O que causa o campo magnético da Terra?

Em algumas noites geladas, a natureza pinta a tela escura acima do Círculo Ártico com leves pinceladas de amarelo e verde. Os tons oscilantes e fluorescentes são reconhecidos como uma das mais belas e queridas obras de arte da natureza. Esta exposição de luzes ondulantes é comumente referida como as luzes do norte.

Aurora boreal

Aurora boreal aurora boreal. (Crédito da foto: Pixabay)

A exibição esplêndida é, na verdade, um resultado de raios cósmicos extremamente prejudiciais emitidos pelo Sol interagindo com o campo magnético da Terra. Se este campo não existisse, a camada de ozônio teria sido queimada em pedaços e teríamos sido impiedosamente fritos. Foi o que aconteceu com Marte quando seu campo magnético diminuiu gradualmente e expirou. Então, o que causa esse campo magnético?

O Básico: Lei de Ampere e Faraday

O campo magnético não protege a Terra como as paredes espessas de um forte, parece-se com uma fina cortina ou um manto que encobre a cúpula azul. Muitas vezes é difícil acreditar que é cerca de 40.000 vezes mais fraco do que um mero imã de geladeira!

O campo magnético da Terra se comporta como se uma coluna vertical entre os pólos fosse escavada e um ímã de barra padrão fosse plantado na cavidade. No entanto, o ímã não está alinhado perfeitamente com os pólos, é ligeiramente inclinado. Além do mais, descobrimos que as linhas magnéticas correm do pólo sul em direção ao pólo norte. Isto implica que o norte magnético está situado ao lado do sul geográfico, enquanto o sul magnético reside ao longo do norte geográfico.

Campo magnético da Terra. Crédito da foto: Peter Hermes Furian / Shutterstock

Agora, como os lados opostos de um ímã atraem, quando a agulha vermelha ou o pólo norte magnético de uma bússola desvia e aponta para o norte geográfico, ela está sendo atraída pelo pólo magnético sul do ímã da barra imaginário da Terra.

O que o físico Ampere descobriu foi que tal deflexão também pode ser observada em torno de um fio condutor atual. Colocando a bússola em locais diferentes na vizinhança de um fio, ele discerniu a direção do campo magnético. Ele descobriu que as linhas percorrem o fio em círculos concêntricos. A principal implicação é que eletricidade ou cargas móveis geram um campo magnético.

Ampères compas

As pessoas acreditavam que a relação era unidirecional até que Faraday mostrou que eletricidade e magnetismo são dois lados da mesma moeda. Faraday observou que a corrente é induzida em um fio quando um ímã é movido ao redor dele. Movimento é a palavra estressada. Não é a presença de um ímã estacionário, mas um imã móvel, um campo magnético variável que induz o campo elétrico.

Mas de acordo com Ampere, um campo elétrico gera um campo magnético, que, como aprendemos, gera um campo elétrico, que gera um campo magnético e assim por diante. O que é criado é um ciclo auto-sustentado de campos elétricos e magnéticos. É assim que funciona uma luz dínamo montada em uma bicicleta: quando pedalamos, essencialmente, um fio é girado em torno de um imã fixo ou um ímã é girado em torno de uma bobina fixa – não importa qual configuração você use, o dínamo ou gerador depende de uma relação simbiótica entre cargas móveis e magnetismo. O campo magnético da Terra também é gerado pelo mesmo princípio.

Luz do dínamo na bicicleta

Dínamo de luz em uma bicicleta. (Crédito da foto: Gavin Anderson / Flickr)

O Efeito Dínamo

Se você abrisse a tampa da Terra como uma Kinder Joy, encontraria dentro de um núcleo sólido mergulhado em um líquido viscoso. Juntos, eles constituem o núcleo da Terra: o líquido derretido infernal é conhecido como o núcleo externo, enquanto o núcleo sólido, que tem dois terços do tamanho da lua afundada nele, é chamado núcleo interno.

O núcleo interno queima a 6.000 ° C, que é quase igual à temperatura na superfície do Sol, no entanto, o núcleo é contra-intuitivamente sólido e não líquido devido à forte pressão gravitacional da Terra. É principalmente ferro sólido e, como estudos mais recentes estão descobrindo, possivelmente oxigênio e enxofre também. Considerando que, o núcleo externo, que possui uma temperatura de 2200 º C, é principalmente de ferro fundido, fundido misturado com um tom de níquel. Nós acreditamos que é este ferro fundido que gera o campo magnético da Terra.

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O nucleo

Núcleo da Terra. (Crédito da foto: Naeblys / Shutterstock)

Agora, porque não podemos espiar dentro do núcleo, só podemos inferir as causas de suas propriedades magnéticas com base na física teórica e no estudo de rochas ígneas. A teoria mais plausível é análoga a, como mencionado, um dínamo. Segundo ele, é o movimento do ferro fundido – um excelente condutor por ser um oceano de partículas eletricamente carregadas – que dá forma a um campo magnético. O campo magnético resultante interage com as cargas fluidas para gerar um campo elétrico e o ciclo continua a sustentar um campo magnético perpétuo. Isso é conhecido como um dínamo geomagnético.

However, the dynamo mounted on a cycle requires the energy of the cyclist to rotate the pedal. Similarly, the movement of molten fluid can only be achieved at the expense of energy, but what is the source of this energy? We currently believe that the energy arises from the convection or heat currents in the outer core when lighter iron sinks towards the inner core and eventually condenses into the solid. Condensation is essentially a loss of heat, and it is this heat that fuels the waves of molten iron. The magnitude of Earth’s magnetic field is so small because 99% of it is confined to the core. Only a meager portion escapes it to form the outer veil.

Correntes de convecção no núcleo

As perturbações no núcleo externo se espalharam como as perturbações do tempo. Suas trajetórias se curvam, ondulam e espiralam quando se espalham para fora como redemoinhos, distorcendo assim o campo magnético gerado. No entanto, a rotação da Terra incute a simetria em seus padrões. A rotação alinha os campos magnéticos ao acaso, uma vez que faz com que a corrente seja um pouco simétrica em torno do eixo. Essa força é chamada de força de Coriolis. O alinhamento combina a infinidade de campos minúsculos para formar um campo magnético gigante, um campo magnético semi-uniforme que é uma reminiscência do campo que emana de um ímã de barra.

Assim, o campo magnético da Terra é produzido pelos efeitos combinatórios das correntes de convecção e da rotação da Terra. Apesar de girar quase na mesma velocidade que a Terra, Marte não é protegido por um campo porque não promove um dínamo como a Terra. A matemática diferencial não-linear envolvida na compreensão das perturbações, como a matemática envolvida em fazer previsões meteorológicas, é tremendamente difícil e, portanto, limitou nossa compreensão do campo magnético da Terra. Ainda assim, os supercomputadores nos permitiram simular os prováveis ​​mecanismos e comportamento das turbulências que não apenas sintetizam, mas uma vez em uma lua azul,  invertem ou invertem os pólos!

Referências:

  1. Physics.org
  2. Serviço Público de Radiodifusão (PBS)
  3. Recursos naturais do Canadá
  4. Americano científico

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