IL CAMPO MAGNETICO

TERRESTRE visto dallo

spazio ha la struttura

di un dipolo: le lineedi campo sono in uscita

nelle vicinanze

del Polo sud magnetico

cm entrata vicinoal Polo nord.

Questa simulazione

al computer eseguitadai due fisici GaryA. Glatzmaier e Paul H.

Roberts mostra ancheil complicato andamento

delle linee di campoall'interno della Terra.

La INAM:RIRESTIREin laboratorio

Complessi esperimenti lo hanno dimostrato:

fluidi conduttori in moto possono generare

un campo magnetico permanente

che simula il campo magnetico terrestre

di Ulrich Wiler e Robert Stieglitz

e proprietà delle rocce ferromagnetiche erano già note alle antiche culture cinese e messicana. E pro-

« prio i cinesi furono verosimilmente i primi a sfruttare l'allineamento Nord-Sud di un ago magnetico per

la navigazione, seguiti nel Medioevo dai navigatori europei. Ma è solo nel 1600 che il medico e natura-

lista inglese William Gilbert (1544-1603), nel suo De Magnete, cercò di sistematizzare le conoscenze

sul magnetismo e sul campo magnetico terrestre: dai suoi esperimenti e dalle misurazioni del campo

terrestre eseguite da navi della flotta inglese dedusse che la Terra si comporta come un ma-

gnete permanente i cui poli si trovano nelle vicinanze dei poli geografici (Nord e Sud). Sulla

superficie terrestre l'intensità del campo geomagnetico è circa un decimillesimo di quella di un magnete per-

manente comunemente in commercio. Grazie alle regolari osservazioni condotte negli ultimi 150 anni sap-

piamo che il campo magnetico terrestre varia nello spazio e nel tempo. Così, dal 1831 - anno in cui ne fu de-

terminata l'esatta posizione da una spedizione polare britannica - il Polo nord magnetico si è spostato di di-

verse centinaia di chilometri verso nord-ovest. Anche l'intensità locale del campo magnetico alla superficie

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6?

Cilindri convettivi

QUANDO LE PARTICELLE DEL VENTO SOLARE VENGONO CATTURATE DAL CAMPO MAGNETICO

TERRESTRE, intorno ai poli si formano brillanti anelli di luce (nella pagina a fronte). La vera causa

di questo fenomeno si trova nelle profondità della Terra: nel nucleo esterno, composto di ferro fluido

fuso, si formano flussi cilindrici (a sinistra) dovuti alle differenze di densità e alla rotazione della

Terra. All'interno di questi cilindri di convezione il metallo fuso si muove a spirale verso l'interno

o verso l'esterno. Questi flussi di materiale conduttore formano una dinamo terrestre che produce

un campo magnetico la cui forza si mantiene. Alla fine degli anni settanta Charles Carrigan

e Friedrich Busse dimostrarono come possano formarsi flussi cilindrici nella regione fluida

del nucleo della Terra. Essi misero in rapida rotazione un fluido racchiuso fra un guscio sferico

interno raffreddato e un guscio esterno riscaldato (qui sopra, a sinistra). L'azione congiunta

delle forze ascensionali e delle forze di Coriolis generava nel fluido un flusso cilindrico visibile

sotto forma di striature chiare (a destra).

MIW

Trasm'ssionea cinghia

Nucleo solido «freddo»

Guscio solido «caldo»

Movimento spiraliforme interno

Movimento spiraliforme esterno

Crosta solida

Nucleofluido

Mantellvis

Nucleo

IN SINTESI

• Da almeno 3 miliardi di anni la Terra possiede un campo magnetico, soggetto afluttuazioni sia rapide sia a lungo termine; uno dei principali problemi geofisici riguardai meccanismi con i quali il campo si mantiene nonché le cause delle sue variazioni.• Da tempo è stata avanzata l'ipotesi della dinamo, secondo la quale il campomagnetico sarebbe generato da moti di materia elettricamente conduttrice nel nucleoterrestre. Grazie soprattutto allo studio delle onde sismiche, si conosce abbastanzabene la struttura interna del pianeta; in particolare si è stabilito che il nucleo ècostituito da un nocciolo metallico solido circondato da uno strato fluido. È all'internodi quest'ultimo che si formano le strutture convettive ritenute all'origine del campo.• Diversi gruppi di ricerca si sono dedicati alla verifica sperimentale del modello dellageodinamo; particolarmente convincente è quella realizzata dal gruppo degli autori, cheha fornito la prova della formazione di un campo magnetico permanente a opera dicorrenti vorticose in un conduttore quasi omogeneo. Essa è un importante punto dipartenza per allestire esperimenti in condizioni ancora più vicine al modello terrestre.

