro corresponde a un descenso en un 10 a un 15% sobre los últimos 150 años, y se ha acelerado en los últimos años.
La opinión científica se encuentra dividida al tratar de explicar qué causa la reversión geomagnética. Muchos científicos creen que la reversión es un aspecto inherente de la hipótesis de la dínamo de cómo el campo geomagnético es generado. En simulaciones por ordenador, se observa que las líneas de campo magnético pueden algunas veces entrelazarse e incluso desorganizarse por los movimientos caóticos del metal líquido del núcleo externo. En algunas simulaciones, esto conduce a una inestabilidad en la cual el campo magnético se invierte espontáneamente a la orientación contraria.
Las reversiones pasadas del campo geomagnético pueden ser y han sido registradas en minerales ferromagnéticos congelados o depósitos sedimentarios de flujos volcánicos enfriados en la tierra, originalmente. No obstante, el registro de pasadas reversiones geomagnéticas fue advertido primero al observar las “anomalías” de las bandas magnéticas en el fondo del océano.
Dado que el fondo del mar se extiende con una tasa más o menos constante, esto tiene como resultado la aparición de franjas anchamente evidentes de que la polaridad pasada del campo puede ser inferida al mirar los datos reunidos por el simple arrastre de un magnetómetro por el lecho marino.
Asimismo, la gran mayoría de las rocas sedimentarias incorporan delgadas cantidades de minerales enriquecidos con hierro, cuya orientación es influenciada por el ambiente magnético bajo el cual se formaron. Bajo condiciones favorables, es así posible extraer información de las variaciones del campo magnético en muchas rocas sedimentarias. Sin embargo, al quedar sepultadas, pueden borrarse las evidencias del campo magnético original.
Cuando el campo magnético de la Tierra se revierte, el planeta empieza a girar en sentido contrario, convirtiéndose el polo norte en el sur y viceversa. Entonces se puede producir un desastre mundial de grandes proporciones con grandes inundaciones, movimientos telúricos, tsunamis y el inicio rápido de una nueva glaciación.