Aunque el campo magnético de la Tierra se parece al de un imán de barra, debemos encontrar otra explicación para el origen del campo. Los imanes permanentes no pueden existir a las temperaturas que se encuentran en el núcleo de la Tierra. También sabemos que la Tierra ha tenido un campo magnético durante cientos de millones de años. Sin embargo, no podemos simplemente atribuir la existencia del campo geomagnético actual a algún evento en el pasado distante. Los campos magnéticos decaen, y podemos mostrar que el campo geomagnético existente desaparecería en unos 15,000 años a menos que hubiera un mecanismo para regenerarlo continuamente.
Se han postulado muchos mecanismos para explicar cómo se genera el campo magnético, pero el único que ahora se considera plausible es análogo a una dinamo o generador, un dispositivo para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. Para comprender cómo funcionaría una dinamo en el contexto de la Tierra, necesitamos comprender las condiciones físicas en el interior de la Tierra.
La Tierra está compuesta de capas: una delgada corteza externa, un manto de silicato, un núcleo externo y un núcleo interno. Tanto la temperatura como la presión aumentan con la profundidad dentro de la Tierra. La temperatura en el límite del manto central es de aproximadamente 4800 ° C, lo suficientemente caliente como para que el núcleo externo exista en estado líquido. Sin embargo, el núcleo interno es sólido debido al aumento de la presión. El núcleo está compuesto principalmente de hierro, con un pequeño porcentaje de elementos más ligeros. El núcleo externo está en constante movimiento, debido tanto a la rotación de la Tierra como a la convección. La convección es impulsada por el movimiento ascendente de los elementos ligeros a medida que los elementos más pesados se congelan en el núcleo interno.
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Interior de la tierra
El proceso real por el cual se produce el campo magnético en este entorno es extremadamente complejo, y muchos de los parámetros necesarios para una solución completa de las ecuaciones matemáticas que describen el problema son poco conocidos. Sin embargo, los conceptos básicos no son difíciles. Para que se produzca la generación de campos magnéticos, se deben cumplir varias condiciones:
- debe haber un fluido conductor;
- debe haber suficiente energía para hacer que el fluido se mueva con suficiente velocidad y con el patrón de flujo apropiado;
- debe haber un campo magnético “semilla”.
Todas estas condiciones se cumplen en el núcleo externo. El hierro fundido es un buen conductor. Hay suficiente energía para impulsar la convección, y el movimiento convectivo, junto con la rotación de la Tierra, produce el patrón de flujo apropiado. Incluso antes de que se formara el campo magnético de la Tierra, los campos magnéticos estaban presentes en la forma del campo magnético del sol. Una vez que el proceso continúa, el campo existente actúa como el campo semilla. A medida que una corriente de hierro fundido pasa a través del campo magnético existente, se genera una corriente eléctrica a través de un proceso llamado inducción magnética. El campo eléctrico recién creado creará a su vez un campo magnético. Dada la relación correcta entre el campo magnético y el flujo de fluido, el campo magnético generado puede reforzar el campo magnético inicial. Mientras haya suficiente movimiento de fluido en el núcleo externo, el proceso continuará.
Para describir completamente cómo se genera el campo geomagnético, es necesario resolver ecuaciones simultáneas que describan las condiciones electromagnéticas y térmicas en el núcleo de la Tierra. Merrill et al (1998) enumeran diez ecuaciones de este tipo. Estas incluyen las ecuaciones de Maxwell que describen la interacción entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas, la ecuación de Navier-Stokes que describe el movimiento del fluido en el núcleo externo y las ecuaciones que describen el potencial de gravedad, el flujo de calor y muchos otros parámetros. Cada ecuación depende, a su vez, de las condiciones de contorno y de las conducciones iniciales elegidas. Estos a menudo son poco conocidos.
Se obtiene una gran cantidad de información física al examinar la ecuación de inducción magnética.