terrestre è sottoposta a fluttuazioni misu-rabili, che variano su una scala temporalemolto ampia, da pochi secondi a milionidi anni. Oggi sappiamo che le fluttuazionirapide sono provocate da fenomeni iono-sferici, mentre le oscillazioni a lungo ter-mine sono collegate a processi che sisvolgono all'interno della Terra.

Nei cambiamenti a lungo termine, lecosiddette variazioni secolari, si ricono-scono due tendenze: una è lo spostamentodella configurazione del campo magneti-co sulla superficie terrestre di circa 0,2gradi verso occidente ogni anno, l'altra èuna diminuzione annua dell'intensità dicirca lo 0,07 per cento. 11 perdurare diquesto decremento farà sparire il campomagnetico entro 4000 anni. Dall'esamedelle rocce contenenti minerali magnetiz-zati gli scienziati sono in grado di affer-mare che la Terra ha un campo magneticoda circa 3,5 miliardi di anni e che esso hainvertito la sua polarità diverse centinaiadi volte. In media questa inversione di po-larità si è verificata ogni 500.000 anni, main mi tempo relativamente breve, nell'arcodi poche migliaia di anni.

Ancora nel XIX secolo alcuni scienzia-ti ritenevano che il campo magnetico ter-restre avesse origine da un magnete per-manente all'interno della Terra. Rileva-menti sismici e geofisici di vario tipohanno però stabilito che le temperatureall'interno della Terra sono molto più altedi quella massima compatibile (circa 800gradi Celsius) con il ferromagnetismo.Dunque la causa del campo magneticoterrestre non può essere un magnete per-manente di ferrite.

All'epoca della sua formazione, la Terrapotrebbe aver in qualche modo «congela-to» nella sua materia un campo magneticoesterno? La risposta potrebbe essere posi-tiva, ma in base alle leggi dell'elettrodina-mica questo tipo di campi lentamente sidissolve e per un corpo come la Terra ciòsarebbe avvenuto già dopo circa 10.000anni. Poiché il campo magnetico terrestreha almeno 3 miliardi di anni, ci si è chie-sto quindi athaverso quali meccanismi es-so si mantenga e che cosa ne produca icambiamenti nello spazio e nel tempo.

Nel centro della Terra

Nel 1919 Joseph Larmor (1857 - 1942),fisico all'Università di Cambridge, fornìuna prima indicazione per la soluzionedell'enigma. Egli suppose che i campimagnetici osservati sulla superficie solarefossero prodotti dal flusso di materia elet-tricamente conduttrice all'interno del cor-po rotante della nostra stella. Ricondussecioè il campo magnetico solare a un ef-fetto dinamo. 11 fisico statunitense WalterM. Elsasser e il geofisico inglese Edward

C. Bullard, allora rispettivamente all'Uni-versità della California a San Diego e al-l'Università di Cambridge, hanno ripresoquest'idea cinquant'anni fa e l'hanno ap-plicata alle condizioni terrestri.

Ovviamente, una dinamo all'internodella Terra non avrebbe potuto avere unastruttura simile a quella di una dinamo dibicicletta o dei generatori di corrente. Inquesti manufatti una complicata disposi-

zione di bobine e materiale fenitico, il ro-tore, gira rispetto a una configurazionesimile ma statica, lo statore, inducendoviuna corrente. All'interno della Terra ab-biamo a che fare con una massa di metal-lo fuso che scorre con relativa facilità eche è un buon conduttore elettrico. Sotto-posto alle forze generate dalla rotazioneterrestre, questo metallo fuso potrebbesvolgere la stessa funzione del conduttorein movimento in una dinamo, che raffor-za un campo magnetico già presente e lomantiene nel tempo.

