Magnetismul terestru

Magnetismul terestru

Evidentierea unui camp magnetic al Pamantului a fost facuta o data cu inventarea busolei in secolul al XI-lea de catre chinezi.

Proprietatea globului terestru de a se comporta ca un dipol magnetic poarta numele de magnetism terestru. Polii magnetici ai Pamantului in care converg liniile de forta magnetica (Fig. 1) nu se suprapun peste polii geografici ai Pamantului. De altfel si axa polilor magnetici face un unghi de aproximativ 11⁰ cu axa de rotatie a Pamantului.

Campul magnetic terestru prin crearea centurilor Van Allen formeaza un fel de umbrela magnetica capabila sa protejeze viata de pe Pamant de actiunea distructiva a radiatiilor care vin din spatiul cosmic si de la Soare.

Campul magnetic se manifesta in jurul globului pana la o distanta care poate sa atinga circa 10 raze terestre. Este asa-numita magnetosfera marginita la partea superioara de magnetopauza. Magnetosfera ca si patura de ozon contribuie la protejarea Terrei de radiatiile ionizate. Ea este responsabila a fenomenului de aureola boreala (Aurora boreala se datoreaza captarii de particule cosmice ionizate in vecinatatea polilor magnetici).

	Fig. 1 Liniile de camp magnetic ale Pamantului

Sursa fundamentala a campului magnetic se presupune a fi interna Pamantului fiind plasata foarte profund. Se leaga probabil de fenomenele de convectie termica din jumatatea externa, lichida a nucleului terestru situata intre 3000 si 5000 km adancime.

O sursa suplimentara de magnetism poate fi data de miscarea de rotatie prin tendinta de a se crea eforturi de forfecare intre nucleu si manta datorita diferentei de densitate si de elipticitatea formei. Si frecarile de-a lungul discontinuitatii Gutenberg intre geosferele adiacente (ce actioneaza ca un dinam) poate fi o sursa de magnetism suplimentar.

Procesele din interiorul profund al planetei noastre trebuie sa genereze un camp electromagnetic puternic devreme ce el se produce la temperaturi peste punctul Currie (punct unde proprietatile magnetice ale mineralelor dispar) si totusi ajunge sa se manifeste pana la suprafata.

Pe fondul principal al campului magnetic dat de cauze sublitosferice se presupun si alte surse, unele provenite din interiorul crustei terestre altele generate de cauze externe legate indeosebi de radiatiile solare. Sursele intracrustale de magnetism sunt date de unele concentrari de minerale cu susceptibilitate magnetica ridicata.

Cat privesc sursele externe ele se refera la radiatiile primite de la Soare. Ele au variatii ciclice sau neregulate mai accentuate si mai rapide in timp decat cele generate de factorii interni. La suprafata Pamantului cauzele externe nu introduc distorsionari ale campului intern. Influentele solare devin foarte importante in zonele inalte ale atmosferei si mai ales in magnetosfera terestra. Acolo, interactiunea dintre vantul solar (curent cu densitate scazuta incarcat cu particule - in principal electroni si protoni - emis de soare, care se deplaseaza in Sistemul Solar cu aproximativ 450km/s) si campul magnetic intern, ce actioneaza ca un scut al Terrei genereaza o distributie complicata a liniilor de forta ale campului total care prezinta o evidenta asimetrie. In interiorul magnetosferei captarea si concentrarea radiatiei solare crepusculare a dus la individualizarea centurilor de radiatie Van Allen (care se afla la circa doua inaltimi de raze terestre si care are caracter asimetric).

Prezenta unui camp magnetic propriu a fost si una din conditiile aparitiei vietii pe Pamant. Din acest punct de vedere, oamenii de stiinta sunt de acord sa considere ca lipsa unui scut magnetic pe un corp sideral (Luna, Venus) este o grava "infirmitate" pentru conditiile de aparitie si dezvoltare a vietii.

Pe suprafata Pamantului, in fiecare punct campul magnetic este caracterizat de trei elemente: intensitate, declinatie si inclinatie. Valorile lor prezinta variatii in timp si spatiu. Cu ajutorul celor trei elemente se poate determina marimea si orientarea in spatiu a vectorului ce reprezinta campul total.

