El Campo Magnético Terrestre

Transcripción

1 El Campo Magnético Terrestre

2 Campo Magnético en los planetas del sistema solar Planeta Campo superficial en el ecuador (nt) Momento (m) (Am 2 ) m / m T Mercurio x Venus <30 < 6 x < Tierra x Luna <25 < 1.3 x < Marte 60 (muy variable) < 3 x < Jupiter x Saturno x Urano x Neptuno x

3 Campo Magnético en los satelítes galileanos

4 Marte no presenta un campo magnético interno significativo. Sin embargo se han encontrado intensas anomalías magnéticas que sugieren la existencia de un campo interno hace 4 Ga

5 Las anomalías magnéticas de Marte son 10 veces mayores que las de la Tierra

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7 El viento solar empuja el campo magnético terrestre

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9 Gilbert (1600) relaciona inclinación magnética con latitud geográfica

10 Dipolo magnético terrestre

11 Distribución mundial de observatorios geomagnéticos permanentes

12 Registros históricos de la variación secular en observatorios

13 Variación secular del CMT en diversos observatorios de Gran Bretaña (declinación magnética)

14 Los polos magnéticos de la Tierra no son estables. Variación más lenta del CMT: Variación secular

15 Carta isoclina (IGRF, 2005)

16 Carta isogona (IGRF, 2005)

17 Carta isodinámica (IGRF, 2005)

18 Isoporas (Z) año 1930

19 Isoporas (Z) año 1980

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21 Deriva hacia el Oeste de la Variación Secular

22 Deriva hacia el oeste de los focos isopóricos

23 Jerks geomagnéticos Definidos por primera vez por Courtillot et al. (1978), son cambios abruptos (en meses o pocos años) de la tendencia (2da derivada) de la variación secular. El primero definido fue el de Si bien algunos discuten su origen, existe un consenso considerable en qe son de origen interno. Waddington et al. (1995) sugirieron que los jerks indicarían una aceleración del flujo de material del núcleo cerca de la interfase M-N

24 Tomado de De Michelis et al. (2005) Courtillot et al (1982) propusieron una relación entre los jerks y las variaciones de LOD y aún las temperaturas medias globales. Gilbert et al. (1998) encontraron una correlación directa (+-3 años) entre los jerks y los cambios de fase de la componente prógrada del bamboleo de Chandler Los jerks geomagnéticos son las perturbaciones más rápidas del CMT de origen interno

25 Carl Friedrich Gauss ( )

26 Descripción n matemática tica del CMT (Función Armónicos Esféricos) g, h (parámetros empíricos) l : grado del ármonico m: orden del armónico

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28 Primer grado de Armónicos esféricos (l:1) corresponde a un campo dipolar. El dipolo axial y geocéntrico (l=1, m=0) contiene alrededor del 80% de la energía del CMT. El CMT es dominantemente dipolar, axial y geocéntrico (GAD) Restantes grados describen un campo no dipolar

29 Dipolo magnético terrestre

30 Si el campo es dipolar y geocéntrico, la dirección del CMT en un lugar cualquiera permite calcular la posición del polo geomagnético (Polo Geomagnético Virtual o PGV)

31 La posición del polo geomagnético norte (dipolo) para los últimos 2000 años. El globo dividido en 12 regiones y los PGVs de las 12 regiones promediados. Comparación con el polo geomagnético desde 1700 es consistente

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33 Desde hace mucho se conoce que buena parte de la deriva al oeste de la variación secular es debida al campo no dipolar

34 Distribución de la energía involucrada en cada grado de armónicos esféricos del CMT (Merril, McElhinny y McFadden, 1998)

35 Polos geomagnéticos virtuales obtenidos de 2000 lavas para los últimos 20 millones de años (Tarling, 1971)

36 The Far-Side Effect Tomado de Merril et al (1998)

37 La presencia significativa de términos cuadrupolares (g2) u octupolares (g3) en el campo paleomagnético en períodos largos produce una distorsión de las mediciones de inclinación respecto a la latitud. El far-side effect podria explicarse por la presencia de componentes cuadrupolares en el campo promedio

38 Importancia de los términos cuadru y octupolares en el CMT (Courtillot y Besse, 2003)

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40 Cuadro Patrón de Reversiones de Polaridad del CMT (Ogg, 1997)

41 Cuadro Patrón de Reversiones de Polaridad del CMT (Ogg, 1997)

42 Según Merril et al. (1998): la distribución de frecuencias de reversiones no puede explicarse por un régimen único. Existirían dos estados del CMT: uno con reversiones de polaridad y otro sin. Regímenes energéticos distintos del núcleo?

