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Fernando Brenha RibeiroEder Cassola Molina
6.1 Introdução6.2 Elementos do campo geomagnético 6.3 Unidades de medida do campo geomagnético6.4 Características observáveis do campo geomagnético 6.5 Instrumentos de medida6.6 Modelos do campo geomagnético 6.7 A geração do campo geomagnéticoReferências
Licenciatura em ciências · USP/ Univesp
Geof
ísic
a6O CAMpO MAGnétICO tERREstRE
133Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2
Geofísica
6.1 IntroduçãoObservações relacionadas ao fenômeno do magnetismo são relatadas desde alguns séculos a.C.
Aristóteles chegou a citar que algumas propriedades da atração magnética foram estudadas por
Tales, no século VI A.C. Ao que parece, os chineses já conheciam as propriedades magnéticas
dos materiais naquela época ou antes disso, mas os primeiros relatos conhecidos datam do
início do século X. É famosa uma lenda popular que diz que um pastor de ovelhas conduzia
seu rebanho pelas terras da Grécia quando percebeu que os pregos de suas sandálias tinham sido
atraídos fortemente por uma pedra escura que ele pisara. Essa rocha, posteriormente, recebeu o
nome de magnetita por ter sido descoberta na região chamada Magnésia.
Por se tratar de uma propriedade incomum, existem diversas lendas sobre o magnetismo e os
materiais magnéticos. Inicialmente, esses materiais eram tidos como mágicos, por apresentarem
essa propriedade única; há relatos de recomendação do uso de materiais magnéticos naturais para
curar doenças e afugentar fantasmas. Uma lenda chega a contar que Arquimedes teria usado rochas
magnéticas para atrair os pregos dos navios inimigos e afundá-los. O fato de que um objeto feito de
magnetita, que tivesse a forma de uma agulha e fosse colocado para flutuar na água, apontava sempre
para a mesma direção ajudou a reforçar as lendas sobre as propriedades mágicas desse material.
As características distintas da magnetita que eram conhecidas na Antiguidade incluíam o fato
de que, ao se atritar alguns materiais metálicos na magnetita, estes adquiriam suas propriedades e
se tornavam imantados, e a descoberta de que, se um peixe esculpido em ferro fosse aquecido ao
rubro e deixado esfriar com a cauda apontando para o norte, não seria necessário esfregá-lo na
magnetita para ele se tornar magnético, o que poderia ser verificado colocando-o para flutuar
na água sobre um pedaço de madeira.
Somente em 1269 um documento científico sobre magnetismo foi publicado por Petrus
Peregrinus (ou Peter Peregrinus, em algumas traduções), em forma de carta enviada ao seu
vizinho. Ao que parece, Petrus estava em uma campanha militar na Itália e, durante o cerco a
Lucera, teve oportunidade de descrever nessa carta diversas observações a respeito da magnetita
e do magnetismo, desde detalhes sobre a construção de uma bússola até o comportamento das
linhas de campo magnético em uma esfera de magnetita.
Durante as grandes navegações, a bússola era um instrumento fundamental nos navios, e
alguns estudos sobre seu comportamento ante materiais metálicos são relatados por navegadores e
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exploradores. Cristóvão Colombo, por exemplo, deixou um valioso registro em seu diário de bordo
em setembro de 1492, ao cruzar a linha de declinação zero, chamada atualmente “linha agônica”,
quando estava próximo aos Açores. Essa linha atualmente encontra-se no oeste da América do Sul.
A próxima data significativa para o magnetismo veio em 1600 com os estudos de William
Gilbert, que notou que a Terra se comportava como um ímã gigante, que ímãs podiam ser
fabricados ao se bater em ferro de determinadas maneiras e que a magnetização podia ser
perdida caso o material fosse aquecido acima de certa temperatura.
Os avanços posteriores nesta área vieram com grandes cientistas do século XIX, como
Oersted, Maxwell e Gauss, que relacionaram o fenômeno do magnetismo ao da eletricidade,
estabelecendo as bases do eletromagnetismo, e estimularam a padronização das medidas do
campo magnético terrestre, o estabelecimento de observatórios magnéticos e a formulação
matemática e física para a investigação desse campo.
