A tu alrededor hay una fuerza invisible, no puedes notarla con tu piel, no puedes olerla, no puedes saborearla, ninguno de tus sentidos puede percibirla. Como sé que existe? Coge una brújula y ponte a caminar en diferentes direcciones, verás qué sucede. Notarás que la aguja empieza a moverse, es decir sobre ella actúa alguna fuerza. ¡Es la fuerza debida al l campo magnético terrestre! ¿De dónde sale este campo?

Primera explicación en la história

La Tierra se comporta como un imán gigante. La primera persona que se dio cuenta de esto fue el científico inglés Willian Gilbert en el 1600. Lo dejó escrito en su trabajo De magnete, el primer tratado científico sobre magnetismo. Para llegar a esa conclusión, Gilbert experimentó con una magnetita, un mineral magnético, redondeada y una brújula. Se dio cuenta que la brújula apuntaba hacia a diferentes direcciones según la movía alrededor de la superfície de la magnetita, que él llamaba Terrella. Este comportamiento era muy similar al que las brújulas tienen en distintos puntos del planeta. La conclusión era inevitable para Gilbert, una explicación plausible para el origen del campo magnético terrestre es que en el interior de la Terra hay un imán permanente como la magnetita.

Los probrlemas del modelo de Gilbert

Este modelo explica las medidas de campo magnético alrededor de la superfície de la Tierra, pero ¿cómo podemos estar seguros de que en el interior de la Tierra hay un imán permanente? Si partiéramos la Tierra en sección veríamos una estructura de cebolla. La capa más externa y más delgada es la corteza, que forma el suelo oceánico y los continentes. Por debajo está el manto y el núcleo se encuentra en la parte más interna. El núcleo terrestre y el manto están principalmente hechos de hierro y níquel, dos elementos magnéticos. Pero se sabe que todos los materiales magnéticos pierden su imantación si se los somete a una temperatura suficientemente alta. Tanto el núcleo como la mayor parte del manto están a una temperatura demasiado alta como para que estos elementos estén magnetizados de manera permanente, como lo está la magnetita. Por lo tanto, el modelo de Gilbert no puede ser la explicación del campo magnético terrestre. Además, a lo largo de la historia se han podido observar cambios en el campo magnético que el modelo de Gilbert no puede explicar.

Entonces, ¿cuál es el origen del campo magnético terrestre? Esta pregunta todavía hoy es objeto de estudio. Vamos a fijarnos primero en como es este campo. Si lo observamos de lejos, el campo magnético terrestre es como el de un dipolo magnético, un imán, localizado en el interior de la tierra y inclinado unos 11º respecto al eje de rotación de la Tierra. Este campo se extiende por el espacio hasta encontrarse con el viento solar, partículas cargadas que el Sol expulsa a gran velocidad debido a su actividad. ¿De qué manera se puede generar un campo magnético que abastezca todo este espacio?

Una explicación con más futuro

En los años 40 el científico alemán Walter M. Elsasser propuso el modelo que hoy en día se cree que es el mecanismo de generación de campo magnético tanto en planetas como en estrellas: la dinamo. Según esta hipótesis, los requisitos para que un planeta o estrella genere su propio campo magnético son:

1. Una parte del sistema tiene que ser fluida y conductora
2. Que esta parte fluida tenga corrientes de convección (flujo de material)
3. Que el planeta o estrella esté en rotación.

En el caso de la Tierra las tres condiciones se cumplen en la parte más externa del núcleo, formado mayoritariamente por hierro y níquel en estado líquido. Teniendo estos ingredientes, cualquier campo minúsculo que pueda haber por azar en el interior de la Tierra quedaría atrapado en los corrientes de convección del metal líquido y a su vez generaría mas campo magnético. Por lo tanto, el campo inicial se ve amplificado por este proceso. La hipótesis de la dinamo ha sido ensayada en diversas simulaciones por ordenador y es capaz de explicar muchos de los fenómenos que se observan sobre el campo magnético terrestre como por ejemplo sus variaciones.

Variaciones del campo magnético

El campo magnético terrestre permite a los navegantes orientarse utilizando la brújula pero al usarla, se tiene que tener en cuenta que la aguja no apunta exactamente al norte geográfico. El norte magnético y el geográfico no coinciden y ademas la diferencia de sus posiciones cambia con el tiempo.