Il comportamento delle correnti elettri-

che e dei campi magnetici in conduttorielettrici in movimento - quali i fili metalli-ci o i metalli fusi - viene determinato datre leggi fondamentali dell'elettrodinami-ca: ogni conduttore elettrico percorso dacorrente è circondato da linee di forza dicampo magnetico; nei conduttori chevengono mossi trasversalmente rispettoalle linee di forza di un campo magnetico,viene indotta una tensione e scorre una

corrente; infine, nei fluidi buoni condutto-ri elettrici, come alcuni metalli fusi, le li-nee di forza del campo magnetico sonocome «congelate» nella materia e si muo-vono come fasce elastiche assieme a essa.

In particolare le linee di forza possonoessere distese, attorcigliate o piegate dalmoto del flusso. Inoltre questo stiramentoproduce un lavoro meccanico che altera ilcampo magnetico, facendo aumentarel'energia del campo magnetico dovuta al-l'energia cinetica del flusso. Gli specialistichiamano questo processo «effetto alfa»(si veda la finestra a pagina 70).

Un ulteriore meccanismo geofisico ri-levante, che può rafforzare un debolecampo magnetico, interviene quando unflusso conduttore esposto a forze di taglioviene portato ad assumere una forma «abobina». Sperimentalmente un flusso diquesto tipo si produce quando si riempiecon un liquido lo spazio fra due gusci sfe-rici concentrici che ruotano a velocità di-verse. Si parla in questo caso di «effettoomega». Se all'effetto omega si sovrappo-ne un processo alfa, generato da un ulte-riore moto vorticoso all'interno del flusso«a bobina», il ciclo di auto-alimentazione

è completato. In questa situazione i fisiciparlano di «dinamo alfa-omega».

Nel nucleo di metallo fuso della Terrasono probabilmente attivi entrambi que-sti processi. I meccanismi cinematici del-la dinamo appena esposti sono però trop-po semplici per rendere conto di tutte leproprietà osservate del campo magneticoterrestre. Si devono prendere in conside-razione anche i processi termodinamiciall'interno di una massa di metallo fusoche scorre.

Pur potendo eseguire misurazioni di-rette solo nella crosta terrestre fino a po-

chi chilometri di profondità, i geofisicisono riusciti a ottenere rappresentazioniabbastanza dettagliate della struttura in-terna del nostro pianeta, grazie ad accu-rate analisi delle onde sismiche che nepercorrono l'interno e a stime termodi-namiche generali.

Così dal bilancio termico alla superficieterrestre e dalle stratificazioni di densitàall'interno della Terra si possono trarreconclusioni sulla pressione e temperaturadel nucleo. Qui la pressione raggiungecirca 3,5 miliardi di ettopascal (cioè 3,5milioni di volte la pressione atmosfericaal livello del mare), mentre la temperaturaraggiunge i 6300 gradi Celsius.

La parte interna del nucleo ha un rag-gio di circa 1200 chilometri ed è costituitada ferro e nichel solidi. Essa è circondatada un guscio spesso circa 2700 chilometri,costituito da una lega metallica fluida diferro con piccole quantità di nichel, zolfo,silicio e ossigeno. La struttura metallicaconferisce naturalmente al nucleo unabuona conducibilità elettrica e termica.Intorno al nucleo si stringe il mantello,con uno spessore complessivo di circa2900 chilometri, che è formato essenzial-mente da composti di elementi leggeri co-me silicio, ossigeno e magnesio. La con-ducibilità elettrica e termica di questi ma-teriali è bassa. 11 mantello è anch'essosuddiviso in numerosi strati viscosi o pla-stici di diversa composizione. Al contrario

Attualmente l'intensità del campomagnetico oscilla e diminuisce

ogni anno dello 0,0? per cento

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Come si auto-rafforza un campo magneticoI n un fluido conduttore le linee di forza di un campo magnetico

possono essere deformate dai campi collegati ai flussi (a)e persino «corto-circuitate» in anelli chiusi su se stessi (b).La linea di campo chiusa è a sua volta connessa con una

corrente elettrica (c) che, in opportune condizioni, puòscorrere in direzione parallela al campo magnetico originario.

Questo processo viene chiamato dai fisici «effetto alfa».

Se il processo si ripete dove c'è già una linea di forza chiusa,

il campo magnetico originario si rafforza grazie a un lavoro

meccanico che ne altera le linee di forza (d). Questo è

un elemento fondamentale del processo della dinamo.