6.2 Elementos do campo geomagnético A Terra comporta-se como um gigantesco ímã e esse fato é notório a qualquer explorador que
se oriente por meio de uma bússola. A agulha imantada da bússola alinha-se com o meridiano mag-
nético local e aponta sempre para uma mesma direção - a direção do norte-sul magnético. Deve-se
notar que a direção norte-sul magnética
é distinta da direção norte-sul geográfica,
ou seja, o norte magnético não coincide
com o norte geográfico na maior parte da
superfície terrestre.
A forma mais conveniente de
exprimir a força magnética em um
determinado local da superfície terrestre
é decompondo o vetor força magnética
em 3 componentes: a declinação
magnética, a inclinação magnética
e a intensidade da força magnética
(normalmente chamada de “campo
Figura 6.1: Elementos do campo geomagnético em um ponto da superfície terrestre. O eixo Ox aponta na direção do norte-sul geográfico, o eixo Oy aponta na direção do leste-oeste geográfico e o eixo Oz aponta na direção vertical.
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Geofísica
total”). A Figura 6.1 traz a representação desses elementos para um ponto localizado no
hemisfério norte magnético.
6.3 Unidades de medida do campo geomagnéticoTemos no eletromagnetismo dois vetores ligados ao campo magnético: o vetor indução
magnética, normalmente chamado de B, e o vetor intensidade do campo magnético, chamado
de H. Dependendo do tipo de sensor utilizado para medir o campo magnético, pode mudar a
escolha natural do vetor que deve expressar a medida. Se, por exemplo, usarmos bobinas para
medir o campo, estaremos investigando o campo magnético induzido nelas; então, seria intui-
tivo utilizar B para expressar a grandeza; se estivermos utilizando ímãs para a medida, a escolha
lógica para o valor do campo seria H. Ocorre que esses dois vetores não têm o mesmo tipo de
unidade e não podem ser utilizados indistintamente para expressar o campo.
Felizmente, existe uma relação simples entre os vetores B e H, dada por B = μ H, com μ sendo
a permeabilidade magnética do meio. Isso permite a escolha de B ou H para expressar o campo
magnético, visto que ambos estão diretamente relacionados. Em Geofísica, a recomendação
dada pela Associação Internacional de Geomagnetismo e Aeronomia (IAGA), em 1973, é a de
Observando a Figura 6.1, podemos definir os elementos do campo geomagnético da seguinte forma:
• a projeção do vetor força magnética no plano Oxy define o meridiano magnético, ou seja, a direção norte-sul magnética;
• a diferença angular entre o vetor força magnética e o plano horizontal Oxy é chamada inclinação magnética; ela é positiva quando o vetor força magnética aponta para baixo do plano horizontal e negativa na situação contrária;
• a diferença angular entre o norte-sul magnético e o norte-sul geográfico é chamada declinação magnética. Por convenção, ela é positiva quando o meridiano magnético fica a oeste do norte geográfico e negativa na situação inversa;
• o módulo do vetor força magnética é chamado intensidade magnética ou campo total.
Com esses 3 elementos é possível caracterizar o campo geomagnético em qualquer lugar do planeta.
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que o campo geomagnético deve ser expresso pelo vetor B. Isso, porém, ainda não é suficiente
para evitar confusão, pois temos dois sistemas comuns para as unidades: o Sistema Internacional
(SI) e o Sistema CGS eletromagnético (CGSEM). No CGSEM, B é expresso em Gauss (G), e
no SI B é expresso em Tesla (T). Também por recomendação da IAGA, a unidade utilizada em
Geofísica é o Tesla. A relação entre essas unidades também é simples: 1 Tesla = 104 Gauss.
Como a intensidade do campo geomagnético é relativamente pequena, é comum utilizar
um submúltiplo do Tesla, o nanoTesla (nano = 10-9, 0,00000000 T). Desta forma, o valor da
intensidade do campo geomagnético na região de São Paulo, no ano de 2011, é da ordem de
grandeza de 25000 nT.
