I jerk geomagnetici, ovvero la bizzarria del campo magnetico terrestre
Il metronomo che segna il ritmo del campo magnetico terrestre, così importante per la vita sulla Terra, a volte sballa. Perchè? Un recente studio propone una plausibile risposta.
di Roberta Tozzi e Paola De Michelis
Il campo magnetico terrestre (guarda le FAQ di geomagnetismo) ha la funzione fondamentale di proteggerci dalla radiazione solare. Tuttavia, non molti sanno che influisce anche su numerose attività umane per il suo ruolo essenziale in tutti gli ambiti in cui l’orientamento magnetico svolge una funzione chiave. Ad esempio, il campo magnetico terrestre consente la definizione della direzione: da quella degli smartphone, a quella degli aerei, fino ad arrivare a quella dei satelliti.
Sebbene il campo magnetico terrestre sembri apparentemente a riposo, di tanto in tanto si esibisce in bruschi e imprevedibili cambiamenti. Questi sono osservati nelle registrazioni eseguite presso gli osservatori magnetici e sono noti come jerk geomagnetici. Questi improvvisi cambiamenti del campo magnetico terrestre possono produrre disagi in tutte quelle attività umane che comportano l’utilizzo di strumenti che fanno affidamento su di esso. Da qui l’esigenza di conoscere il meccanismo che produce i jerk: questo permetterebbe, infatti, di prevederli, sapendo così in anticipo quando essi avverranno. Dalla loro prima scoperta negli anni ‘70, oggi finalmente sappiamo qualcosa di più sulla loro origine.
Cos’è esattamente un jerk geomagnetico?
Supponiamo di misurare il campo magnetico ogni minuto e di eseguire queste misure per qualche decina di anni. Quello che scopriremo è che i valori misurati subiranno sia delle variazioni da un minuto all’altro ma, allo stesso tempo, guardando il grafico nell’insieme, da lontano, osserveremo variazioni molto più lente che avvengono su intervalli temporali dell’ordine della decina di anni e più. Quello che sappiamo è che le variazioni del campo magnetico terrestre che avvengono su intervalli di tempo brevi (inferiori a un anno) hanno una origine attribuibile alla interazione del campo magnetico terrestre con il vento solare, ovvero il flusso di particelle emesso con continuità da Sole. Diversamente, le variazioni che avvengono su intervalli di tempo lunghi (superiori a un anno) sono, invece, da attribuire a cambiamenti di “regime” del motore interno alla Terra che genera il campo magnetico terrestre. Un jerk geomagnetico è una eccezione, un tipo specifico di variazione nel tempo del campo geomagnetico che, pur verificandosi nell’arco di qualche anno, è una variazione da attribuirsi a meccanismi interni alla Terra.
Il jerk geomagnetico è un evento imprevedibile che accelera l’evoluzione del campo magnetico terrestre e che avviene su una scala temporale piuttosto breve: da qualche mese fino a qualche anno. Si può quindi pensare al jerk geomagnetico come ad una repentina variazione della velocità con cui il campo magnetico terrestre cambia nel tempo (variazione secolare).
Per individuare un jerk bisogna, prima di tutto, riportare su un grafico i valori del campo geomagnetico osservando gli intervalli dove, dopo un periodo di costante crescita si osserva una decrescita della variazione secolare, o viceversa. Quando questo avviene, nel grafico (come quello della figura successiva) si osserva una specie di andamento a V (o V rovesciata).
Qualche notizia storica sui jerk
Il jerk geomagnetico è un fenomeno noto da oltre 40 anni da quando, nel 1978, fu individuato per la prima volta da un gruppo di ricercatori francesi analizzando le serie storiche dei dati magnetici raccolti presso i loro osservatori permanenti. Da quella prima scoperta molti studi sono stati rivolti a capire l’origine e le caratteristiche del fenomeno, quali il modo in cui si presentano in zone diverse della superficie terrestre. Nonostante gran parte di questi studi abbiano utilizzato i dati raccolti presso numerosi osservatori magnetici terrestri, solo con l’avvento dei satelliti Swarm dell’ESA (che misurano le variazioni del campo magnetico terrestre dallo spazio) si è stati finalmente in grado di studiarne in modo dettagliato la struttura sull’intera superficie terrestre e di avanzare nuove spiegazioni sulla loro possibile origine. Questo deriva dal fatto che gli osservatori geomagnetici si trovano sulle sole terre emerse che, ricordiamo, rappresentano circa il 30% dell’intera superficie terrestre. Le misure eseguite a bordo di satelliti, invece, riguardano l’intero globo terrestre.
Perché i jerk sono così interessanti?
