Le inversioni del campo magnetico terrestre: cosa sappiamo?

Einstein considerava la comprensione del meccanismo che genera e governa la dinamica del campo magnetico terrestre come una delle più importanti ed irrisolte sfide della fisica. Il meccanismo che causa le inversioni del campo resta ancora oggi in gran parte ignoto.

di L. Cafarella, C. Caricchi, D. Di Mauro, L. Sagnotti

Il campo magnetico terrestre spesso è protagonista di animate discussioni su post e articoli pubblicate sui giornali e sul web, soprattutto a causa delle sue peculiarità più popolari: le inversioni di polarità.

Facciamo un po’ di chiarezza sull’argomento.

Le caratteristiche del campo magnetico terrestre

Il campo magnetico terrestre è generato da complessi moti convettivi e turbolenti del materiale metallico fuso, fortemente conduttore di elettricità, che forma il nucleo esterno della Terra.

il nucleo della Terra — Il nucleo della Terra è costituito da una parte esterna, fluida, e una interna, solida. Con la rotazione terrestre la parte fluida viene messa in moto generando correnti elettriche che sono quelle che generano il campo magnetico terrestre

Il campo magnetico risultante, in prima approssimazione, ha la struttura del campo generato da un magnete a barra posto nel centro della Terra e inclinato di circa 9° rispetto all’asse di rotazione terrestre (campo dipolare).

La teoria generale indica che esistono due stati possibili di polarità, quella normale (l’attuale, in cui le linee di forza del campo entrano verso l’interno della Terra nell’emisfero settentrionale ed escono verso l’esterno della Terra nell’emisfero meridionale) e il suo inverso.

Entrambi gli stati di polarità del campo sono ugualmente probabili e stabili.

Schematizzazione del campo magnetico terrestre nelle due possibili configurazioni di polarità: polarità normale, a sinistra, e inversa, a destra. Per semplicità l’origine del campo viene raffigurato da una barra magnetica (Credits: Barbara Angioni)

Le registrazioni paleomagnetiche mostrano, in effetti, come nel tempo geologico i due stati di polarità del campo si siano alternati senza prevalenza di uno rispetto all’altro. La variabilità naturale del campo comprende anche grandi variazioni di intensità. Quando l’intensità del campo è molto debole, fino a valori dell’ordine del 10-20% del valore attuale, si possono innescare le inversioni di campo magnetico terrestre. In caso di innesco di inversione, la morfologia del campo cambia drasticamente, fino a perdere le sue caratteristiche di dipolarità, con ulteriori importanti variazioni nei valori dell’intensità. Ad inversione avvenuta i valori dell’intensità del campo riprendono rapidamente a crescere e recuperano i valori precedenti all’inversione. Il fenomeno è sicuramente nell’insieme molto complesso e caotico.

Simulazione delle linee di forza del campo nel nucleo terrestre durante un’inversione di campo — *Simulazione delle linee di forza del campo nel nucleo terrestre durante un’inversione di polarità (Credit G.A. Glatzmaier)*

L’inversione del campo magnetico terrestre non è né un fenomeno periodico né regolare.

C’è stato un lunghissimo intervallo di tempo (nel Cretacico superiore, tra gli 83 e i 118 milioni di anni fa) in cui il campo non si è affatto invertito e ha mantenuto la stessa polarità per circa 30 milioni di anni. In altri periodi invece la polarità si è invertita frequentemente, come mostrato nella figura sottostante.

sequenza di inversione di campo magnetico. Nell'immagine le fasce nere si riferiscono a epoche a polarità normale, mentre quelle bianche a quelle a polarità inversa. — *Nell’immagine le fasce nere si riferiscono a epoche a polarità normale, mentre quelle bianche a quelle a polarità inversa.*

Sono documentate centinaia di inversioni del campo magnetico negli ultimi 83 milioni di anni e 21 sono riconosciute per gli ultimi 5.3 milioni di anni. Questo implica che in media, durante questo ultimo periodo, ci sia stata un’inversione del campo ogni circa 250 mila anni. L’ultima inversione completa è datata a circa 780 mila anni fa.

*Dettaglio della sequenza delle inversioni di polarità magnetica durante gli ultimi 5.3 milioni di anni*

Ci avviamo verso una nuova inversione del campo magnetico terrestre?

Sappiamo che l’intensità del campo (la sua componente dipolare) è in diminuzione, a partire dalle prime misure dirette effettuate da Gauss verso la metà del XIX secolo. Questo potrebbe suggerire che ci si stia avviando verso una nuova inversione. Tuttavia, gli studi paleomagnetici indicano che durante gli ultimi 780 mila anni l’intensità del campo è variata continuamente ed ampiamente e ha raggiunto un valore di picco positivo circa 2000-2500 anni fa. E’ dunque normale che, da quel valore, vi sia ora una diminuzione. Per questo motivo, al momento, non si può stabilire se la decrescita di intensità del campo rappresenti la prima fase della prossima inversione di polarità. Potrebbe infatti essere parte del naturale processo di variazione che caratterizza ogni intervallo di polarità magnetica stabile.