43 Variaciones de Intensidad del CMT Variaciones de posición del polo magnético Norte

44 Para conocer la intensidad del CMT en el pasado: estudios de paleo o arqueointensidad Se reproduce en laboratorio la adquisición de una remanencia bajo un campo conocido, la relación entre la intensidad de las remanencias naturales y artificiales corresponde a la relación entre el paleocampo y el campo artificial (rocas ígneas o artefactos cocinados)

45 Momento Dipolar Virtual (VDM) A fin de poder comparar datos de paleointensidades provenientes de distintas latitudes (Inclinaciones) se refieren todos a un Momento Dipolar Virtual (simil del PGV direccional). Se asume que el campo es dipolar y geocéntrico, de modo que existe una relación simple entre la intensidad del campo medido y el del dipolo correspondiente. H = ((µo P) / 4 π R 3 ) (1 + 3 cos 2 θ) P: momento dipolar y dado que tan I = 2 cot θ H = ((µo P) / 2 π R 3 ) (1 + 3 cos 2 I) R: radio terrestre θ: colatitud Midiendo H se puede calcular P En estos casos P es VDM

46 Registro de paleointensidades del CMT

47 Recopilaciones más recientes confirman el patrón general (Yang et al., 2000)

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49 Registros continuos de paleointensidades en fondos marinos (paleointensidades relativas)

50 Los registros de paleointensidades relativas (calibradas) a partir de testigos de fondo oceánico permiten reconstruir la variación continua de la intensidad del CMT en los últimos 4 a 5 millones de años

51 La distribución de paleointensidades (normalizadas) para los intervalos normales y reversos de los últimos 10 Myr es idéntica sugiriendo que ambas polaridades son estados energéticos basicamente iguales

52 El CMT ha mantenido una intensidad similar por 3 giga-años (datos preliminares)

53 Hubo un gran aumento de la paleointensidad cerca del fin del Arqueano (2.5 Ga)? Formación del núcleo interno? Paleointensidades en el Precámbrico son escasas y de dudosa confiabilidad pero El único camino

54 Tarduno et al. (2006) han desarrollado un método para medir paleointensidades en cristales individuales de plagioclasas que tienen inclusiones de magnetita. Magnetita protegida de alteraciones posteriores y de tamaño ideal para estudios paleomagnéticos Minirevolución en estudios de paleointensidades Cristal de plagioclasa Inclusión de magnetita

55 Según Tarduno et al (2006) la baja paleointensidad en el Arqueano sugiere que el nucleo interno aún no se había formado. Ya habria comenzado hacia Ga por patrones similares a los actuales (conveción composicional)

56 Tarduno et al. (2010), Science. Estudio de paleointensidad en dacitas del Baberton Greenstone Belt y Ndoweni Greenstone Belt (Sudafrica): Gy Paleointensidad del campo del campo actual Actividad solar diez veces mayor (sol más joven) Distancia a la magnetopausa solar: la mitad de la actual: 5 radios terrestres

57 Mucha mayor influencia del campo magnético solar Enormes auroras en el Arqueano?

58 El origen del núcleo interno depende de la velocidad de enfriamiento del núcleo. Depende del flujo térmico en la interfase M-N. A > flujo, menor edad. No toma en cuenta posibles fuentes de calor en el núcleo externo (K40) 250 ppm de K40 en el núcleo 25% del flujo térmico en la interfase M-N

59 Los datos de paleointensidades del CMT durante el superchron normal del Cretácico tienden a dar relativamente bajos (ej. Zhu et al., 2004)

60 Según nuevos estudios de Tarduno et al. (2001), mediante el estudio de cristales individuales, en el superchron normal del Cretácico la intensidad del CMT fue anómalamente alta (régimen de mayor energía del núcleo?) Geomagnetic reversal time scale (base), select Thellier Thellier results, and estimated reversal rate (based on a 10-million-year sliding window) 2002 by National Academy of Sciences Tarduno J A et al. PNAS 2002;99:

61 Riisager et al. (2003): los datos de paleointensidades no son suficientes

62 Supuesto aumento de la paleointensidad del campo magnético durante el superchron Cretácico (Tarduno et al., 2006) Basado unicamente en datos de cristales unicos

