B. Câmpul de variaţii  geomagnetice

    În general, prin variaţii geomagnetice se înţeleg modificări în timp pe care le suferă vectorul câmp magnetic terestru.

    În cele ce urmează se vor dezvolta chestiunile care sunt în legătură cu câmpul de variaţii. Deşi aceste variaţii sunt mici în comparaţie cu mărimea câmpului magnetic principal şi deşi au fost descoperite mai târziu, se poate spune că în stadiul actual al cunoştinţelor, ele sunt mult mai bine cunoscute decît fenomenele legate de câmpul magnetic principal. Acest lucru se datoreşte atât faptului că fenomenele sunt mai uşor de studiat, dată fiind scurta lor desfăşurare în timp şi mijloacelor care stau la dispoziţia cercetătorilor, cât şi importanţei mari practice,  dar mai ales ştiinţifice pe care o au.

În această introducere se va căuta mai întâi să se pună în evidenţă câteva dintre caracteristicile fenomenului în scopul de a reprezenta greutăţile care se pot întâmpina în studiul lor, iar apoi se va arăta interesul  ştiinţific şi practic pe care îl  prezintă chestiunea.

    Vom începe prin a arăta unele din caracteristicile fenomenului:

—  Variaţiile în timp  ale câmpului magnetic terestru  au o intensitate redusă faţă  de fond, amplitudinea acestora putând ajunge în cazuri excepţionale la câteva sute de gamma, pe când fondul, câmpui magnetic principal, este de câteva zeci de mii de gamma.

— Fenomenele se încadrează într-un ansamblu complex, fiind destul de rare cazurile când un fenomen de variaţie apare singur, neînsoţit de altele tot de variaţie, însă de forme si cauze diferite.

— Cauzele care provoacă variaţiile sunt complexe atât prin originea şi modul lor  de producere, cât şi prin desfăşurarea lor în timp.

În ceea ce priveşte interesul studiului acestor variaţii, el poate fi privit din două puncte de vedere: ştiinţific şi practic.

Interesul ştiinţific al chestiunii poate fi rezumat şi el în câteva puncte:

— orin studiul variaţiilor geomagnetice se pot obţine date interesante cu privire la natura fizică a unei părţi a câmpului magnetic terestru;

— oferă posibilitatea de a se obţine informaţii asupra straturilor superioare ale atmosferei (ionosfera) şi pe altă cale decât prin studiul direct, deoarece, în afară de variaţia seculară, cele¬lalte variaţii se datoresc unor cauze care îşi au sediul acolo;

— se obţin indirect rezultate interesante pentru studiul fenomenelor solare (pete solare, focule, protuberante, erupţii cromosferice) deoarece variaţiile câmpului geomagnetic sunt în strânsă legătură cu emisiunea corpusculară şi ultravioletă a Soarelui;

— studiul variaţiilor câmpului geomagnetic şi mai ales ana¬liza armonică sferică a lor a pus în evidenţă faptul că aproximativ o treime din mărimea acestora se datoreşte unor cauze care îşi au sediul în interiorul globului terestru. Asupra naturii acestor cauze s-a emis ipoteza existenţei unor curenţi electrici în sol, care apar prin inducţie din cauza variaţiilor geomagnetice. Deoarece aceşti curenţi circulă la adâncimi de sute de kilometri în interiorul globului, studiul lor poate da informaţii interesante asupra conductibilităţii electrice a straturilor de adâncime.

În ceea ce priveşte interesul practic al studiului variaţiilor câmpului geomagnetic, îl vom rezuma de asemenea în cîteva puncte:

— se ştie că în timpul perturbaţiilor magnetice audiţiile radiofonice în gama undelor scurte sunt stânjenite şi uneori, când perturbaţiile sunt mai intense, întrerupte. Cunoaşterea condiţiilor în care se produc aceste perturbaţii magnetice şi mai ales prevederea lor, lucru care este astăzi abia în faza de studiu, ar duce la îmbunătăţirea acestor audiţii;

— în ultima vreme au apărut studii în care se încearcă fundarea unor noi metode de prospectare a subsolului, metode care fac apel atât la variaţiile câmpului magnetic terestru, cât şi la variaţiile curenţilor telurici, curenţi care circulă în mod natural prin pământ şi care sunt legaţi strâns prin mecanismul producerii lor de variaţiile magnetice;

— în aplicaţiile practice ale magnetismului terestru este necesară cunoaşterea variaţiilor geomagnetice, pentru că ceea ce se măsoară la un moment dat într-un punct din teren este o sumă în care intră câmpul magnetic datorit unor cauze din interiorul solului şi câmpul magnetic de variaţii datorit unor cauze din exteriorul solului.

    Pentru a putea compara datele obţinute în diferite puncte, în scopul de a avea o imagine exactă a câmpului cu originea în interiorul solului, imagine care în cazul aplicaţiilor practicei poate da indicaţii asupra zăcămintelor din subsol, trebuie eliminate aceste variaţii. Eliminarea lor nu se poate face decât dacă dispunem de înregistrări.

    După această sumară trecere în revistă în care s-a căutat să se pună în evidenţă atât caracteristicile generale ale variaţiilor geomagnetice cât şi interesul practic şi ştiinţific al pro-blemei, se va trece la o clasificare a acestor variaţii, după care se va discuta fiecare fenomen în parte, în prealabil, însă, se vor prezenta câteva date asupra emisiunilor solare care au o strânsă legătură cu variaţiile geomagnetice:  radiaţia  corpusculară şi radiaţia ultravioletă.