(1) Intensitatea magnetica este forta magnetica ce actioneaza asupra unitatii de masa intr-un anumit loc. Campul geomagnetic este de slaba intensitate si valorile lui se apreciaza in unitati γ (1γ = 10^-5 Gauss). Valoarea acestui camp variaza intre 25.000 γ in regiunea ecuatoriala si 75.000 γ in zona polilor magnetici. Valoarea medie este de 34.600 γ. Abaterile de la valoarea normala contituie anomalii pozitive sau negative pe scara regionala sau locala. Spre exemplu, marile platouri de bazalte din Siberia, India, Africa constituie arii de maxime magnetice datorate prezentei unor minerale de magnetit. De asemenea intruziunile de gabbrouri in roci granitice sau corpurile granitice intruse in roci sedimentare dau anomalii pozitive.

Zacamantul de fier de la Kursk (Rusia) reprezinta o anomalie magnetica pozitiva cu circa 20.000 γ in plus fata de valoarea normala.

In Romania, o anomalie magnetica pozitiva a fost conturata in centrul Transilvaniei si ea a fost pusa pe seama unei intruziuni puternice de natura bazica si ultrabazica.

Exista si anomalii magnetice negative. De exemplu, masivele de sare sunt insotite de un deficit magnetic de cateva zeci de γ care produc campuri diamagnetice. De asemenea anomalii magnetice negative se inregistreaza pe zonele cu sectoare coborate (tip graben) in roci magmatice.

Intr-un anumit loc intensitatea campului magnetic variaza in cadrul unor perioade de timp diferite. Exista astfel asa-numitele pulsatii care sunt oscilatii de sub 1s pana la cateva minute. Amplitudinea lor creste de la o fractiune γ pana la cateva γ.

Asa-numitele variatii diurne au amplitudinea de cateva zeci de γ si valoarea lor depinde si de anotimp si de activitatea solara. Variatiile diurne ale campului magnetic pot sa fie intrerupte de furtuni magnetice care sunt niste paroxisme magnetice de cateva sute de γ ce se desfasoara timp de cateva ore.

Intensitatea campului magnetic poate prezenta cicluri de 27 zile si cicluri anuale de cateva γ. Se cunosc si cicluri de 11 ani cu valori de cateva zeci de γ fiind provocate de activitatea solara.

Pe scara si mai larga de timp sunt variatiile seculare. Astfel se pare ca in ultimii 150 ani intensitatea campului magnetic a scazut cu circa 0,05% pe an.

(2) Declinatia magnetica este unghiul masurat intre directia nordului geografic si nordului magnetic. Valoarea declinatiei variaza in spatiu pentru ca polii magnetici si cei geografici nu corespund si pentru ca acest element al campului geomagnetic este influentat si de marile anomalii. Declinatia este considerata pozitiva cand meridianul magnetic este la est de cel geografic (Fig. 2).

(3) Inclinatia magnetica se exprima prin unghiul masurat in plan vertical intre componenta orizontala si vectorul total al campului geomagnetic (Fig. 3). Altfel spus, inclinatia magnetica ar fi unghiul fata de orizonatala pe care-l face un ac magnetic intr-o pozitie libera. In Romania acesta este de 59⁰ - 60⁰, la ecuator 0⁰ iar la poli 90⁰.

Polarizarea magnetica reprezinta unul din argumentele sustinerii ipotezei expansiunii fundului oceanic.

Incepand cu anii `50, oamenii de stiinta, utilizand instrumente numite magnetometre au inceput sa recunoasca variatii magnetice de-a lungul fundului oceanic. Ceea ce au descoperit, desi neasteptat, nu a fost intr-u totul surprinzator deoarece ei cunosteau ca bazaltele, roci vulcanice formate pe fundul oceanelor, bogate in fier, contin un puternic mineral magnetic (magnetit) si pot local denatura citirea acului busolei (aceasta abatere a acului busolei a fost observata inca inainte de sfarsitul secolului al XVIII- lea de catre marinarii islandezi). Deoarece prezenta magnetitului confera bazaltelor proprietati magnetice masurabile s-au putut constata variatii magnetice a caror inregistrare constituie o noua modalitate de studiu a fundului oceanic.

Paleomegnetism

Rocile magmatice si sedimentare odata formate achizitioneaza o magnetizare permanenta, care se pastreaza de-a lungul perioadelor geologice - este asa-numitul magnetism remanenent sau paleomegnetism. In principiu, magnetizarea permanenta are aceeasi directie cu cea a campului geomagnetic existent pe glob la momentul respectiv. Ea este de slaba intensitate astfel incat poate sa fie detectata astazi numai cu o aparatura foarte sensibila. La rocile sedimentare, magnetismul remanent are o intensitate care variaza in limite foarte largi. In schimb rocile eruptive sunt de doua pana la trei ori mai puternic magnetizate. Cu toate ca paleomagnetismul nu este puternic, el este suficient de stabil pentru a-si pastra directia timp de milioane de ani.

