Quando i poli vanno a spasso

A differenza dei poli geografici, che siamo abituati a pensare fissi, i poli magnetici della Terra si muovono in modo imprevedibile, coprendo anche grandi distanze nel corso dei secoli, come conseguenza della lenta e continua variazione del campo magnetico terrestre.

di Mauro Regi, Stefania Lepidi e Domenico Di Mauro

I poli geografici della Terra, apprendiamo già ai primi anni di scuola, sono quei punti in cui l’ideale asse di rotazione del pianeta “buca” la superficie terrestre. I poli nord e sud, diametralmente opposti, sono i punti chiave di ogni sistema cartografico che descriva il nostro pianeta. Saremmo subito portati a pensare che i poli magnetici della Terra siano qualcosa di analogo a quelli geografici. Scopriamo invece che vi sono due profonde differenze:

1) I poli magnetici e quelli geografici non coincidono e distano centinaia di chilometri l’uno dall’altro, cosicché qualsiasi sistema cartografico basato sui poli magnetici è necessariamente differente da quello geografico;

2) i poli magnetici si muovono nel tempo in un moto apparentemente casuale, forzandoci ad un continuo aggiornamento delle carte e dei sistemi di orientamento basati sul campo magnetico terrestre.

Entrambi i poli magnetici, rigorosamente individuati da misure in loco, hanno mostrato nel tempo una lenta migrazione con velocità dell’ordine di alcune decine di km l’anno, coprendo circa 1000 km negli ultimi 120 anni. E’ stato osservato che i due poli si muovono in maniera indipendente, con velocità diverse. A metà degli anni ’90 il polo nord magnetico ha accelerato, passando da circa 15 km l’anno a circa 55 km l’anno, mentre il polo sud magnetico ha “sterzato”, cambiando direzione.

Questo moto inaspettato si intuisce non appena si comprende come si genera il campo magnetico del nostro pianeta. Esso è generato da correnti elettriche circolanti nella parte fluida del nucleo terrestre dovute ai moti convettivi del ferro liquido, elettricamente molto conduttivo e costituente principale del nucleo. È un campo molto esteso che riempie lo spazio intorno alla Terra fino a distanze di diversi raggi terrestri. Costituisce uno scudo che devia efficacemente gran parte delle particelle cariche provenienti dalla nostra stella: senza di esso le particelle cariche emesse dal Sole potrebbero strappar via, direttamente o indirettamente, la nostra atmosfera e persino l’acqua, rendendo impossibile la vita sulla Terra, trasformandola in un pianeta inospitale, similmente a Marte (per approfondire l’argomento puoi leggere anche questo post).

Volendo sperimentare la forma di questo campo magnetico, dovremmo dotarci di una bussola il cui ago possa orientarsi liberamente nello spazio. Più semplicemente, la direzione verso cui punta l’ago di una comune bussola è pressoché la stessa in un qualunque punto sulla superficie terrestre: quella che va dal polo sud al polo nord magnetico, con diverse inclinazioni, sempre crescenti verso i poli. Già Cristoforo Colombo, nei suoi quattro viaggi transatlantici dal 1492 al 1502, scoprì che l’ago magnetico non puntava al Nord vero. Ai giorni nostri, similmente a quanto accadeva in passato, la navigazione aeronavale viene controllata facendo riferimento a delle mappe del campo geomagnetico; nasce dunque l’importanza di conoscerlo quanto più esattamente possibile, seguendolo nei suoi cambiamenti. Per un approfondimento delle caratteristiche del campo magnetico ti rimandiamo a questo post.

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Ricostruzione delle linee del campo magnetico terrestre e comportamento delle bussole, dall’equatore al polo. Si noti la differenza fra polo geografico e polo magnetico.

Oltre alle misure in loco, esiste la possibilità di determinare indirettamente la posizione dei poli tramite modelli matematici globali del campo geomagnetico, ottenuti partendo da misure effettuate presso gli osservatori magnetici (distribuiti sulla superficie del pianeta) integrati con dati aeronavali e da satellite. Questi modelli vengono generalmente aggiornati con una cadenza quinquennale. L’ultimo aggiornamento è stato effettuato nel 2015, ma già all’inizio del 2018 ci si è resi conto che la posizione del polo nord magnetico stava discostandosi così tanto da rendere poco accurati i sistemi di navigazione. Si è reso necessario l’aggiornamento del modello già all’inizio del 2019, con quasi due anni di anticipo. Una ricostruzione di come i due poli siano migrati nel corso degli ultimi anni, dal 1905 al 2020 (previsione) a partire dai modelli, è mostrato nella seguente animazione: è interessante notare come intorno agli anni ‘90 si sia manifestata un’accelerazione del polo Nord ed un cambio di direzione del polo Sud.

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Migrazione dei poli magnetici Nord (in alto) e Sud (in basso) dal 1905 al 2020, calcolati mediante il modello di campo geomagnetico IGRF. Il polo Nord sta puntando dal Canada verso la Siberia, mentre il polo Sud, che inizialmente si muoveva anche verso l’equatore, negli ultimi anni si sta spostando essenzialmente verso ovest. Crediti dell’immagine: M. Regi, S. Lepidi, D. Di Mauro.

Un’opportunità in più per la determinazione della posizione dei poli, rispetto alle difficili misure da terra a causa della collocazione in aree poco accessibili, è offerta da satelliti di bassa quota come quelli finanziati dall’ESA (Agenzia Spaziale Europea), i recenti Swarm, una costellazione di tre satelliti lanciati nel novembre 2013 e ad oggi ancora operativi. Questi satelliti compiono orbite polari in circa 90 minuti, e la loro orbita si sposta verso ovest, coprendo la superficie terrestre in 24 ore.

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L’orbita dei tre satelliti Swarm dell’ESA. I due satelliti che viaggiano in tandem si trovano ad una quota media di circa 460 km, mentre l’altro, spostato più ad ovest, è collocato su un’orbita ad una quota media di 530 km. Essi viaggiano ad una velocità di circa 8 km al secondo. Crediti dell’immagine: ESA.

L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), si occupa da decenni dello studio del campo magnetico terrestre, effettuando il monitoraggio del campo magnetico terrestre sia su area nazionale che in Antartide, dove gestisce l’osservatorio geomagnetico Mario Zucchelli e, nell’ambito di una collaborazione italo-francese, l’osservatorio di Concordia. Recentemente, grazie ai dati registrati dagli strumenti a bordo dei satelliti Swarm, vari tipi di studi sulle caratteristiche del campo magnetico terrestre sono stati condotti da alcuni ricercatori dell’INGV. In particolare è stata ricostruita sperimentalmente la posizione dei poli magnetici e i risultati preliminari di questi studi sono stati presentati a congressi nazionali e internazionali.