63 Excursiones geomagnéticas Breves períodos en los cuales el CMT tiene una polaridad opuesta o intermedia. El PGV a más de 45 del polo (GAD) Las excursiones son difíciles de registrar por su escasa duración (cientos a pocos miles de años), por lo que es dificil de correlacionar distintos registros y definir si son globales Si se alcanza un estado de polaridad inversa en varias localidades (i.e. global) pasa a considerarse un evento

64 El evento Laschamp fue hallado originalmente en flujos de lava pleistocenos tardíos en Francia Guillou et al (2004) han datado el evento en 40±1 Kyr. Se ha reconocido el evento en varias otras localidades y como un mínimo de intensidad en registros marinos

65 Reversiones de Polaridad Evidencia paleomagnética sugiere fuertemente el descenso de la intensidad del CMT durante una reversión de polaridad

66 Cómo ocurre una reversión de polaridad?

67 Laj et al. (1991): existen caminos preferenciales para los PGVs durante las reversiones Control del manto sobre las reversiones del CMT? El campo es dipolar durante una reversión?

68 Los caminos propuestos de VGPs durante las reversiones coinciden con las zonas de alta velocidad de onda P en la base del manto y escapan de las zonas de ultra baja velocidad Condiciona el manto las reversiones de polaridad?

69 Existen realmente los caminos de PGVs? Serán los caminos de PGVs un artificio del método y relacionado a los lugares de muestreo? Será un artificio de los sedimentos? Tric et al. (1991): basado en datos de lavas, no existiría dirección preferencial

70 Hoffman, Singer y otros han propuesto que en lugar de caminos existen parches donde los PGVs se estacionan durante una transición Mayormente sobre Australia, América del Sur y Alaska Posible relación con parches de flujo inverso en el núcleo? Singer et al. (1997)

71 David Gubbins dirigió un proyecto de investigación para reconstruir las mediciones direccionales del CMT realizados por navegantes y viajeros desde el siglo 16. Tras diez años lograron duplicar la extensión de la base de datos para construir IGRFs Distribución de puntos de medición del CMT recopiladas por Bloxham y Gubbins

72 A partir de datos históricos y de observatorios Bloxham y Gubbins han reconstruido modelos del CMT hasta el siglo 17. Las prolongaciones descendentes a la interfase M-N, permiten observar la presencia de celdas de polaridad inversa en el Hemisferio Sur (asociadas a la Anomalía Magnética del Atlántico Sur)

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74 Si se extrapola los distintos grados de armónicos a la interfase M-N se observa una contribución similar de los mismos. Buena parte del espectro hallado en superficie se debe al decaimiento más rápido de los grados mayores con la distancia El grado 1 (dipolo), sin embargo, es claramente superior aún en la interfase M-N

75 La morfología del CMT en la superficie es poco sensible a la presencia de fuentes de corta longitud de onda en el núcleo

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77 Prolongando el CMT a la interfase M-N se puede modelar la configuración del campo radial en la interfase. Presencia de zonas con signo opuesto en el Hemisferio sur para el campo actual Gubbins (1994)

78 Jackson (Nature 2003) Comparación de datos Magsat (70-80s) abajo Con datos de Oersted (90-00 s) arriba Proyección a la interfase M-N 4 parches de flujo (2 negativos: hacia arriba, 2 positivos: hacia abajo) Gran novedad: flujos muy fuertes en el ecuador. Asociados a la Anomalía magnetica del Atlántico Sur

79 El cilindro tangente El núcleo interno generaría una región de cinemática particular conocida como cilindro tangente (69.5 latitud). Dentro del cilindro existiría una fuerte convección, y escasa influenciia de la fuerza de Coriolis. Mientras que fuera del cilindro la acción de Coriolis generaría flujos columnares Vientos hacia el W La convección en el cilindro: vortex polares (ascenso helicoidal del material). Vientos hacia el oeste

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81 ORIGEN DEL CMT Modelo de Rikitake Al ser dos las dínamos acopladas se producen espontaneamente reversiones de polaridad del campo total

82 Cowling (1934) presenta su teorema del anti-dínamo. Demuestra que un dínamo axisimétrico no puede existir, pues decaería por difusión (en la Tierra del orden de 10 4 años) a) Velocidad zonal del material conductor simétrica respecto al eje de rotación distorsiona las líneas de campo magnético (efecto omega), produciendo una componente zonal b) Velocidad meridional del material conductor simétrica respecto al eje de rotación solo desplaza las líneas de campo zonales sin producir meridionales (efecto alfa ausente) El sistema no se retroalimenta Tomado de Buffett (2000)

