A Terra e seus Recursos 10 de agosto de 2022, 11:35 10/08/2022

Como se faz um mapa do campo magnético da Terra

Autores

Jovens revisores

Resumo

A Terra tem um núcleo interno sólido e um núcleo externo líquido, ambos constituídos de ferro e níquel. O metal conduz uma corrente elétrica produzida pelo movimento do líquido. A corrente elétrica gera um campo magnético que sai do núcleo para a superfície da Terra e mais além. Esse campo, gerado pelo núcleo da Terra, deveria se alinhar com o eixo de rotação, mas se desvia um pouco por razões ainda não muito bem esclarecidas. A agulha da bússola geralmente não aponta para o Norte verdadeiro (o eixo de rotação da Terra), mas para o Norte magnético. O ângulo entre o Norte verdadeiro e o Norte magnético, em qualquer posição da Terra, é chamado ângulo de declinação. Mapas desse ângulo são muito complicados porque, devido ao fluxo do núcleo externo, a posição do Norte magnético se altera com o tempo.

Introdução

O núcleo externo da Terra

O planeta Terra pode ser dividido em quatro camadas: o núcleo interno sólido (no centro), o núcleo externo líquido, o manto rochoso e a crosta (a superfície onde vivemos). O núcleo da Terra tem mais ou menos 6.800 km de largura e começa a meio caminho do centro do planeta (Figura 1b). É constituído por cerca de nove décimos de ferro e níquel [1]. O núcleo interno, aproximadamente do tamanho da Lua, é muito quente (>5.000 ºC) e sólido devido à enorme pressão vinda do peso do material acima dele.

Figura 1. [A] Ilustração das linhas do campo magnético em uma barra de ímã simples, que é semelhante ao campo magnético da Terra. Assim como acontece na Terra, o polo sul (indicado por “S”) fica, na verdade, no hemisfério norte. [B] O núcleo da Terra aparece no centro do planeta. O manto rochoso e a crosta são transparentes nesta imagem. O núcleo externo é mostrado em laranja, com o núcleo interno indicado pela esfera mais escura ao centro. O campo magnético (linhas azuis) é gerado no núcleo externo. À direita, vemos uma imagem artística do satélite magnético Swarm, que é capaz de detectar as variações na direção da agulha da bússola à medida que percorre o campo magnético da Terra em sua órbita (linha cinza). ©ESA/ATG Medialab

Longe do centro da Terra propriamente dito está o núcleo externo líquido, que tem mais ou menos o tamanho de Marte. O metal ainda é extremamente quente (>3.000ºC), mas, a despeito da alta pressão, apresenta-se na verdade muito pastoso, pois o calor supera os efeitos da pressão. Ele flui tão facilmente quanto a água na superfície da Terra. Isso significa que o metal está constantemente se movendo e fluindo, como os oceanos. Lembra o que acontece quando você agita uma xícara de chá: a rápida rotação da Terra uma vez por dia faz com que o fluido do núcleo externo também gire.

O núcleo “tenta” esfriar. Porém, o manto rochoso que fica entre ele e a superfície funciona como um cobertor, impedindo que ele se resfrie rápido demais. O núcleo então busca outros meios de se livrar do excesso de calor e energia. Um deles é por meio da geração de um campo magnético, que pode chegar até a superfície, permitindo que uma pequena quantidade de energia seja eliminada do núcleo.

A eletricidade gera um campo magnético

O magnetismo e a eletricidade estão associados fisicamente. Em geral, quando uma dessas forças é gerada a outra também é produzida, e o mesmo acontece no núcleo. O metal líquido do núcleo é quente demais para se tornar um ímã permanente, como os de geladeira, mas é um material eletricamente condutor, como um fio de cobre. Assim como acontece nos fios elétricos da sua casa, o núcleo líquido conduz uma forte corrente elétrica, que por seu turno gera um poderoso campo magnético. 

O movimento do metal líquido cria eletricidade do mesmo modo que o giro das pás de uma turbina eólica. A eletricidade flui em volta do Equador do planeta descrevendo um círculo bem amplo e cria um campo magnético fortíssimo, a partir do núcleo externo, que se expande até a superfície terrestre e ao espaço à sua volta.