All'auto-rafforzamento del campo magnetico può concorrere

anche un secondo effetto, che si verifica quando in un vortice

di flusso, su cui agiscano forze di taglio, le linee di campo

magnetico sono portate ad assumere una forma a bobina (e).

Sperimentalmente, a quest'ultimo effetto, detto «effettoomega», si sovrappone un effetto alfa, e così il ciclo di auto-

rafforzamento si chiude (f).

\ Velocitàdel flusso v

eeo Rotazione

BX I

/ •

yr •

a

Campomagnetico B

Intensitàdi corrente j

I CILINDRI CONVETTIVI FORMATI DA UNA GEO-DINAMO IN UN GUSCIO SFERICO ROTANTE (in una

simulazione al computer eseguita dai ricercatori dell'Università di Bayreuth) vengono appiattiti

lungo la sezione trasversale in modo spiraliforme (a sinistra). Le superfici con uguali velocità

in direzione radiale sono rappresentate, nella parte inferiore della figura, in modo tridimensionale e,

nella parte superiore, lungo un piano meridiano. Si noti che linee dotate di uguale componente

radiale del campo magnetico a livello della superficie esterna del guscio non corrono parallele

all'equatore ma, per effetto del trasporto del singolo cilindro convenivo, sono deformate in modo

ondulatorio (a destra). Il blu indica valori negativi, il rosso valori positivi della componente radiale

del campo magnetico. Il verde chiaro rappresenta il campo magnetico di intensità nulla.

del nucleo esterno molto fluido, però, ilmantello non ha alcuna rilevanza per ilmeccanismo della dinamo.

Moti convettivi

Più che la struttura statica della Terra,per il fenomeno della dinamo sono signi-ficativi i movimenti che avvengono nellaparte fluida del nucleo. Le profonde diffe-renze di temperatura e composizione chi-mica del metallo fuso determinano gra-dienti di densità che generano correntiascensionali. Questi moti convettivi sonostimolati soprattutto dalle differenze dicomposizione chimica, che si rinnovano

di continuo poiché i componenti più pe-santi del fluido metallico si solidificanosullo strato esterno del nucleo solido. Inquesto modo un sottile strato adiacente siarricchisce di componenti più leggeri chenel campo gravitazionale cominciano asalire. Il solidificarsi del fluido metallicosul nucleo solido interno è causato da unraffreddamento continuo del nostro pia-neta: esso irradia alla superficie 0,08 watttermici per metro quadrato.

Senza la rotazione della Terra lo scam-bio convettivo di calore e materia nellazona fluida avverrebbe essenzialmente indirezione radiale e alla velocità, relativa-mente bassa, di circa un millimetro al se-

condo. A causa della rotazione del piane-ta, che nel nucleo fluido raggiunge unavelocità media dai 10 ai 30 metri al se-condo, nascono invece intense forze diCoriolis che perturbano i moti ascensio-nali della materia fusa. Negli anni settan-ta, quando si trovava all'Università dellaCalifornia a Los Angeles, Friedrich Busse,ora all'Università di Bayreuth, ha mostra-to che in questa situazione si sviluppanostrutture di flusso ordinate che assumonola forma di cilindri convettivi con assiorientati parallelamente all'asse di rota-zione della Terra (si veda il grafico di de-stra dell'illustrazione alle pagine 68-69).

Questi cilindri convettivi formano un

anello intorno al nucleo solido della Ter-ra. A seconda dell'intensità dei moti dirotazione e di convezione essi possonoanche presentarsi disposti in numerosistrati. Ciascun cilindro di convezione èdelimitato da una parete «solida» di mate-riale plastico molto denso appartenente almantello. Il rallentamento del moto diconvezione in prossimità di questo mar-gine provoca un flusso diretto verso ilcentro del cilindro. In questo modo, vici-no all'asse del cilindro si stabilisce unflusso spiraliforme diretto verso il basso,

che viene ulteriormente rafforzato da for-ze di taglio. Questi fenomeni si sviluppa-no simmetricamente negli emisferi sud enord. Nel complesso, nel nucleo esternodi metallo fluido e conduttore dovrebbecomparire una distribuzione relativamen-te ordinata di vortici di flusso con unastruttura spiraliforme della velocità.

