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Il campo magnetico terrestre è soggetto a continue variazioni temporali. Queste variazioni, che possono essere di diversa natura, sono suddivise in due classi principali: variazioni a lungo e a breve termine. Le prime sono dovute all’azione delle sorgenti profonde interne alla Terra, le stesse che generano il campo principale, e hanno un tempo caratteristico minimo variabile tra 5 e 10 anni.

Le variazioni di origine interna sono:

 

Variazione secolare

Il termine variazione secolare viene normalmente utilizzato per indicare l’insieme delle variazioni del campo geomagnetico che si verificano in periodi di tempo compresi tra pochi anni e qualche decina di migliaia di anni.
L’ampiezza di queste variazioni, per un dato luogo di osservazione, oscilla tra pochi nT e qualche decina di nT all’anno per le componenti intensive (X, Y, Z, H and F) e da qualche primo a qualche decina di primi l’anno per l’inclinazione (I) e la declinazione (D).

diagramma

Diagramma della variazione secolare per l’Italia centrale. Nel diagramma le variazioni di D e I sono riportate in proiezione stereografica dall’anno 1600 ad oggi. 

grafici

Andamento delle tre componenti Cartesiane (X, Y e Z) del campo magnetico registrate presso l’osservatorio geomagnetico di L’Aquila.

Anche se la variazione secolare sembra mostrare andamenti diversi nei vari osservatori del mondo è una caratteristica del campo principale e, per questa ragione, è rappresentativa di un fenomeno planetario. Le caratteristiche più salienti di questo tipo di variazione, che sono state dedotte osservando l’andamento temporale del campo magnetico misurato sulla superficie del pianeta nel corso degli ultimi 400 anni, sono:

  • una diminuzione annuale media del momento di dipolo dell’ordine dello 0.005% del suo valore medio in questo intervallo;
  • una precessione verso ovest dell’asse del dipolo di 0.008% all’anno;
  • uno spostamento del dipolo verso nord dell’ordine di 2 km all’anno;
  • una deriva occidentale del campo non dipolare, o parte di esso, di 0.2°-0.3° all’anno, accompagnata da una possibile ma non ben precisa deriva meridionale;
  • una variazione d’intensità del campo non dipolare al tasso medio di circa 10 nT all’anno.


I jerk

Oltre a queste caratteristiche regolari, la variazione secolare è spesso contraddistinta anche da fenomeni irregolari quali: i jerk geomagnetici (sulle scale di tempo più corte) e le inversioni di polarità del campo geomagnetico (sulle scale di tempo più lunghe).

Lo studio di entrambi i fenomeni è particolarmente interessante per la comprensione dei processi dinamici interni al pianeta responsabili della formazione del campo magnetico.

Con il termine "jerk geomagnetico" si indica un rapido cambiamento nella pendenza della variazione secolare di una qualsiasi delle componenti del campo geomagnetico. Questa variazione si verifica su una scala di tempo dell’ordine di 1 anno ed è osservabile nell’andamento della variazione secolare di molti osservatori geomagnetici. Molti dei jerk verificatisi nel corso dell’ultimo secolo sono osservabili su scala globale, altri, invece su scala regionale.
Il primo jerk è stato individuato alla fine degli anni ’70. Da allora, utilizzando tecniche diverse ne sono stati individuati altri, rispettivamente negli anni: 1901, 1913, 1925, 1932, 1949, 1958, 1969, 1978, 1986, 1991 e 1999. La figura sotto riporta la variazione secolare della componente Y del campo geomagnetico in funzione del tempo per due diversi osservatori. L’andamento della variazione secolare, ovvero della derivata prima rispetto al tempo del campo magnetico, mostra chiaramente la presenza di rapidi cambiamenti di pendenza e quindi di jerk.

jerk

Variazione secolare della componente Y misurata presso gli osservatori di Chambon la Foret e Tucson. Le rette evidenziano periodi in cui la variazione secolare ha una pendenza costante, in corrispondenza delle intersezioni si verificano repentini cambiamenti di pendenza, ovvero i jerk geomagnetici.

Attualmente l’ipotesi più accreditata sull’origine dei jerk è quella secondo la quale questi fenomeni hanno origine all’interno della Terra essendo legati alla dinamica dei fluidi del nucleo esterno. In passato questa ipotesi è stata da alcuni messa in dubbio, attribuendo ai jerk un origine esterna, probabilmente legata agli effetti indotti dal ciclo solare.
Dunque, assumendo che i jerk siano fenomeni di origine interna, si capisce come il loro studio rivesta un ruolo di rilievo nel geomagnetismo per la comprensione dei meccanismi che generano il campo magnetico stesso ma anche per lo studio delle proprietà di conducibilità del mantello. Infatti, se tale segnale fosse realmente di origine interna, questo implicherebbe dei limiti ben precisi sui valori della conducibilità del mantello attraverso cui il campo si propaga.
Dallo studio dei jerk globali del 1969, 1978 e 1991 ci si è accorti che, di solito, questo fenomeno si osserva prima nei dati magnetici degli osservatori dell’emisfero Nord e successivamente, con un ritardo di 1-2 anni, in quelli dell’emisfero Sud.