Peste o anumita temperatura numita punctul Curie proprietatile magnetice ale mineralelor dispar. Sub aceasta temperatura, mineralele magnetice pastreaza orientarea directiei campului magnetic din momentul formarii lor (Fig. 4).

Din studiul orientarii campului magnetic remanent a reiesit ca polii magnetici nu au avut in trecutul geologic aceeasi pozitie cu cei actuali. Polul nord magnetic a cunoscut o deplasare permanenta de-a lungul perioadelor geologice. In plus, s-a constatat ca adeseori curbele migrarii calculate de pe un continent nu se suprapun peste curbele deplasarii polului calculat de pe alt continent (Fig. 5). De aici s-a tras concluzia asupra mobilitatii
continentelor respective in concordanta cu teoria derivei continentelor.

Dezbatand problema paleomagnetismului se impune amintit si fenomenul numit inversiunea campului magnetic. Prima observatie dateaza de la inceputul secolului nostru cand s-a constatat ca mineralele feromegnetice din bazaltele pliocene ce se dezvolta in bazinul francez aveau polii inversati. Desi aceste rezultate au fost puse la inceput sub semnul intrebarii, in jurul anului 1930 acest fenomen a fost reconfirmat de cercetatori din Japonia si din alte regiuni ale lumii. Aceste observatii au dus la recunoasterea ca reala a fenomenului de inversiune magnetica. In ultimii 4,5 milioane ani s-au deosebit 4 mari perioade de polaritate :

Gilbert - 4,5 MA - perioada inversa .

Gauss - 3,3 MA - perioada normala .

Matuyama - 2,4 MA - perioada inversa .

Brunhes MA - perioada normala .

In cadrul acestor perioade s-au stabilit si intervalle mai scurte (evenimente) privind polaritatea magnetica.

Cercetarile paleomagnetice stau la baza magnetostratigrafiei. In principiu, aceasta se bazeaza pe urmarirea inversiunilor magnetismului terestru, inversiuni care au constituit evenimente sincrone la scara globala apte de a fi folosite drept repere geologice.

Gravitatia terstra si izostazia

Gravitatia, o alta proprietate a globului terestru, este forta de atractie pe care o exercita Pamantul asupra diferitelor corpuri de pe suprafata sau din interiorul sau. Asa dupa cum se stie, suprafata Pamantului este neregulata, neomogena si animata de o miscare de rotatie a carei viteza descreste de la ecuator spre poli. In consecinta, si forta de atractie va fi diferita de la un punct la altul. Ea prezinta variatii atat in spatiu cat si in timp la diferite scari de marime.

La scara terestra s-a constatat ca valoarea gravitatiei este mai mare in regiunile polare si descreste catre ecuator. Aceasta schimbare se explica prin scaderea distantei de la suprafata la centrul globului si prin forta centrifuga generata de rotatia Pamantului.

S-a demonstrat teoretic si s-a verificat practic ca pe verticala gravitatia scade de la suprafata Pamantului in sus, aproximativ liniar pana la 500 - 1000 km pentru ca apoi sa tinda spre zero in spatiul extraterestru.

De la suprafata Pamantului in jos, gravitatia creste pe un anumit interval de adancime (pana pe la 3000 km) si apoi tinda sa scada la zero spre centrul Pamantului.

Intre continente si oceane se constata o diferenta data de lipsa paturii granitice in domeniul oceanic. Aceasta face ca in general gravitatia pe oceane sa fie mai ridicata datorita apropierii de suprafata a paturii dense bazaltice.

In cadrul continentelor se constata anomalii, adica derogari de la valoarea normala calculata a gravitatiei. Anomaliile sunt produse de corpuri perturbante ce determina excese sau deficite de masa.

De larga audienta in randul specialistilor este cercetarea paleogravitatiei care studiaza evolutia gravitatiei de-a lungul timpului geologic si poate oferi posibilitati de studiu interesante.

