Magnetismo terrestre e bussola

Il campo magnetico terrestre ricopre un ruolo fondamentale non solo per la protezione della vita sulla Terra, comportandosi da scudo contro particelle nocive provenienti dallo spazio, ma anche per la possibilità di "leggerlo" con le bussole e sfruttarlo per l'orientamento.

Il problema dell'orientamento

Sin dai tempi remoti l'Uomo ha avuto bisogno di spostarsi. I trasporti, gli scambi commerciali, i viaggi di scoperta avevano tutti un comune problema: sapere in che direzione ci si sta muovendo. L'osservazione delle stelle di notte permetteva di orientarsi prendendo a riferimento le stelle e il loro moto circolare attorno a un punto virtuale che al momento si trova nei pressi della stella polare.

Moto circolare delle stelle attorno alla stella polare
Rotazione delle stelle attorno alla stella polare - Foto di dom1706 da Pixabay

E di giorno come si faceva senza riferimenti particolari? Be', si poteva usare il moto del sole: stando a terra e immobili in uno stesso punto, si poteva effettivamente sfruttare il sole per individuare i punti cardinali Est/Ovest (punti in cui sorge e tramonta la nostra stella). Il metodo, tuttavia, rimaneva non precisissimo visto che in base alle stagioni le posizioni in cui il sole sorge e tramonta possono variare anche un bel po' e gli unici giorni in cui queste posizioni corrispondono precisamente ai punti cardinali sono gli equinozi di primavera e autunno.

Posizione est e ovest all'equinozio di primavera
Equinozio di primavera
Posizione est e ovest al solstizio d'estate
Solstizio d'estate
Posizione est e ovest all'equinozio di autunno
Equinozio di autunno
Posizione est e ovest al solstizio d'inverno
Solstizio d'inverno

In soccorso dell'umanità intera venne una scoperta da parte degli antichi cinesi che si accorsero che pezzi sottilissimi di metallo, magnetizzati e liberi di muoversi, si orientavano sempre in una direzione, quella del Nord. Avevano scoperto il campo magnetico terrestre anche se all'inizio non pensarono di sfruttarne le proprietà per l'orientamento.
Quando compresero che riuscire a determinare la posizione del Nord poteva tornare utile, applicarono questa scoperta e inventarono un oggetto che tutti noi conosciamo molto bene: la bussola.

La bussola si diffuse in Europa a partire dal 1200 grazie ai contatti tra le Repubbliche Marinare (in particolare Amalfi e Venezia) con gli Arabi. È possibile che lo stesso Marco Polo abbia contribuito a diffonderne il suo utilizzo di ritorno dai suoi viaggi in Asia.

Bussola magnetica e campo magnetico terrestre

Campi vettoriali e campo magnetico

Il campo magnetico è una grandezza fisica descrivibile compiutamente come campo vettoriale, quindi è caratterizzato da un'intensità, una direzione e un verso (per maggiori informazioni leggete il nostro articolo sui vettori).
La presenza di un campo vettoriale fa sì che ogni punto dello spazio sia soggetto alle forze di campo con particolari caratteristiche di intensità, direzione e verso, appunto. Un esempio di campo vettoriale con cui abbiamo a che fare tutti i giorni è quello della distribuzione dei venti in una particolare zona: infatti in ogni punto il vento ha una particolare intensità, direzione e verso.

Campo vettoriale dei venti

Tutti i campi vettoriali possono essere visualizzati attraverso le linee di campo che sono delle linee virtuali tangenti in ogni punto alla direzione del campo stesso.
Nel caso di campo magnetico prodotto da dipolo magnetico, queste linee uniscono i poli del magnete che sono chiamati, convenzionalmente, polo Nord (rosso) e polo Sud (blu). Le linee di campo di un comune magnete sono uscenti dal polo Nord e sono entranti nel polo Sud. Per ricordare facilmente il verso di questo campo, possiamo pensare al rosso e al blu indicanti i poli come temperature: il rosso sarà caldo e il blu sarà freddo. Come il calore passa dal caldo al freddo, così il verso del campo magnetico andrà dal Nord (caldo) al Sud (freddo).