Dopo la loro osservazione nel ‘78, una delle prime cose scoperte sui jerk geomagnetici è stata la loro origine interna. Questo vuol dire che i jerk sono una manifestazione di quella parte del campo magnetico terrestre (che ne costituisce più del 95% del totale) prodotta all’interno del nucleo fluido della Terra. Siccome i jerk rappresentano una espressione dei cambiamenti del campo magnetico di origine interna, la rapidità con cui si verificano implica che siano dovuti ad altrettanto rapidi cambiamenti del flusso di fluido presente nel nucleo esterno della Terra, motore del campo magnetico terrestre. Dunque, comprendere le caratteristiche e l’origine dei jerk consente di trarre informazioni su quei processi fisici per i quali non è possibile ottenere informazioni dirette.
Infatti, sappiamo che il campo magnetico terrestre è prodotto nel nucleo fluido attraverso il meccanismo della convezione che avviene a seguito della differenza di temperatura che c’è tra il nucleo interno (molto caldo) e il nucleo esterno (più freddo). Ciò genera, nel nucleo terrestre, zone a temperature diverse: più calde quelle a contatto con il nucleo interno e più fredde quelle più lontane. Perciò, come in una pentola in cui bolla dell’acqua, il materiale a contatto con la sorgente di calore (in questo caso il nucleo interno) scaldandosi diminuisce di densità e sale, quello più lontano si raffredda e affonda. Questo moto convettivo, che avviene all’interno del nucleo fluido della Terra dove è accelerato e modificato dalla forza di Coriolis legata alla rotazione terrestre, produce variazioni del campo magnetico terrestre su tempi dell’ordine dei 100 anni.
Ma allora i jerk, che avvengono su scale temporali di pochi anni, come sono prodotti? Il meccanismo non è stato ancora stabilito con esattezza, la loro origine è tuttora avvolta nel mistero. Un recente studio sembra però fornire nuove e interessanti indicazioni sui meccanismi fisici alla base di questo fenomeno.
Cosa suggerisce questo nuovo studio?
Attraverso una simulazione al computer, nella quale sono state riprodotte condizioni fisiche molto simili a quelle proprie del nucleo terrestre, un team di ricercatori francesi e tedeschi è riuscito a ricostruire le variazioni del campo magnetico terrestre. La novità è che, per la prima volta, la simulazione è riuscita a riprodurre non soltanto le variazioni lente del campo magnetico terrestre, che avvengono su scale temporali dell’ordine di qualche decina di anni, ma anche quelle che avvengono su scale temporali di qualche anno e che potrebbero essere all’origine dei jerk. Questo finora aveva rappresentato un limite computazionale che non era mai stato superato.
Secondo i risultati di questa simulazione i jerk sarebbero originati dal distacco, in corrispondenza del confine tra nucleo solido e fluido, di materiale che darebbe origine a potenti onde idromagnetiche durante la sua risalita verso l’alto. Infatti, queste onde si propagherebbero lungo le linee di forza del campo magnetico creando dei bruschi cambiamenti nel flusso del fluido presente nel nucleo esterno della Terra. A loro volta, questi cambiamenti provocherebbero quelle variazioni del campo magnetico terrestre che avvengono nell’arco di pochi anni e che indichiamo col nome di jerk.
Questa scoperta ci consente di conoscere meglio i processi legati al nucleo interno della Terra e, dunque, al motore del campo magnetico terrestre. La capacità di riprodurre con delle simulazioni numeriche i jerk ci offre un nuovo modo per sondare le proprietà fisiche dell’interno della Terra.
Perché questa scoperta è così importante?
Questa scoperta è importante per due motivi. Il primo consiste nel fatto che ora conosciamo meglio i processi legati al nucleo interno della Terra e, dunque, al motore del campo magnetico terrestre. La capacità di riprodurre con delle simulazioni numeriche i jerk offre un nuovo modo per sondare le proprietà fisiche dell’interno della Terra.
Il secondo consiste nel fatto che la conoscenza del meccanismo che produce i jerk potrebbe permettere di prevederli e dunque conoscere in anticipo quando essi avverranno. L’incapacità di stabilire l’origine dei jerk geomagnetici ha fatto sì che questo fenomeno abbia rappresentato per anni uno dei principali ostacoli alla previsione pluriennale del comportamento del campo magnetico terrestre. Essere dunque in grado di riuscire a prevedere meglio i cambiamenti del campo magnetico terrestre permetterà l’elaborazione di modelli che potranno essere d’aiuto anche a tali dispositivi oltre, ovviamente, a garantire l’accuratezza del posizionamento di sistemi come il GPS, la navigazione satellitare ed aerea.
Immagine di copertina: Visualizzazione dell’interno del nucleo terrestre ottenuto da una simulazione numerica della geodinamo. In arancione le linee di forza del campo magnetico terrestre, in blu e rosso la segnatura del moto convettivo. Credits: ©Julien AUBERT / IPGP / CNRS Photothèque
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