Charles Carrigan e Friedrich Busse riu-scirono a confermare in modo convincen-te questi modelli grazie agli esperimentiche realizzarono alla fine degli anni set-tanta all'Università della California a LosAngeles. In questi esperimenti Carriganmise in rapida rotazione (circa 1000 girial minuto) un liquido che riempiva una

cavità a forma di guscio sferico. Riscal-dando la superficie esterna e raffreddandoquella interna produsse un gradiente ditemperatura in grado di determinare unacorrente di convezione termica. Parallela-mente all'asse di rotazione del liquido siformarono vortici cilindrici (si veda l'illu-strazione a destra a pagina 69).

Un siffatto sistema di vortici può in-durre e mantenere un campo magnetico?Per analizzare sistematicamente il proble-ma si è dovuto aspettare di disporre dicomputer dotati di elevatissime prestazio-

ni. Negli ultimi 10 anni gruppi di ricercanegli Stati Uniti, in Giappone, in Germa-nia e nel Regno Unito hanno cercato disviluppare simulazioni numeriche deiprocessi magneto-fluidodinamici che av-vengono all'interno della Terra, ottenen-do notevoli successi nella modellizzazio-ne dei complessi sistemi di flussi, moti ro-tatori, correnti elettriche e campi magne-tici. Oggi disponiamo così di una descri-zione dettagliata dell'effetto dinamo perstrutture la cui geometria e composizionecorrisponde a quella della Terra.

Tuttavia la capacità di calcolo dei piùpotenti computer non è ancora sufficien-te per simulare gli andamenti reali all'in-

terno della Terra alle scale temporali piùinteressanti dal punto di vista geofisico,quelle che vanno da alcuni giorni fino acirca 10 milioni di anni, e alle scale dilunghezza da 10 a 3500 chilometri. Ciònonostante si arriva a descrivere sorpren-dentemente bene tutto un insieme di ef-fetti geomagnetici fondamentali e moltifenomeni relativi alle correnti interne.Gary Glatzmaier del Los Alamos NationalLaboratory e Paul Roberts dell'Universitàdella California a Los Angeles presentaro-no nel 1995 una prima simulazione delcampo magnetico dipolare della Terra (siveda l'illustrazione a pagina 66), in cuiinclusero anche l'inversione di polarità ela deriva a ovest del campo magnetico.

Diversi gruppi di ricerca, fra cui quellodi Friedrich Busse, Andreas Tilgner e EikeGrote dell'Università di Bayreuth, tentanodi calcolare accuratamente l'interazionefra correnti convettive in gusci sferici ecampi magnetici autoalimentati. Ne emer-gono due fenomeni: lungo la sezione tra-sversale i cilindri convettivi vengono ap-piattiti con andamento spiraleggiante dal-le forze di Coriolis e, alle medie latitudini,le linee di forza del campo magnetico dizona vengono deformate secondo unoschema ondulatorio per l'effetto di tra-sporto dei singoli cilindri convettivi (si ve-da l'illustrazione in questa pagina).

La dinamo simulata

Considerazioni teoriche hanno mostra-to che la verifica sperimentale dei mecca-nismi della geodinamo può essere ottenu-ta solo con un grande sforzo sperimenta-le e accettando alcune deviazioni dal mo-dello geofisico. Per esempio le forzeascensionali che nella Terra mettono inmoto la convezione devono essere sosti-tuite, nell'esperimento, da pompe o agita-tori a elica. In questo modo al reale pro-blema geofisico della dinamo subentra un«problema cinematico» della dinamo incui si ha a che fare con vortici simulati.

Il problema cinematico si avvicina tan-to più a quello geofisico quanto più ilcampo di flusso simulato nell'esperimentosomiglia a quello del nucleo fluido dellaTerra, e ciò dipende dal tipo di fluido uti-lizzato e dalle sue proprietà elettriche, ter-miche e fluidomeccaniche, come pure dal-le prestazioni della pompa o, meglio, del-l'agitatore. Nella messa a punto dell'appa-rato sperimentale bisogna dunque assicu-rarsi che l'incremento dell'energia magne-tica, conseguente all'allungamento e allatorsione meccanici delle linee di forza delcampo magnetico, sia superiore al suo an-nullamento dovuto alla corrente elettricanelle resistenze ohmiche dei materiali.