Come detto, è noto che le inversioni avvengono durante periodi di bassa intensità del campo. Durante questi periodi, se sufficientemente lunghi (migliaia di anni), il campo magnetico terrestre può essere instabile e, in alcuni casi, invertirsi. L’inversione vera e propria può essere geologicamente molto rapida: la durata delle inversioni è stimata nell’ordine di qualche migliaia fino a centinaia di anni, come suggerito da alcuni studi recenti.

L’interesse per una possibile inversione della polarità del campo magnetico terrestre è legata al fatto che quest’ultimo ci protegge dall’azione diretta del vento solare, un flusso continuo di particelle cariche di origine solare e cosmica. Il campo magnetico terrestre genera intorno alla Terra una regione di spazio, nota come magnetosfera, che scherma il pianeta dal flusso di queste particelle. La magnetosfera ha la forma di una cavità a goccia, compressa dal lato del giorno (ovvero del Sole) a causa della pressione esercitata dalle particelle in avvicinamento ed estesa dal lato della notte (per approfondimenti puoi vedere anche questo post dedicato a questo tema).

*La magnetosfera è una regione dello spazio all’interno della quale è presente il campo magnetico terrestre, che scherma il pianeta dal flusso di particelle solari e cosmiche. Credit: Nasa/GSFC*

Cosa accadrebbe al nostro pianeta se non avesse un campo magnetico?

Nei pianeti con un campo magnetico estremamente debole e dunque senza magnetosfera (come ad esempio Marte) il vento solare ha spazzato via l’atmosfera (si veda il bel video della NASA). Questo chiaramente sulla Terra non è mai avvenuto (almeno per gli ultimi 3.5 miliardi di anni).

Un campo magnetico terrestre di ridotta intensità implica un minor volume della magnetosfera con maggiore esposizione al vento solare ed ai raggi cosmici. Tuttavia anche un campo debole esercita un effetto di schermo da queste radiazioni. Non sono state trovate infatti, nonostante numerose ricerche sul tema, correlazioni significative tra estinzioni biologiche ed inversioni del campo geomagnetico. D’altra parte, il genere umano è sopravvissuto senza apparenti effetti a molti eventi di ampia instabilità del campo magnetico nel passato (le cosiddette “escursioni geomagnetiche”, tentativi di inversione di polarità non portate a termine) ed anche ad alcune inversioni complete del campo. 780 mila anni fa infatti, all’epoca dell’ultima inversione, l’Homo Erectus era diffuso sul nostro pianeta e non ha subito effetti evidenti. Più in generale, il genere Homo esiste da oltre 2 milioni di anni ed è sopravvissuto ad almeno 5 inversioni principali.

I rischi nel mondo di oggi

Nella nostra civiltà attuale, sempre più criticamente dipendente dalla tecnologia, sono senza dubbio invece da tenere in seria considerazione i potenziali effetti dovuti ad un campo magnetico di intensità fortemente ridotta e con una morfologia molto probabilmente diversa dall’attuale. In questa configurazione infatti ci sarebbe un notevole aumento della penetrazione di particelle cariche nella magnetosfera a quote più prossime alla superficie terrestre, con importanti ripercussioni sul nostro mondo tecnologico.

Il campo magnetico terrestre è una proprietà fisica essenziale del nostro pianeta caratterizzata da una dinamica complessa e vivace, che influisce sull’ambiente Terra nel suo complesso e sulle nostre civiltà tecnologiche. Per questo motivo è importante monitorare le sue variazioni e studiare la sua configurazione e dinamica, sia attuale sia nel corso del passato geologico, mediante le informazioni registrate nelle rocce.

L’INGV è in prima linea in questo tipo di attività, sia con la gestione degli osservatori geomagnetici italiani e antartici, che con un laboratorio di paleomagnetismo, e con un attivo gruppo di tecnici, tecnologi e ricercatori dedicati allo studio delle tematiche legate al geomagnetismo, al paleomagnetismo e allo space weather.

Per approfondire:

Brown M., Korte M., Holme R., Wardinski I. and Gunnarson S., 2018. Earth’s magnetic field is probably not reversing, PNAS, May 15, 2018, vol. 115, no. 20, 5111–5116

Garlinghouse T., 2018. The complex history of Earth’s magnetic reversals

Glatzmaier G. A. and Roberts P.H., A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal, Nature, 377, pages 203–209 (21 September 1995).

Sagnotti, L., Scardia, G., Giaccio, B., Liddicoat, J.C., Nomade, S., Renne, P.R. & Sprain, C.J., 2014. Extremely rapid directional change during Matuyama–Brunhes geomagnetic polarity reversal, Geophys. J. Int., 199(2), 1110–1124.

Sagnotti, L., Giaccio, B., Liddicoat, J.C., Nomade, S., Renne, P.R., Scardia, G. & Sprain, C.J., 2016. How fast was the Matuyama–Brunhes geomagnetic reversal? A new subcentennial record from the Sulmona Basin, central Italy, Geophys. J. Int., 204(2), 798–812.

Valet, J.-P., Fournier, A., Courtillot, V. & Herrero-Bervera, E., 2012. Dynamical similarity of geomagnetic field reversals, Nature, 490, 89–94.

In copertina: Simulazione delle linee di forza del campo nel nucleo terrestre durante un’inversione di polarità (Credit G.A. Glatzmaier)