Cria-se um campo magnético semelhante ao formato da barra de um ímã (Figura 1a), que se dilata pelo espaço formando uma “bolha” em cujo interior a Terra se posiciona. Essa bolha protege a atmosfera do planeta do campo magnético do Sol, que de outro modo, eliminaria a atmosfera da Terra ao fim de bilhões de anos.

O modo como o campo magnético terrestre é gerado é muito complexo e ainda não totalmente compreendido pelos cientistas. Pensa-se que o circuito de corrente elétrica no núcleo não forma um círculo perfeito em volta do Equador, motivo pelo qual o campo magnético é na verdade “inclinado” em cerca de 11º com relação ao eixo rotatório da Terra. A força da corrente elétrica também muda com o tempo, o que altera o campo magnético na superfície terrestre. Por fim, o fluxo de metal líquido “arrasta” o campo magnético para oeste. Todos esses processos diferentes se combinam para tornar o campo magnético bastante complicado, e é muito difícil prever que mudanças ele vai experimentar com o tempo. Aproximadamente quatro vezes a cada milhão de anos, ele sofre uma “inversão” dos polos, mas esse processo leva milhares de anos para se completar.

O campo magnético na superfície terrestre

Embora a forma geral do campo magnético da Terra lembre uma simples barra de ímã, quando observado em detalhe ele parece bem mais complicado. Quase sempre a agulha da bússola aponta aproximadamente para o Norte, mas não para o Norte verdadeiro (o ponto em volta do qual a Terra gira). O ângulo entre o Norte verdadeiro e a direção para a qual a agulha da bússola aponta se chama declinação. A agulha da bússola aponta para um lugar chamado polo Norte magnético.

O campo magnético é muito útil para os navegantes. Os chineses usavam uma bússola primitiva já nos anos 1100 para determinar a direção. O primeiro mapa foi desenhado por Edmund Halley (o do cometa) em 1699, a fim de ser usado pelos navios que cruzavam o oceano Atlântico. Ele notou que o campo magnético mudava constantemente e sugeriu que devia haver uma camada líquida no centro da Terra. O polo Norte magnético foi descoberto por James Clerk Ross em 1831, no Canadá. No entanto, para complicar ainda mais as coisas, o polo Norte magnético não permanece no mesmo lugar, mas se desloca o tempo todo devido ao fluxo do núcleo externo.

Hoje (em 2019), o polo Norte magnético continua no norte do Canadá, mas está se movendo à razão de 50 km por ano e cruzará para o norte da Rússia em algum momento da próxima década. A Figura 2 mostra as localizações dos polos magnéticos Norte e Sul dos anos 1900 a 2020. Observe a rapidez com que o polo Norte se deslocou desde 2000, enquanto o polo Sul, em comparação, se moveu muito mais lentamente.

Figura 2. A localização dos polos magnéticos a cada cinco anos (pontos vermelhos), de 1900 a 2000: polo Norte magnético (a) e polo Sul magnético (b). Observe que, desde 1900, o polo Norte magnético se moveu bem mais, e mais rapidamente, do que o polo Sul magnético.

Como fazer um mapa

Em teoria, fazer um mapa do campo magnético é tarefa simples. Basta você possuir um aparelho de GPS (um smartphone, por exemplo) para determinar a localização exata e encontrar a direção do Norte verdadeiro. Você precisará também de uma bússola. Primeiro, use o GPS para determinar a direção do Norte verdadeiro. Faça isso cravando duas estacas no chão ao longo de uma linha de longitude constante. Fique entre elas e descubra o ângulo entre a agulha da bússola e a linha do Norte verdadeiro que você traçou entre as estacas. Parabéns, você mediu a declinação! Para fazer um mapa, repita essa medida em outro lugar, e em outro, em outro… Alguns milhões de vezes, pelo mundo afora (atravessando inclusive oceanos e desertos). Sua obra então estará completa… Pelo menos por alguns anos, até que o Norte magnético se mova. Obviamente, fazer isso é impossível para um humano, mas não para um satélite.