Pe scara cea mai larga, se poate spune ca in perioada pregeologica in care Pamantul a crescut ca masa de la o protoplaneta prin acretie activa de meteoriti, gravitatia terestra a crescut proportional cu aceasta acretie si cu raza planetara. In acelasi timp scaderea treptata a vitezei de rotatie a facut ca diferentierea dintre gravitatia mai mica in zonele ecuatoriale si mai mare la poli sa scada foarte sensibil.

Cele aratate sugereaza ca procesul de diferentiere gravitationala a geosferelor a fost influentat nu numai de temperatura ci si de valoarea constant crescanda a gravitatiei. Aceasta diferentiere a inceput in zonele polare si apoi s-a propagat spre ecuator in perioada de incandescenta a Pamantului.

In perioada geologica la scara terestra a fost tipica tendinta de izotropizare a valorii gravitatiei.

Discutarea problematicii complexe a gravitatiei terestre impune si abordarea notiunii de izostazie. Aceasta reprezinta echilibrul in care se mentin diferitele parti ale crustei terestre.

Masuratorile gravimetrice au aratat ca valoarea gravitatiei deasupra oceanelor este aproape normala in ciuda deficitului de masa. De aici s-a dedus ca grosimile celor doua invelisuri, sial (crusta continentala) si sima (crusta oceanica), nu sunt uniforme: sial-ul este mai gros in zona continentala si mai subtire in zona oceanica. Datorita diferentei de densitate care exista intre acestea s-a emis parerea ca blocurile continentale fiind mai usoare ar pluti in sima, conform principiului lui Archimedes, ca blocurile de gheata in apa. In esenta deci, acesta este continutul principiului izostaziei, respectiv existenta unei stari de echilibru relativ intre sectoarele ridicate si cele coborate ale scoartei terestre.

Continentele cu lanturile lor muntoase si campiile inconjuratoare ca si oceanele, ar reprezenta in contextul acestui principiu sectoare mai mult sau mai putin independente intre ele care plutesc ca mari blocuri de sial cu densitate mai mica (d = 2,7) pe un substrat de masa magmatica bazica, plastica (sima), cu densitate mult mai mare (d = 3,3).

Blocurile sialice mai groase exercita o presiune mai mare asupra simei decat blocurile suboceanice mai subtiri determinand un transfer de materie in interiorul simei. Acest transfer tinde sa compenseze excesul sau deficitul de greutate al acestora.

Compartimentele mai incarcate cu sedimente sau calote glaciare se scufunda in mod progresiv, determinand o deplasare a materiei magmatice catre compartimentele invecinate care vor suferi miscari de inaltare (Fig. 5a). In acelasi mod, cand un compartiment al scoartei terestre se usureaza, ca urmare a eroziunii indelungate sau a topirii calotei glaciare, el are tendinta sa se ridice prin impingerea exercitata de transferul de materie magmatica de sub compartimentele invecinate (Fig. 5b).

a.                                                          

b.

Presiunile exercitate de diferite blocuri se egalizeaza la circa 60 km adancime, suprafata de aici purtand numele de suprafata de echilibru sau compensatie izostatica. Pe aceasta suprafata se realizeaza un echilibru intre sial si sima si in acest mod orice greutate suplimentara determina scufundarea blocurilor de sial in sima si invers. Notiunea de izostazie a fost elaborata la sfarsitul secolului al XIX-lea de englezii Airy si Pratt.

In concluzie, teoria izostaziei se bazeaza pe existenta, in partea superioara a mantalei, a unei zone dense si vascoase (astenosfera), capabila de o curgere lenta si pe care plutesc blocurile continentale. Echilibrul izostatic poate fi intrerupt de catre diferite fenomene: formarea unei catene muntoase, eroziunea intensa ce produce reducerea unor blocuri montane sau racirile sau reincalzire climatice. Acest din urma fenomen a fost studiat pe larg in regiunea scandinava. In timpul ultimei perioade glaciare, ca efect al acumularii ghetii, litosfera s-a scufundat progresiv in aceasta regiune. O data cu disparitia in Cuaternar a calotei glaciare (cu circa 10.000 de ani in urma), regiunea s-a usurat si a determinat o ridicare continua care se mentine si astazi, cu un ritm evaluat la un metru pe secol. Calculele geologilor arata ca regiunea s-a ridicat cu circa 200 m inaintea restabilirii punctului de echilibru izostatic.

Si fenomenul de subsidenta (scufundarea lenta a unui bazin) este explicat tot pe aceasta baza.