Verso del campo magnetico

Da qualche reminescenza dei nostri studi e da qualche esperienza coi magneti, dovremmo sapere che poli opposti si attraggono mentre poli identici si respingono. Quindi polo Nord e polo Sud di due diversi magneti si attrarranno (e si allineeranno) mentre i poli Nord (o i poli Sud) di due diversi magneti si respingeranno.

Magneti che si attraggono
Magneti che si respingono

Il campo magnetico terrestre

Come tanti altri corpi celesti anche la Terra ha un proprio campo magnetico. La sua formazione non è ancora del tutto chiara ma è probabilmente dovuta ai moti convettivi all'interno del nucleo della Terra e fa sì che la Terra stessa si comporti come un dipolo magnetico gigante, quindi con un Polo Nord magnetico e un Polo Sud magnetico.

Campo magnetico terrestre
Campo magnetico terrestre - animazione di quantumacid

Il geomagnetismo è caratterizzato da diverse peculiarità:

  • innanzitutto, il campo magnetico terrestre non è fisso e varia di anno in anno, portando i poli magnetici a muoversi continuamente e a non coincidere coi poli geografici. Attualmente il Nord magnetico si trova a nord dello stretto di Bering, tra Russia e Alaska;
  • Movimenti del nord magnetico
    Osservazioni sulla posizione del Nord Magnetico - credits: Cavit, Link
  • il campo magnetico terrestre non è costante a causa delle diverse caratteristiche del sottosuolo e può variare anche di molto da zona a zona;
  • l'asse magnetico non coincide con l'asse di rotazione della Terra e non passa nemmeno per il centro del pianeta;
  • le linee di flusso escono dall'emisfero sud per rientrare nell'emisfero nord.

Quest'ultima caratteristica ci fa capire che il dipolo magnetico è invertito e che il Polo Nord del dipolo magnetico (da cui escono le linee di campo) si trova nell'emisfero sud mentre Polo Sud del dipolo magnetico (in cui rientrano le linee di campo) si trova nell'emisfero nord.
Per questo motivo le nostre bussole puntano il Nord, perché il loro polo Nord è attratto dal polo Sud del dipolo magnetico terrestre che, appunto, si trova nell'emisfero nord.

Orientazione del dipolo del campo magnetico terrestre

Tuttavia, per evitare confusione, si preferisce convenzionalmente parlare di Nord magnetico e Sud magnetico in modo separato dall'accezione fisica del dipolo. Quindi il Nord magnetico sarà nell'emisfero Nord (boreale) e il Sud magnetico nell'emisfero Sud (australe).

Nord e Sud geografici e magnetici

La declinazione magnetica

Come abbiamo già detto, il Nord geografico e Nord magnetico non coincidono e, in base a dove siamo posizionati sulla Terra, il loro scostamento può essere anche molto significativo. Questo scostamento si chiama declinazione magnetica (d) ed è un dato che deve essere utilizzato per correggere la lettura della bussola.
Prendiamo ad esempio due bussole in una posizione 1 e posizione 2: come si vede dall'immagine qui in basso, stando in posizione 1, Nord magnetico (punto verde) e Nord geografico (punto rosso) sono esattamente allineati quindi per la bussola in posizione 1 la declinazione sarà nulla; al contrario, la bussola in posizione 2 punterà verso il Nord magnetico e l'angolo che possiamo individuare tra la la direzione puntata dalla bussola e quella del Nord geografico è proprio la declinazione magnetica.

Declinazione magnetica

Alcuni modelli ci permettono di calcolare e prevedere come cambierà la declinazione magnetica in base alla nostra posizione.

Qui di seguito viene presentata per curiosità un'animazione in cui si vede come i valori di declinazione variano nel corso del tempo (in questo caso dal 1890 al 1990). È per questo che nelle carte nautiche è indicato sempre il valore della declinazione in un determinato anno e la sua variazione annuale, in modo che sia sempre possibile calcolare il valore al momento del tracciamento delle rotte.

Variazione della declinazione magnetica dal 1890 al 1990
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