Desde 1999, três missões com satélites europeus foram lançadas para obter medidas bem precisas do campo magnético da Terra. A Figura 1b mostra como um satélite sente o campo magnético oriundo do núcleo externo. O atual trio de satélites, chamado Swarm, voa entre 450 e 500 km acima na superfície terrestre, a 8 km por segundo. Leva cerca de 90 min para dar a volta à Terra e descreve 15 órbitas por dia. Após 4 meses, faz medidas do mundo suficientes para elaborar um mapa [2].

As medidas dos satélites são coletadas em um computador, onde um processo matemático chamado inversão produz um mapa (ou foto) do campo magnético em determinado ponto do tempo. A Figura 3 mostra um mapa de ângulo de declinação para janeiro de 2019, onde se percebe que o campo magnético é realmente muito complicado.

Figura 3. O ângulo de declinação para o ano de 2019 (em graus), segundo o modelo International Geomagnetic Reference Field (IGRF-12). As cores mostram o ângulo entre o Norte magnético e o Norte verdadeiro. As áreas brancas são onde a bússola aponta quase exatamente para o norte. As cores azuis mostram as regiões onde a bússola aponta para oeste do Norte verdadeiro; as cores vermelhas mostram onde a bússola aponta para leste do Norte verdadeiro. Pode-se notar o complicado padrão de ângulos de declinação em volta do mundo [3].

Como a mudança do campo magnético não é previsível muito além de 10 anos, esses mapas magnéticos costumam ser regularmente atualizados a cada 5. Alguns são criados gratuitamente por um grupo de cientistas do mundo inteiro conhecido como International Geomagnetic Reference Field ou IGRF [3]. A confecção de um bom mapa exige muito esforço e vários meses de trabalho. A última versão foi lançada em 2015 e a próxima estará pronta em 2020.

Um mapa magnético em seu smartphone

Você provavelmente já ouviu falar no uso do campo magnético da terra para a orientação, seja e navios cruzando o oceano ou pessoas atravessando montanhas. Entretanto, se alguma vez recorreu a um mapa no smartphone para encontrar o lugar aonde queria ir, então já usou também um mapa do campo magnético da Terra.

Quando você abre o aplicativo do mapa, sua localização é geralmente mostrada na forma de um pontinho com uma seta ou triângulo indicando a direção que deve tomar. Os smartphones contêm uma bússola digital para encontrar a direção do Norte magnético. Todavia, como os mapas são alinhados para o Norte verdadeiro, o software do celular precisa fazer uma correção em virtude da diferença de declinação. O celular usa sua localização GPS a fim de encontrar o ângulo correto em um mapa de declinação, como o do IGRF. Na Figura 3, você nota que em certas partes do mundo esse ângulo pode chegar aos 45º.

Conclusão

Elaborar mapas do campo magnético da Terra é uma tarefa complexa que tem de ser repetida pelo menos a cada 5 anos para que se possa mantê-los atualizados. Esses mapas podem nos ensinar muita coisa sobre o núcleo externo da Terra e são úteis também em inúmeras aplicações práticas que você sem dúvida conhece, como percorrer uma cidade orientado por um smartphone.

Glossário

Núcleo externo: ↑ Camada de metal líquido no interior da Terra, que começa mais ou menos a meio caminho do centro.

Material eletricamente condutor: ↑ Material que permite à eletricidade passar facilmente por ele.

Declinação: ↑ Ângulo entre o Norte magnético e o Norte verdadeiro.

Norte magnético: ↑ Ponto na superfície terrestre em que o campo magnético aponta diretamente para o centro da Terra.  

Referências

[1]  Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics, 2ª ed. Cambridge: Cambridge University Press.

[2] Olsen, N., Hulot, G., Lesur, V., Finlay, C. C., Beggan, C., Chulliat, A. et al. 2015. “The Swarm Initial Field Model for the 2014 geomagnetic field.” Geophys. Res. Lett. 42:1092–8. DOI: 10.1002/2014GL062659.

[3] Thébault, E., Finlay, C. C., Beggan, C. D., Alken, P., Aubert, J., Barrois, O. et al. 2015. “International Geomagnetic Reference Field (IGRF): the12th generation.” Earth Planets Space 67:79. DOI: 10.1186/s40623-015-0228-9.

Citação

Beggan, C. (2019). “Making a map of the Earth’s magnetic field.” Front. Young Minds 7:42. DOI: 10.3389/frym.201900042.

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