83 Modelos Alfa-Omega: CMT retroalimentado GEODINAMO Efecto Omega: Un campo poloidal genera un campo toroidal

84 Efecto Alfa Un campo toroidal genera un campo poloidal Cowling demostró que este efecto no se produce en una dínamo axisimétrica, pero no consideró turbulencias de menor escala. Si no hay compensación exacta en las turbulencias (por convección) queda una componente meridional (o poloidal)

85 Modelos de Campo Magnético Modelos de Campo Debil: Modelos Cinemáticos. El campo no altera las lineas de flujo de material. Se prescribe la cinemática del fluido y se observa que campo magnético produce. Fuerza de Lorentz despreciable Modelos de Campo Fuerte: Modelos dinámicos. La fuerza de Lorentz es apreciable. Las líneas de campo magnético afectan el movimiento del material conductor distorsionando a su vez las líneas de fuerza del campo.

86 Cualquier modelo debe respetar las propiedades básicas conocidas del núcleo y producir un campo magnético similar al terrestre

87 Magnetohidrodinamia

88 Las ecuaciones de la Magnetohidrodinámica Ecuaciones diferenciales no lineales. Sin solución analítica. Solución numérica 4 grupos de ecuaciones 1- Ecuaciones electromagnéticas que relacionan el campo magnético con la velocidad del fluido conductor en el núcleo externo 2- Ecuaciones hidrodinámicas, que incluyen la conservación de masa y momento y la ecuación de movimiento del fluido en el núcleo externo 3- Ecuaciones termales, que gobiernan la transferencia de calor en un fluido y/o las ecuaciones similares que gobiernan la convección composicional 4- Condiciones iniciales y de borde La solución simultánea de las ecuaciones para cada unidad de volumen del núcleo externo se hace paso a paso a partir de una condición inicial global En los modelados numéricos recientes un trade-off en cuanto a resolución espacial y extensión del tiempo modelado

89 Baja Resolución espacial: ej. 33 unidades radiales, 32 latitudinales y 64 longitudinales Tiempo de modelado: años (10 7 etapas de modelado numérico) Alta Resolución espacial: ej. 289 radiales, 384 latitudinales, 384 longitudinales Tiempo de modelado: años (10 7 etapas de modelado numérico) (Glatzmaier et al. 2004) En todos los casos la viscosidad se ha elegido muy superior (hasta veces) a la viscosidad probable del núcleo externo (10-3 Pa s) para producir un flujo laminar y no turbulento. Esto puede no modificar mayormente los procesos a gran escala del núcleo pero impide gran resolución.

90 Modelo de celdas convectivas paralelas al eje de rotación (ciclones y anticiclones) Los ciclones y anticiclones deforman las lineas de campo zonales generando una componente meridional (poloidal). Los sentidos opuestos de las celdas y de las lineas de campo zonal en ambos hemisferios produce campos meridionales de igual sentido con eventual reconexión magnética (lineas de polo a polo). Efecto Alfa

91 Modelos numéricos del CMT Los modelos numéricos deben prefijar condiciones de inicio y de contorno, basados en las propiedades conocidas de la Tierra y la factibilidad de resolver los modelos ( trade-off ) El número de Elsasser condiciona si el modelo es de campo fuerte o campo débil (cinemático) El número de Reynolds define si se produce convección (10 3 ) y de que tipo (laminar, turbulenta). El número de Ekman determina la importancia relativa de los efectos de fricción (relación entre viscosidad y fuerza de Coriolis). < E, > velocidad La relación de difusividad cuantifica si la difusión magnética es importante (mayormente no)

92 Modelo de flujo de material del núcleo externo a) Sin campo magnético b) Con campo debil (debil interacción) c) Con campo fuerte (interacción fuerte) La interacción del campo magnético con el flujo de material provoca una complejidad sustantiva del flujo en el núcleo

93 Modelos numéricos dinámicos del CMT (campo fuerte) Ningún modelo publicado reproduce las condiciones de convección más probables de la Tierra. Se utiliza E (número de Ekman) mucho mayor y Ra (Número de Rayleigh) mucho menor. Esto hace la convección mucho menos turbulenta y un flujo más laminar

94 Comparación de tres modelos diferentes 1-rotador lento (E > 10-4 ) 2- intermedio (E ~ 10-5 ) 3- rotador rápido (E < 10-6 ) Diferencias importantes en el movimiento del material y en las líneas de campo magnético. Desplazamiento del material hacia el W en la parte superior y hacia el E en la inferior en los 3 modelos Sentidos opuestos del campo poloidal, pero en los 3 fundamentalmente dipolar (mismo sentido en todo el hemisferio)