La primera persona que hizo un mapa de estas desviaciones fue Edmond Halley en 1701. Si, si, el del cometa. Halley se dio cuenta que el campo magnético terrestre no es estático, sino que varia con el tiempo. Actualmente se sabe que el campo magnético tiene variaciones en escalas de tiempo muy distintas, des de milisegundos hasta millones de años.

Las variaciones en la intensidad del campo a escalas de tiempo más cortas pueden ser debidas a corrientes eléctricas de la ionosfera o a las afectaciones que tienen sobre nosotros las tormentas magnéticas del Sol.

A una escala de tiempo del orden de años se observan cambios en la declinación del campo magnético, es decir, el ángulo que separa el norte magnético y el norte geográfico. Según un artículo publicado en la revista Nature en enero del 2019, esta diferencia se ha hecho mayor de manera a un ritmo acelerado en los últimos años. En los años 90 el norte magnético pasó de moverse a una velocidad de 15 km a 55 km por año. Hoy en día el norte magnético se está moviendo de Alaska hacia Siberia a una velocidad que nadie había predicho. De hecho, se ha tenido que modificar el mapa mundial de campo magnético que se usa para los sistemas de localización tanto militares como civiles, por ejemplo Google maps, porque cada vez presentaba un error mas grande. Los científicos creen que se debe a una corriente de hierro líquido a altas velocidades situada debajo de Canada. 

Por otro lado, las variaciones de escalas de tiempo más largas que se producen son la inversiones de polaridad. Estas inversiones voltean por completo el campo magnético, el polo norte al lugar del polo sur y viceversa. No hay una periodicidad concreta asociada a estos cambios, en los últimos 83 millones de años han habido unas 183 inversiones. En agosto de 2018 un equipo de científicos de la China y Taiwan, estudiando estalagmitas de una cueva situada al sur-oeste de la China, detectaron que hace unos 98.000 años hubo una inversión de polaridad que duró tan solo 200 años. Una duración mucho más corta del que se pensaba que era posible. Estos cambios son debidos a la manera en que se genera el campo magnético terrestre en el núcleo, es decir, el mecanismo de la dinamo. En el año 1995 se publicó en la revista Nature una simulación del campo magnético generado por una dinamo donde se producían de manera espontánea estas inversiones de polaridad.

La importància de entender el campo magnético terrestre

¿Por qué es tan importante entender mejor el campo magnético terrestre? Pues porque entender cosas mola y por eso es el objetivo de toda investigación científica. Además, el campo magnético terrestre hace que la Terra sea un planeta habitable.

Lo que hace es generar un escudo que se llama magnetosfera que nos protege de radiaciones provenientes del espacio. El Sol radia constantemente partículas cargadas y super energéticas que serian letales para muchas formas de vida. Este flujo de partículas, llamado viento solar, viaja a una velocidad supersónica, unos 400 km/h de media. A esta velocidad seria capaz de barrer toda nuestra atmósfera dejándonos en “pelotas” en el universo. La magnetosfera nos protege del viento solar desviando esta radiación. Sin embargo, las partículas del viento solar pueden llegar a entrar en nuestra atmósfera a través de los polos magnéticos. Cuando esto sucede, las partículas cargadas y altamente energéticas chocan con las de nuestra atmósfera y, en ionizarlas, emiten la luz que se conoce como Aurora polar (Aurora boreal en el norte y Aurora astral en el sur).

Otro hecho importante es que las variaciones del campo magnético terrestre afectan a nuestros satélites. Un comportamiento anómalo en el campo magnético podría dañar la electrónica de los satélites que usamos por ejemplo para comunicarnos o geolocalizarnos. ¿Os imagináis por un momento que todo el internet del mundo se apagara en un instante? ¿Da miedo, eh?

Por lo tanto, seria muy interesante tener un modelo físico que nos permitiera hacer predicciones sobre el comportamiento del campo magnético en un futuro, es decir, haciendo analogía con el tiempo, tener una previsión meteorológica magnética. De este modo podríamos protegernos de posibles desgracias magnéticas que nos dejaran incomunicados o desprotegidos ante el Universo. Precisamente eso es de lo que trata la física, la física busca comprender el mundo natural a través de modelos matemáticos que sean capaces de hacer predicciones.