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Origen del Magnetismo Terrestre
Es un hecho misterioso que el eje magnético de la Tierra esté cerca de su eje de rotación...


Es un hecho misterioso que el eje magnético de la Tierra esté cerca de su eje de rotación, que los polos magnéticos, donde la fuerza magnética apunta directamente hacia abajo, están muy cercanos a los geográficos. William Gilbert vio esto como una evidencia de  que la rotación y el magnetismo provenían de la misma causa:

El movimiento diurno es debido a causas que han de ser indagadas, provenientes del vigor magnétick y de los cuerpos confederados.


Gilbert creía que la Tierra giraba debido a que era magnética. P.M. Blackett, que ganó el Premio Nobel en 1948 por su trabajo sobre los rayos cósmicos, consideraba seriamente la posibilidad contraria, que la Tierra era magnética debido a que giraba alrededor de su eje. En un tiempo, Blackett sugirió que quizás existía un nuevo fenómeno universal, que cualquier objeto girando estaba intrínsecamente magnetizado.


Al principio esto no pareció una mala idea. Los electrones y protones, por ejemplo, tienen un spin (giro) intrínseco que les proporciona propiedades parecidas a les de un objeto sólido girando, y también tienen una magnetización intrínseca, que los convierte en diminutos imanes, alineados con sus ejes de giro. En los materiales normales, estos imanes atómicos apuntan en todas las direcciones posibles, con lo que sus efectos se contrarrestan.

Pero en lo concerniente a la Tierra, las conjeturas de Blackett estaban equivocadas. Los experimentos con objetos girando, que por esta teoría deberían producir una magnetización medible, mostraron que no la tenían. Posteriores observaciones también mostraron que durante las últimas decenas de millones de años, la polaridad magnética de la Tierra se invirtió varias veces, algo que no permitiría la predicción de Blackett. 

El centro de la Tierra

La forma de propagarse las ondas sísmicas nos dicen 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. Se cree mayoritariamente que su centro está 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. Se concentra en el centro de la Tierra porque es pesado, por la misma razón que cuando se extrae de su mena, se hunde al fondo del horno de tostado.
La Energía es la moneda con la que se pagan la mayoría de los procesos en la naturaleza. El magnetismo terrestre no es una excepción, y su energía parece provenir de los movimientos de flujo en el centro de la Tierra, de movimientos circulatorios que ayudan a liberar el calor producido. De forma similar, nuestro tiempo atmosférico está dirigido por los flujos de aire circulantes que ayudan a mantener fresco el suelo, donde se absorbe mucha de la luz solar. 

Los científicos no están seguros de lo que proporciona el calor en el centro de la Tierra. Quizá provenga de algo del hierro que se solidifica y se une al núcleo central, o quizá esté generado por la radioactividad, como el calor que se genera en la corteza terrestre. Los flujos son muy lentos y la energía implicada es solo una pequeña parte del total de la energía térmica contenida en el centro.

Se cree que el metal fundido esta circulando. Al moverse a través del campo magnético existente, crea un sistema de corrientes eléctricas que se extienden por el centro, de forma parecida a la dinamo de disco de Faraday, que se abordó anteriormente. Las corrientes crean un campo magnético, una distribución de las fuerzas magnéticas, y la esencia del problema de la dinamo autosostenida es encontrar soluciones tales que el campo magnético resultante sea también el campo requerido para generar la primera corriente.

En realidad, ese solo es el menor nivel del problema, en el que se es libre para formular los movimientos. Para resolver el problema completo necesitamos información sobre las fuentes caloríficas, y estas fuentes deben de ser capaces de impulsar los movimientos que también resuelvan el problema de la dinamo.

Tales problemas no son fáciles. Implican matemáticas complejas que todavía no están completamente resueltas.

 

El Magnetismo Solar


Una limitación, relacionada con el fallo de la teoría de Blackett, es que cualquier circuito girando como un cuerpo sólido no producirá corrientes de dinamo. Aún en el caso de que parte del circuito siga al eje de rotación, y pueda, por tanto, ser vista como como no giratoria, el giro sólido no creará ninguna corriente. Una característica esencial de la dinamo de disco de Faraday es que la parte de su circuito que está fuera del disco no comparte su giro.

Por consiguiente, la rotación del Sol alrededor de su eje no contribuye, por si misma, a su magnetismo. Lo que es importante en este caso es que el Sol no gira como una esfera sólida. Su ecuador tiene un período de rotación menor que que el las latitudes mayores-- sobre 25 días para el ecuador, 27 días para la latitud de 40 grados (entretanto la Tierra se mueve alguna distancia alrededor del Sol, por lo que desde aquí los períodos aparentan ser de 27 y 29 días). Si la Tierra girase así, Florida (por ejemplo) pronto se desgajaría del resto de los EE. UU. hacia el Océano Atlántico. Ese movimiento asimétrico, que deforma la superficie, puede impulsar una dinamo y en el caso del Sol, se cree que es la origen del magnetismo de las manchas solares.

Teoría de la Dinamo

Antes de que los matemáticos afronten un problema complejo, prueban soluciones simples (un chiste sobre un modelo matemático de producción de leche: Suponiendo una vaca esférica de radio R, llena uniformemente de leche...). No hay esa suerte aquí: pronto, en 1931, Thomas G. Cowling en Inglaterra, probó que ninguna dinamo autosostenida en el centro de la Tierra puede tener un eje de simetría.

Walter Elsasser, de la Universidad de Utah (luego en Johns Hopkins) abordó en los 1940s un ataque frontal sobre el problema tridimensional. No llegó a ninguna parte: las ecuaciones se hicieron más y más intrincadas y se fue a los detalles. Otros tuvieron experiencias similares. Solo en 1964 publicó Stanislaw Braginsky en Rusia las primeras soluciones válidas, asumiendo que el campo tenía en su mayoría una simetría axial y calculando su pequeña desviación de la simetría.  

La solución al problema completo, incluyendo el flujo calorífico, es mucho más difícil. No solo no estamos seguros del origen del calor, sino que cualquier movimiento causado por él está muy modificado por el giro de la Tierra. Esta modificación es una característica principal de los movimientos a gran escala en la atmósfera, que origina que los huracanes y tormentas se arremolinen en su forma característica. En 1955, Eugene Parker propuso un mecanismo por el cual tales remolinos, en los flujos ascendentes de la atmósfera solar, podrían crear campos de dinamo.

Vistas desde arriba, la dirección del remolino de las borrascas en la atmósfera siempre es antidextrogiro (contrario a la agujas del reloj) al norte del ecuador y dextrogiro (en sentido de las agujas del reloj) al sur de él. Esta asimetría se prevé también en los flujos ascendentes en el centro de la Tierra, y Steenbeck et al., en Alemania, expuso en 1966 que, gracias a eso, los modelos de convección desordenados pueden producir un campo de dinamo medio. Esto se conoce como efecto alfa, debido a que implica una cantidad matemática designada por la letra griega α (alfa)--pero los detalles son muy complicados para describirlos aquí


David
http://www.phy6.org/earthmag/Mdynamo2.htm



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