95 La distribución de las energías cinética y magnética en el núcleo en función del grado de armónicos esféricos varia mucho en los tres modelos. El GR96 parece acercarse más a la distribución uniforme de la energía magnética proyectada a la interfase M-N, pero el término dipolar aparece demasiado pequeño

96 Comparación de la componente radial de la vorticidad (mov. del material) y el campo magnético cerca de la interfase M-N, vista desde el polo norte. El modelo de rotador rápido está más afectado por la rotación y produce un campo de aspecto más dipolar

97 Los modelos permiten observar el flujo de material Izq: Plano ecuatorial Der: Interfase M-N, vista desde el polo norte El modelo de rotación fuerte muestra un flujo muy fuerte hacia fuera en la región polar producto de un ascenso intenso de material entre la base y el tope del núcleo

98 Modelo de Glatzmeier y Roberts (1995) La importante circulación cerca de los polos lleva calor de la base al tope del núcleo Se forman fuertes vientos termales hacia el W cerca del tope y hacia el E cerca de la base Se pueden observar patrones de rotación y flujo y aún diferencias de temperatura en el núcleo

99 . Acoplamiento electromagnético con el núcleo interno produce super-rotación del NI. (Predicción de GR95) ~ 1 /año

100 Modelos más recientes prescriben una super-rotación mucho menor (< 0.1 /año) y oscilante

101 Reversión de polaridad del CMT según un modelo numérico (Glatzmaier y Roberts, 1995) 500 años antes punto medio 500 años después

102 Modelos numéricos del CMT

103 Glatzmaier et al (1999) han modelado el comportamiento del campo en función del flujo térmico en la interfase M-N. Los resultados confirman que la distribución de calor en la base del manto condiciona las características del CMT. En el modelo tomográfico (h) se producen reversiones y excursiones, aunque no hay asociación de reversión con disminución de intensidad. En algunos casos se anula el proceso de reversiones y el campo es muy estable e intenso (e) En el caso del modelo homogéneo (g), correlación intensidad-reversión y dos estados de polaridad muy estables

104 En el modelo tomográfico los PGVs parecen evitar las zonas de mayor flujo térmco en la base del manto. Se observa un cierto patrón de caminos de PGVs transicionales sobre las Américas, Australasia y Africa.

105 Distintos modelos dan diferentes distribuciones de energía de campo magnético (por grado de armónicos esféricos) en la interfase M-N. Llamativamente el modelo de rotador lento reproduce muy bien las condiciones del campo actual (Oersted)

106 Roberts y Glatzmaier (2001) modelaron la influencia del núcleo interno. Tres casos: S : 1/4 NI, G: NI; L: 2 NI (pasado, presente y futuro) Modelo abarcó 90 mil años

107 El caso del núcleo pequeño el campo es mucho más dipolar y reduce su dipolaridad con el aumento del tamaño del núcleo El modelo L fue el más inestable alcanzando una reversión promedio cada 15 mil años. El ángulo del dipolo en L fue en promedio de 17.9 respecto al eje de rotación contra 3.9 para G y 0.4 para S El campo fue más dipolar en el Arqueano? El momento dipolar virtual del campo no parece haberse afectado demasiado S: 6.44 ; G: 3.25 y L: 5.09 x Am 2

108 Que gobierna la convección del núcleo? -Convección térmica : material menos denso en profundidad por mayor T asciende hacia el tope del núcleo externo. Al enfriarse aumenta su densidad y desciende. (Tiempo total estimado: años). Fuente de calor: calor residual de la separación manto y núcleo Influencia de la solidificación del núcleo interno: la cristalización del núcleo externo en interno (basicamente hierro) es exotérmica. Al liberar calor, genera la fuente necesaria para la convección térmica. Convección Composicional: Braginsky (1963) fue el primero en llamar la atención sobre un posible efecto composicional en la convección del núcleo. El NI es más denso que el NE, se liberan elementos livianos en la base del núcleo que promueven convección Cálculos difieren: CC podria reportar del 50 al 90% de la energía para la convección

109 Algunos números adimensionales Re: Número de Reynolds Ra: Número de Rayleigh Rb: Número de Rossby E: Número de Ekman Pe: Número de Peelet Λ: Número de Elsasser

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111 Modelos del movimiento del fluido (modelos cinemáticos) Rotación diferencial del material del núcleo