Il jerk del 1969

Il jerk del 1969 è stato il primo ad essere rivelato. La sua scoperta risale alla fine degli anni ’70 quando un gruppo di ricercatori francesi si accorse che le registrazioni dei dati magnetici effettuate presso i loro osservatori mostravano,  intorno al 1969, un rapido cambiamento di pendenza nella curva della variazione secolare (cioè della derivata temporale prima del campo geomagnetico). Da allora hanno avuto inizio molteplici studi volti alla comprensione qualitativa e quantitativa del fenomeno.
Sotto è riportata una mappa che mostra una delle caratteristiche più interessanti dei jerk geomagnetici, ovvero quella di essere osservabili prima nell’emisfero settentrionale e poi in quello meridionale. Questo tipo di distribuzione è tipica anche di altri eventi.

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Mappa della distribuzione spaziale dei tempi di ritardo con cui il jerk del 1969 è stato osservato presso diversi osservatori geomagnetici (stelle verdi). Nelle zone colorate in bianco il jerk è stato osservato nel 1970, in quelle rosse è stato osservato in anticipo rispetto al 1970 e in quelle blu in ritardo

Il jerk del 1978

Come nel caso dei jerk del 1969 e del 1991, per il jerk del 1978 si ottiene una distribuzione spaziale dei tempi di ritardo caratterizzata da un anticipo del jerk nell’emisfero Nord e un ritardo nell’emisfero Sud. 

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Mappa della distribuzione spaziale dei tempi di ritardo con cui il jerk del 1978 è stato osservato presso diversi osservatori geomagnetici (stelle verdi). Nelle zone colorate in bianco il jerk è stato osservato nel 1979, in quelle rosse è stato osservato in anticipo rispetto al 1979 e in quelle blu in ritardo

Il jerk del 1991

L’analisi temporale delle variazioni del campo magnetico terrestre, misurate presso osservatori di tutto il mondo, ha evidenziato la possibile esistenza di un jerk nel 1991. Il carattere planetario e la distribuzione spazio-temporale di tale evento sono state studiate analizzando la variazione secolare delle tre componenti del campo geomagnetico (X, Y e Z) in 27 differenti osservatori geomagnetici. L’analisi dei risultati ottenuti mostra chiaramente la non simultaneità dell’evento su scala globale.

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Mappa della distribuzione spaziale dei tempi di ritardo con cui il jerk del 1991 è stato osservato presso diversi osservatori geomagnetici (stelle verdi). Nelle zone colorate in bianco il jerk è stato osservato circa nel 1992, in quelle rosse è stato osservato in anticipo rispetto al 1992 e in quelle blu in ritardo


Inversioni di polarità del campo geomagnetico

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L’ipotesi che il campo magnetico terrestre non sia sempre stato orientato come è oggi e abbia invertito la propria polarità più volte nel corso della sua storia, ha trovato conferma solo intorno agli anni ’60 a seguito di studi di paleomagnetismo condotti su campioni di roccia provenienti da fondi oceanici. Sebbene quello delle inversioni di polarità del campo geomagnetico sia uno dei più interessanti fenomeni geofisici, i meccanismi che avvengono nel nucleo terrestre e che sono responsabili di tali inversioni sono ancora poco conosciuti. 
Da un punto di vista teorico, tuttavia, la possibilità che il campo magnetico terrestre possa invertire la propria polarità è noto. Infatti, le equazioni che governano l’evoluzione della dinamica dei fluidi interni al nucleo terrestre ammettono due possibili soluzioni per il campo magnetico ugualmente stabili: una in cui il campo di polarità è normale l’altra in cui il campo magnetico ha una polarità inversa. Ciò che sicuramente ancora oggi non è molto chiaro è il motivo per cui la Terra operi in due regimi: uno in cui hanno luogo le inversioni ed uno in cui quest’ultime non avvengono. Sembra comunque che un ruolo fondamentale sia svolto dai cambiamenti delle condizioni fisiche alla superficie di separazione nucleo-mantello.

Le più recenti scale di polarità del campo geomagnetico (vedi figura sotto) mostrano che negli ultimi 166 milioni di anni sono avvenute più di 300 inversioni complete del campo.  Infatti, è stato trovato che il verso della parte dipolare del campo geomagnetico si inverte in media ogni 300.000-1.000.000 di anni. L’intervallo di tempo tra una inversione e l’altra è molto variabile, può andare dai 40.000 ai 35.000.000 di anni e finora non sono state trovate periodicità o regolarità nel susseguirsi delle inversioni. Infatti, lunghi intervalli in cui il campo ha mantenuto la stessa polarità possono essere seguiti da brevi intervalli con polarità opposta.

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Scala di polarità del campo geomagnetico a partire dal tardo Giurassico

Un intervallo temporale in cui una certa polarità è stata predominante è detto crono: lunghezze tipiche sono dell’ordine degli 0.1-1 milioni di anni.
Croni estremamente lunghi sono detti supercroni. I croni sono generalmente interrotti, ad intervalli irregolari, da periodi più corti con polarità opposta a quella del crono e della durata di circa 20.000-50.000 anni, questi sono detti subcroni. A volte i record di polarità mostrano grandi deviazioni dei poli dalle situazioni di campo normale o inverso, ma la polarità non cambia completamente, il polo segue un movimento erratico verso le latitudini equatoriali ma ritorna nella sua posizione iniziale in meno di 10.000 anni: questo fenomeno è detto escursione magnetica.


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