6.4 Características observáveis do campo geomagnético
O campo magnético terrestre tem
como característica importante o fato
de que, em um primeiro ajuste, pode ser
considerado como um campo dipolar, ou
seja, como o campo gerado por um ímã
comum que tem um polo norte e um
polo sul. Mais de 90% das observações
sobre o campo geomagnético podem
ser explicadas por um campo magnético
dipolar desse tipo. O eixo desse
dipolo magnético tem um pequeno
deslocamento, de aproximadamente
11°, em relação ao eixo de rotação da
Terra. Este pequeno valor sugere que
pode haver alguma correlação entre a
geração do campo geomagnético e a
rotação terrestre, visto que, de todas as posições possíveis no espaço tridimensional, o eixo do
dipolo quase coincide com o eixo de rotação.
Figura 6.2: Mapa de distribuição dos valores de inclinação magnética para o ano de 2002. A linha vermelha denota a linha de inclinação zero, ou seja, o equador magnético.
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Geofísica
Outra característica notável do campo geomagnético é a de que as grandes feições
magnéticas observadas nos mapas dos elementos magnéticos (inclinação, declinação,
intensidade) não parecem se alterar na passagem da crosta continental para a crosta oceânica,
nem em regiões de grandes feições geológicas, como seria de se esperar, caso esse campo fosse
gerado pelas rochas que se encontram nas primeiras camadas da Terra. Isso é um indicativo
de que o campo geomagnético não deve ter contribuição significativa das primeiras camadas
do planeta. A Figura 6.2 mostra as linhas de mesma inclinação magnética (as linhas de
mesma inclinação magnética são chamadas isoclínicas) para a região brasileira no ano de
2002, e pode-se notar que não existe correlação aparente entre as feições magnéticas e as
feições geológicas maiores conhecidas.
Outras importantes características do campo geomagnético estão relacionadas à sua variação
temporal. Ao contrário do campo da gravidade, que pode ser considerado estático para o intervalo
de tempo de alguns anos ou até mesmo décadas, o campo geomagnético apresenta variações no
tempo, que vão de horas a milhares de anos. As principais variações temporais do campo são:
• variação diurna solar: tem período de 24 horas e apresenta valores que atingem tipi-
camente algumas dezenas de nT; esta variação não é a mesma para todos os locais da
Terra, existindo pontos onde ela apresenta valores crescentes durante o dia até atingir um
máximo por volta do meio-dia, decrescendo lentamente durante a tarde para atingir o
mesmo valor inicial no final da noite. Em épocas de maior atividade solar podem ocorrer
as chamadas “tempestades magnéticas”, causadas por uma maior emissão de partículas
provenientes do Sol, que interagem com o campo magnético da Terra, gerando correntes
secundárias que perturbam esse campo;
• variação secular: tem escala de tempo típica de centenas a milhares de anos e não é a mesma
para todos os pontos da Terra. Esta variação faz com que o campo como um todo migre lenta-
mente para oeste, um fenômeno que é conhecido como “deriva para oeste”. Por esse motivo,
as cartas geomagnéticas tem de ser refeitas a cada 5 anos. A Figura 6.3 mostra a variação da
intensidade do campo geomagnético para a cidade de São Paulo no período de 1960 a 2011.
• reversões do campo geomagnético: o campo magnético chega a sofrer mudanças bruscas
em certos períodos, chamadas de reversões do campo geomagnético. Nessas reversões,
que ocorrem muito rapidamente no tempo geológico (estima-se que em um intervalo de
tempo de 3.000 a 5.000 anos), os polos magnéticos da Terra se invertem, ou seja, o local
onde hoje é o polo norte magnético ficaria sendo o polo sul magnético e vice-versa caso
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ocorresse uma reversão nos dias de hoje. Após uma reversão, o campo permanece com
a mesma orientação por períodos que vão de centenas de milhares a milhões de anos,
sem periodicidade conhecida até o momento. Essas reversões podem ficar registradas nas
rochas ígneas e serem recuperadas pelos geofísicos especializados em estudar o campo
magnético passado da Terra, ciência conhecida com Paleomagnetismo.
Outro fator que é peculiar do campo geomagnético é a contribuição externa. Enquanto o
campo gravimétrico, por exemplo, é de origem exclusivamente interna, o campo geomagnético tem
uma pequena componente que é gerada fora da parte sólida da Terra. O fluxo de partículas carregadas
do Sol e de outras estrelas interage com as altas camadas da atmosfera, e gera campos secundários tênues,
mas importantes para a Geofísica e para aplicações espaciais e em telecomunicações.