Un indice utile a questo scopo è il co-siddetto numero di Reynolds. Si tratta di

In un fluido buon conduttore elettricole linee di forza del campo

magnetico sono come congelate

70 LE SCIENZE 405 /maggio 2002

www.lescienze.it 71

"n 50 70 90 110 130 150

Nessun effetto dinamo

Inter-capedine

Larghezza

del tubo Diametro del cilindro

Portata della corrente assiale nel tuboVc[m3/h];

A Campo di fiussoteorico

9A

B Singola celladi produzione dei vortici

Portata — Portata assialenell'intercapedine \

del cilindro

C Modulo completo della dinamo

oooo

ooo

o o

oo

o oo oo o

3n

2n

n

o n 2n 3n

www.lescienze.it 73

errore meccanico impedì il consegui-mento di uno stato attivo di dinamo. Inun secondo esperimento Gailitis, in col-laborazione con Gunter Gerbeth del Po-litecnico di Dresda, mise a punto una si-tuazione sperimentale analoga, ma leg-germente semplificata, riuscendo a pro-durre un campo magnetico auto-ali-mentato, oscillante in modo quasi perio-dico. Per la prima volta era stato dimo-strato sperimentalmente l'effetto omoge-neo della dinamo.

Un'interessante somiglianza con ilcampo di flusso del nucleo fluido dellaTerra la esibisce il modello proposto daGlyn Roberts dell'Università di Newcastleupon Tyne (Gran Bretagna): a un campodi velocità a vortici rotanti in modo alter-nato verso destra e verso sinistra, è so-vrapposta una velocità assiale di direzio-ne alternante. Friedrich Busse ha modifi-cato il campo di velocità di Roberts, con-siderandolo all'interno di un cilindro di

dimensione finita. Secondo Busse questadisposizione dovrebbe rendere conto del-le strutture di vortici all'interno di pianetirotanti. Secondo i calcoli del teorico diBayreuth, in questo flusso l'auto-alimen-tazione magnetica dovrebbe comparireper numeri di Reynolds magnetici relati-vamente bassi, intorno a 10. Busse tracciòanche le linee di un esperimento, in cui ilcampo di correnti poteva essere prodottoda pompe applicate esternamente nei ge-neratori di vortici. Un apparato per otte-nere questi valori richiedeva un recipien-te cilindrico di un metro di raggio e unmetro di altezza, e il fluido di sodio al suointerno doveva raggiungere una velocitàdi scorrimento di circa 5-10 metri al se-condo per 52 celle di vortici.

Forte di una lunga esperienza di lavorocon flussi di sodio liquido, il nostro grup-po presso il Centro di ricerca di Karlsruheiniziò a sviluppare un apparato sperimen-tale simile nel 1992. L'elemento centrale è

GLI AUTORI

ULRICH MÚLLER, docente di meccani-ca dei fluidi al Politecnico di Karlsruhe,ha diretto fino all'aprile 2000 l'Istitutodi tecnica nucleare ed energetica delCentro di ricerca di Karlsruhe.ROBERT STIEGLITZ è direttore di pro-getto all'Istituto ditecnica nucleare edenergetica del Centro di ricerca di Karl-sruhe e ne dirige l'esperimento di geo-dinamo.

La dinamo di Karlsruhe

p

er simulare sperimentalmente la dinamo terrestre, era

necessario un complesso apparato sperimentale. Un campo

di flusso, proposto da Glyn Roberts dell'Università di Newcastle

upon Tyne, forniva le basi teoriche dell'esperimento: vortici

rotanti verso destra e verso sinistra si alternano in modo

ordinato formando un reticolo periodico; inoltre, in essi il fluido

scorre in modo alternato verso l'alto e verso il basso (a]. A partire

da questo modello, Friedrich Busse dell'Università di Bayreuth e

gli autori hanno sviluppato un programma per realizzare

tecnicamente l'esperimento: all'interno di un cilindro di circa due

metri di diametro (c] sono installate 52 celle che generano i

vortici (b]. In (c] sono anche mostrate, per due di queste celle (in

verde] la struttura interna e i tubi incurvati di collegamento alle

loro estremità. Le lamiere guida provvedono a determinare

l'andamento spiraliforme del flusso.

Su questa base i gruppi di lavoro del Centro di ricerca di

Karlsruhe hanno realizzato l'esperimento. Esternamente, il

modulo dinamo ha forma cilindrica (fotografia a sinistra] e

contiene 52 generatori di vortici, che sono accoppiati con i tubi

incurvati in modo da produrre un circuito chiuso (fotografia a

destra]. All'interno dell'apparato è stato pompato sodio fluido

con una portata da 50 a 150 metri cubi all'ora. Due pompe

mettono in moto le correnti dei vortici, una terza la corrente in

direzione assiale.