∂B⃗ ∂t = ∇x (v⃗ xB) + 1σμ∇2B⃗ [matemática] ∂B → ∂t = ∇x (v → xB) + 1σμ∇2B → [/ matemática]
B es el vector de campo magnético, v es un vector de velocidad, t es el tiempo, F es la conductividad y μ es la permeabilidad magnética (igual a μ0 ) en este caso.
El primer término en el lado derecho representa la interacción entre el campo magnético y un conductor en movimiento, lo que provoca la acumulación (o descomposición) del campo magnético. El segundo término en el lado derecho es el término de difusión.
Si la velocidad es cero, el primer término en el lado derecho desaparece. Los términos restantes nos dicen que, en ausencia de un conductor en movimiento, el campo magnético se extinguirá exponencialmente. El tiempo constante es de unos 15,000 años.
Podemos establecer el segundo término igual a cero suponiendo que el fluido es un conductor perfecto (σ = ∞). En estas condiciones, las líneas de campo magnético se “congelan” en el fluido conductor, siempre moviéndose con él. Este comportamiento de las líneas de campo es importante para explicar el mecanismo por el cual se genera el campo magnético.
En este punto se deben describir otros dos conceptos: campos poloidales y campos toroidales. Un campo poloidal es aquel que tiene un componente radial. Este es el tipo de campo con el que todos estamos familiarizados ya que los campos dipolares son poloidales. Un campo toroidal , por otro lado, tiene forma de anillo o rosquilla, sin componente radial. En la Tierra, los campos toroidales están confinados al núcleo y no son detectables en la superficie de la Tierra. Sin embargo, juegan un papel importante en la producción del campo magnético.
Campo poloidal (izquierda) y campo toroidal (derecha)
Suponga que el núcleo gira con una velocidad angular que depende de su radio. Considere lo que sucederá con un campo poloidal cuyas líneas de campo están “congeladas” para que se muevan junto con el fluido. Si el fluido se mueve más lentamente en la parte superior del núcleo externo, esas líneas de campo quedarán atrás en comparación con las líneas de campo más cercanas al centro. Finalmente, después de un circuito completo, se formarán dos bucles toroidales, como se muestra en el diagrama. Esto se denomina efecto -, un mecanismo por el cual los campos poloidales se convierten en campos toroidales.
efecto ω
Ahora considere una línea de campo de un campo toroidal, congelada en una celda convectiva ascendente. La línea de campo se arrastrará junto con la celda. Como la Tierra está girando, la fuerza de Coriolis hará que el fluido ascendente gire en sentido antihorario (en el hemisferio norte). La línea de campo se retorcerá junto con el fluido, y después de un cuarto de vuelta, se produce un circuito magnético poloidal. Este proceso se llama efecto α, un mecanismo por el cual los campos toroidales se convierten en campos poloidales. Los bucles poloidales pueden fusionarse para producir un gran campo poloidal.
efecto α
Se han propuesto varios métodos por los cuales el efecto α y el efecto can pueden generar el campo magnético de la Tierra. Estos van por los acrónimos αω, α2, α2, ω. En la dinamo αω, el movimiento del fluido, asociado con la rotación diferencial del núcleo externo, a través de las líneas del campo poloidal da lugar a un campo toroidal en el núcleo externo. La torsión de las líneas de campo toroidales congeladas en el fluido ascendente, da lugar, a su vez, a campos poloidales que pueden reforzar el campo poloidal original.
Para mantener un campo magnético en estado estable (
∂B⃗ ∂t = 0 [matemática] ∂B → ∂t = 0 [/ matemática]) la velocidad a la que el campo es generado por el efecto αω debe ser igual a la velocidad de difusión. Si no son iguales, el campo crecerá o decaerá, lo que probablemente sea la situación normal.
Esta dirección de corriente en sentido horario produce un campo magnético y es por eso que el polo norte magnético está en el polo sur geográfico y viceversa. 