6.5 Instrumentos de medidaExistem diversos tipos de instrumentos que podem ser utilizados para a medição das grandezas
associadas ao campo geomagnético. Gauss chegou a propor um tipo de medição, que poderia
ser utilizado para determinar a inclinação e declinação magnética por meio de instrumentos
chamados variômetros ou variógrafos, e um tipo de medição baseado na oscilação ou deflexão
de um ímã suspenso para obter a intensidade do campo horizontal. Atualmente, são utilizados
equipamentos chamados magnetômetros para determinar a intensidade (e, eventualmente, a
direção e o sentido) do campo geomagnético com rapidez e precisão.
Figura 6.3: Variação da intensidade do campo geomagnético para a cidade de São Paulo. Valores em nT.
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Geofísica
Os três tipos principais de magnetômetros utilizados em Geofísica são o de precessão de pró-
tons, o fluxgate e o de bombeamento óptico. Trata-se de equipamentos sofisticados, baseados em
efeitos físicos relativamente complexos, que, por esse motivo, não serão detalhados neste texto. Para
conseguirmos entender as características e variações do campo geomagnético é suficiente saber
que os magnetômetros de precessão de prótons e os de bombeamento óptico fornecem apenas o
valor da intensidade do campo geomagnético, de forma descontínua (ou seja, não fornecem um
registro contínuo desse elemento, mas uma taxa de amostragem do mesmo elemento, atualmente
da ordem de 10 medidas por segundo), ao passo que os magnetômetros fluxgate permitem a
determinação das componentes do campo geomagnético em qualquer direção, fornecendo uma
distribuição contínua de valores ao longo do tempo. Os primeiros são muito utilizados em traba-
lhos de campo de Geofísica, e o último normalmente é utilizado em observatórios geomagnéticos.
6.6 Modelos do campo geomagnético Com o acúmulo de dados geomagnéticos pelos observatórios magnéticos estabelecidos
em diversos países do mundo e por campanhas geofísicas para a exploração da Terra, é possível
elaborar modelos do campo geomagnético que
permitam estimar os parâmetros inclinação,
declinação e intensidade para qualquer ponto do
planeta em uma determinada época. Esses modelos
têm diversas aplicações, seja para determinar
os parâmetros para localização (a declinação
magnética, por exemplo, é necessária para obter
o norte geográfico quando se utiliza uma bússola,
que aponta para o norte magnético) seja para
corrigir dados geofísicos.
Os modelos internacionais mais utilizados
são o IGRF (International Geomagnetic
Reference Field) e o WMM (World Magnetic
Model ). O IGRF é o modelo recomendado
pela IAGA, e é recalculado periodicamente Figura 6.4: Representação da intensidade do campo geomagné-tico para 07/9/2011, calculada pelo modelo IGRF -11. Valores em nT.
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em função de novos dados e avanços numéricos e computacionais. Uma boa descrição
desse modelo (em inglês) pode ser encontrada nos endereços eletrônicos fornecidos no
final deste texto. A representação da intensidade do campo geomagnético para 07/9/2011
calculada a partir desse modelo encontra-se na Figura 6.4.
O WMM é similar ao IGRF, mas tem outra metodologia para o cálculo, além de utilizar
dados distintos para elaborar o modelo e se prestar a outra finalidade: representar os valores do
campo geomagnético associados exclusivamente às partes mais profundas da Terra. As contri-
buições da crosta e do manto superior não são contempladas (nem desejadas) por este modelo,
nem as contribuições da ionosfera e da magnetosfera. A Figura 6.5 mostra a configuração da
declinação magnética para a Terra calculada pelo WMM para 01/01/2010.
Esses modelos são adequados para representar o campo geomagnético de forma global, mas
sua precisão depende da qualidade e da quantidade de informação disponível para elaborá-los.
No caso do território brasileiro, de dimensão continental e com apenas dois observatórios
geomagnéticos para fornecer os dados, espera-se que a precisão dos dados previstos pelos
modelos IGRF e WMM não seja tão boa quanto é para os EUA e países europeus, por
Figura 6.5: Representação da declinação magnética para 01/01/2010, calculada pelo modelo WMM.