A grandi portate si forma un buon campo magnetico, la cui

intensità varia a causa delle turbolenze nel flusso di sodio, ma è

mediamente stazionaria nel tempo. Questo campo è circa 100

volte più intenso del campo magnetico terrestre.

L'instaurarsi di un'auto-alimentazione del campo magnetico

dipende dalla combinazione della portata del flusso nelle

correnti dei vortici e in quelli assiali. L'esperimento è stato

condotto variando questi parametri. I ricercatori di Karlsruhe

hanno cosi potuto ottenere un diagramma che definisce le

condizioni di auto-alimentazione del campo magnetico.

un indice adimensionale che è funzionedella velocità media del flusso del con-duttore fluido (una grandezza tipica deivortici di corrente) e di due proprietà deimateriali, la conducibilità elettrica e lapermeabilità magnetica. Il numero diReynolds magnetico descrive il compor-tamento dell'energia prodotta e persa nelcampo magnetico.

Affinché l'esperimento fornisca unachiara prova dell'effetto dinamo, questoindice deve assumere un valore ampia-mente superiore a 1. A questo scopo sisceglie un fluido metallico dotato di altaconducibilità elettrica, bassa viscosità ebassa temperatura di fusione. Il sodio, chea temperature superiori ai 97 gradi Cel-sius è liquido, ha queste proprietà. Ne se-gue che l'apparato sperimentale devecontenere uno o più metri cubi di fluido eprodurre in esso correnti con velocità da5 a 20 metri al secondo. Finora due grup-pi di lavoro hanno condotto con successo

72

esperimenti di queste dimensioni: uno al-l'Istituto di fisica di Riga, in Lettonia, l'al-tro nel Centro di ricerca di Karlsruhe.

Nel 1987 il gruppo di ricerca lettone,diretto da Agris Gailitis, aveva tentato didimostrare l'effetto dinamo su un unicovortice spiraliforme circondato da sodiofluido a riposo. Un siffatto campo di ve-locità corrisponde al vortice di un singo-lo cilindro convettivo nel nucleo terre-stre. Tecnicamente, esso fu realizzatocollocando all'interno di un grosso tuboun generatore di torsione a guide metal-liche. L'apparato era azionato da unapompa magneto-fluidodinamica che a-veva una portata di 1200 metri cubi al-l'ora, e il fluido sperimentale tornava al-l'imbocco del tubo scorrendo lungo unrivestimento esterno.

Gailitis e colleghi riuscirono così a mo-strare che un campo magnetico variabileapplicato dall'esterno viene rafforzato dal-la corrente spiraliforme di sodio e che,

dopo lo spegnimento della sorgente ester-na, la scomparsa del campo magnetico siverifica in modo sensibilmente rallentato.Era un chiaro segno che presto sarebbestato possibile raggiungere le condizionicritiche per l'auto-alimentazione di uncampo magnetico.

Il gruppo lettone avrebbe certamentepotuto raggiungere il risultato, ma un

LE SCIENZE 405/maggio 2002

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BIBLIOGRAFIA

GLATZMAIER GARY A. e ROBERTS PAUL H., AThree-Dimensional Self-Consistent Compu-ter Simulation of a Geomagnetic Field Reversal in «Nature», 377, p. 203, 1995.

TILGNER ANDREAS, BUSSE FRIEDRICH e GROTE EIKE, Experimente zum Dynamo-Effektin «Sterne und Weltraum», n. 4, p. 230, 2000.

il «modulo-dinamo», che è costituito da52 generatori di vortici, completati da tu-bi incurvati alle cui estremità si produce ilcampo di velocità proposto da Busse. Nelmodulo il flusso viene ottenuto tramiteun circuito di alimentazione sostenuto datre pompe magneto-fluidodinamiche: duemettono in moto la corrente dei vortici, laterza genera la corrente assiale. L'appara-to entrò in funzione nel 1999.

Come ci aspettavamo, a una portata disodio di circa 120 metri cubi all'ora neicanali di flusso dei generatori di vortici sistabilì un esteso campo magnetico in me-dia stazionario nel tempo. Questo campoè circa 100 volte più intenso del campomagnetico terrestre. Come il modello ter-restre, esso presenta ima struttura dipola-re, in cui l'allineamento del dipolo è tra-sversale all'asse del modulo-dinamo.