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Geofísica
exemplo, onde a quantidade e a densidade de observatórios geomagnéticos permitem uma
melhor representação dos elementos do campo magnético terrestre.
Uma alternativa para amenizar esse problema foi proposta por dois pesquisadores do
Observatório Nacional, no Rio de Janeiro. Motta e Barreto publicaram, em 1992, um modelo
geomagnético para o território nacional calculado a partir dos dados dos dois observatórios
magnéticos brasileiros e de diversos observatórios itinerantes, que foram distribuídos pelo Brasil
e deixados em operação por períodos limitados. Essa melhor distribuição espacial de dados
e o tratamento numérico utilizado permitiram a elaboração de um modelo que representa
relativamente bem os elementos magnéticos no território nacional. A Figura 6.2 foi feita com
base nos dados calculados com esse modelo.
6.7 A geração do campo geomagnéticoPodemos imaginar alguns mecanismos possíveis para explicar a existência e as características do
campo geomagnético. A hipótese mais simples seria admitir que a Terra é formada por material
magnetizado e se comportaria como um enorme ímã exatamente por isso. Esta hipótese não
tem respaldo científico por alguns motivos, entre eles o fato de que a quantidade de minerais
magnéticos necessária para justificar o campo magnético terrestre seria exageradamente grande,
e exigiria uma espessura muito grande de material magnetizado na forma concentrada.
Além disso, uma Terra constituída de material magnetizado não poderia dar origem a variações
temporais do campo, como a variação secular, por exemplo.
O fluxo de correntes elétricas na superfície da Terra também seria capaz de gerar um campo
magnético considerável. Esta hipótese foi trabalhada pelos cientistas até que conseguiram calcular a
corrente necessária para gerar um campo compatível com o da Terra e descobriram que essas correntes
teriam de ser milhares de vezes mais intensas do que as que são observadas na superfície terrestre.
Por fim, um modelo plausível para a geração do campo geomagnético foi proposto por
Elsasser, em 1946, e por Bullard em 1949. Este modelo considera que a Terra funciona como
um dínamo, que converte energia mecânica em energia elétrica. O movimento do material
metálico líquido do núcleo externo, ao redor do núcleo interno metálico da Terra, faria o
papel desse dínamo e geraria um campo magnético compatível com o observado na superfície.
Este modelo explicaria bem as características observáveis do campo geomagnético, podendo,
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6 O campo magnético terrestre
inclusive, justificar a variação secular caso houvesse uma rotação diferencial entre o núcleo e
a crosta. A reversão do campo geomagnético, porém, não pode ser explicada por este modelo.
Em 1958, Rikitake sugeriu um modelo com dois dínamos acoplados, que poderia explicar
as reversões do campo magnético caso os dínamos possuíssem propriedades distintas e sentidos
contrários de rotação. As simulações numéricas e os testes em laboratório comprovaram a
possibilidade de este modelo gerar um campo magnético com todas as características do campo
da Terra e, atualmente, este é o modelo vigente para explicar a geração do campo geomagnético.
ReferênciasIAGA. International Geomagnetic Reference Field. Disponível em: <http://www.ngdc.noaa.
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NOAA. National Oceanic and Atmospheric Administration. Disponível em:
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models_compass/mercator.html>.[28/01/2010]. Acesso em: Ago. 2012.
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Geofísica
Glossário0,000000001: Em referências antigas, é comum também encontrar uma unidade de medida chamada γ,
que é equivalente ao nT.
Dados geomagnéticos: No Brasil, temos dois observatórios geomagnéticos permanentes: o de Vassouras, no Rio de Janeiro, e o de Tatuoca, em Belém do Pará.
Material magnetizado concentrado: Normalmente, os minerais magnéticos encontram-se disseminados nas rochas, e é extremamente raro encontrá-los na forma concentrada.
Norte magnético: Assim como o norte geográfico não coincide com o norte magnético na maior parte dos pontos da superfície terrestre, também o equador magnético não coincide com o equador geográfico, nem o hemisfério norte geográfico coincide com o hemisfério norte magnético (o mesmo valendo para o sul).
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