L'innesco dell'effetto dinamo e l'alli-neamento del campo magnetico sono inbuon accordo con le previsioni teorichesviluppate per questo assetto sperimenta-le da Andreas Tilgner dell'Università diBayreuth (ora all'Università di Gottinga) eda Karl Heinz Rkller dell'Istituto di a-strofisica di Potsdam. Con un'abile sceltadelle condizioni iniziali dell'esperimentosiamo anche riusciti a produrre un campomagnetico con allineamento opposto.Variando, in un gran numero di prove, iparametri relativi alle componenti assia-li e spiraliformi dei flussi, siamo riusciti atracciare un diagramma che specifica lecondizioni di innesco dell'auto-alimenta-zione dell'effetto dinamo (si veda il gra-fico in alto a sinistra nella finestra a pa-gina 72).

Verso un maggiore realismo

I nostri esperimenti nel Centro di ricer-ca di Karlsruhe forniscono la chiara provasperimentale che correnti vorticose in unconduttore quasi omogeneo possono pro-durre spontaneamente un campo magne-tico permanente. E confermano al con-tempo, in virtù dell'analogia con le ipo-tizzate strutture di corrente nel nucleoterrestre, il modello di una geo-dinamo.

Prima però che gli esperimenti di Rigae di Karlsruhe possano essere consideratiuna dimostrazione realmente soddisfa-cente della geo-dinamo, vanno superatedue carenze dell'apparato sperimentale.In primo luogo, il sodio liquido non scor-re liberamente, ma entro stretti canali. In

questo modo il campo magnetico, unavolta prodotto, può ripercuotersi solo inmisura ridotta, attraverso la forza di Lo-rentz, sul flusso e modificarne la forma.In secondo luogo, il flusso viene messoin moto dall'esterno e non è generato daforze ascensionali.

L'esigenza di una migliore compren-sione dell'accoppiamento a reazione fracampo magnetico prodotto e flusso stadando vita, sia in Europa sia negli StatiUniti, a ulteriori programmi sperimentali.In essi vengono impiegati contenitori diforma sferica o cilindrica, nei quali - at-traverso eliche messe in moto dall'ester-no - si ottengono vortici circolari spira-liformi. Le dimensioni del contenitore so-no scelte in modo che, ottenuti vortici diuna certa intensità, si dovrebbe osservarel'effetto dinamo.

Il campo magnetico generato potrebbequindi influire sulla corrente vorticosache si è sviluppata liberamente in manie-ra più significativa di quanto non accadacon quella costretta nei canali delle dina-mo di Riga e Karlsruhe. Tuttavia è tecni-camente difficile, per quanto riguarda ilflusso, produrre un campo di velocità li-bero che assomigli al modello geofisicotanto quanto quello adottato nell'esperi-mento di Karlsruhe.

Un esperimento progettato da DanielP. Lathrop dell'Università del Maryland aCollege Park sembra particolarmentepromettente. Il gruppo di ricerca di Lath-rop tenta di modificare nelle dimensioni,nei materiali e nei parametri sperimenta-li l'apparato di Carrigan e Busse, in mododa raggiungere l'auto-alimentazione delcampo magnetico. Il sodio liquido è po-sto fra due gusci sferici di titanio. Il gu-scio interno viene raffreddato lungo l'as-se centrale con un liquido di raffredda-mento, quello esterno riscaldato tramitepannelli radianti. I due gusci e il fluidovengono poi posti in rapida rotazione, fi-no a centinaia di giri al secondo. In que-ste condizioni nel sodio si formano cilin-dri di convezione.

Se questo apparato sperimentale potes-se raggiungere certe condizioni - ossiaforze ascensionali termiche adeguate e unnumero di giri sufficientemente elevato -le condizioni di auto-alimentazione delcampo magnetico dovrebbero essere mol-to simili a quelle reali all'interno della Ter-la. I prossimi anni mostreranno se si riu-scirà a realizzare queste condizioni.

Si può ordinare al sito: www.lescienze.it ,mandare un fax al numero 02/6552908o telefonare al numero 02/29001753 LE SCIENZE 405 /maggio 2002