    §2. Radiaţia corpusculară şi radiaţia ultravioletă solară

    Fenomenele magnetice variabile în timp se datoresc, ches¬tiunea este definitiv stabilită, unor cauze care îşi au sediul în atmosfera înaltă. Această parte a atmosferei numită ionosferă este supusă direct acţiunii radiaţiei corpusculare şi radiaţiei electromagnetice a Soarelui. Intensitatea acestor radiaţii si a efectelor lor în magnetismul terestru variază cu creşterea sau descreşterea activităţii solare şi cu poziţia suprafeţelor active pe discul solar.

    În cele ce urmează, chestiunea radiaţiei corpusculare şi electromagnetice a Soarelui va fi discutată din punctul de vedere care interesează magnetismul terestru. Se va vedea, din această scurtă prezentare, că chestiunea este departe de a fi lămurită, iar ipotezele emise explică numai parţial complexul de fenomene care apar.

a. Emisiunea corpusculară. Încă de la începutul acestui secol Birkeland a arătat că unele aspecte ale aurorelor polare pot fi explicate dacă se admite că acestea sunt provocate de acţiunea unor corpusculi solari, care, intrând în atmosfera terestră, per¬turbă starea de echilibru a straturilor ei superioare. Datorită deviaţiilor pe care aceşti corpuisculi le suferă în câmpul geomag¬netic, pătrunderea în atmosfera terestră nu se poate face decât în zona latitudinilor polare.

    Deoarece există o strânsă legătură între fenomenul aurorelor polare şi furtunile magnetice, s-au căutat argumente care să arate că şi acestea din urmă se datoresc unei emisiuni cor¬pusculare solare care perturbă straturile ionosferice.     Argumentele care pledează în favoarea unor astfel de ipoteze sunt pe scurt următoarele :

— s-a putut stabili într-un număr important de cazuri că între producerea unui  fenomen solar şi începutul furtunilor magnetice puternice se scurge un interval de timp aproape tot¬deauna acelaşi şi care este de ordinul unei zile. Viteza corespunzătoare pentru particulele care ar pleca din Soare şi care ating atmosfera Pământului ar fi de aproximativ l500 km/s.

— agitaţiile magnetice de intensitate mai slabă, care se petrec în epocile de activitate solară redusă, au putut fi bine corelate cu fenomene care se petrec în Soare. În acelaşi timp, s-a putut arăta că perturbaţia magnetică corespunzătoare unut anumit fenomen solar (protuberanţa) se produce la un interval de trei sau patru zile după trecerea fenomenului solar pe la meridianul central al Soarelui, ceea ce ar corespunde unei viteze de deplasare pentru particule, cuprinsă între 350 şi 600 km/s. Există o pronunţată tendinţă de repetare după 27 de zile, a agitaţiilor mai slabe, tendinţă care a fost pusă în legătură cu perioada medie de rotaţie a Soarelui. După o rotaţie completă, fenomenul solar, care se presupune că a produs agitaţia magnetică, se află iarăşi într-o poziţie favorabilă faţă de Pământ.

    Nu vom insista aici asupra modului cum sunt emişi corpusculii din Soare, nici asupra geometriei fasciculului de corpusculi care, călătorind de la Soare la Pământ, ajung în atmosfera terestră. De altfel, asupra acestor chestiuni, în stadiul actual al  cunoştinţelor, nu s-au emis decât ipoteze care îşi aşteaptă confirmarea prin date  noi de observaţie.

În cele ce urmează, ne vom ocupa de influenţa pe care o suferă aceşti corpusculi din partea câmpului geomagnetic când ajung în apropierea Pământului. Problema a fost rezolvată, încă de la începutul acestui secol, de Stormer, pentru cazul în care o sarcină electrică pozitivă sau negativă, care nu interacţionează cu alte sarcini  electrice, ajunge în câmpul magnetic terestru, considerat ca fiind câmpul unui dipol. Evident, prin considerarea unei singure sarcini şi prin presupunerea că ea nu interacţionează cu celelalte sarcini electrice, problema este mult simplificată. Fără  aceste simplificări, însă, chestiunea s-ar fi complicat atît de mult încât devenea de nerezolvat din punct de vedere matematic.

    Lucrările lui Stormer se ocupă aproape exclusiv de drumul pe care îl poate avea o particulă încărcată în câmpul magnetic terestru.

Rezolvarea matematică porneşte de la ecuaţia mişcării unei particule  electrizate într-un câmp magnetic, ecuaţie care are forma:

unde m este masa particulei, e sarcina particulei,   viteza particulei si   câmpul magnetic al dipolului terestru. 

La capătul unei serii întregi de transformări ale acestei relaţii, Stormer reuşeşte să obţină un sistem de trei ecuaţii,, dintre care două determină traiectoria mişcării într-un plan cărei trece prin axa OZ a sistemului de coordonate ales şi vectorul de poziţie al particulei considerate. Axa OZ corespunde direcţiei dipolului considerat. A treia ecuaţie determină rotirea acestui plan în jurul axei OZ.

Sistemul de ecuaţii poate fi folosit pentru calculul numeric al traiectoriilor particulelor cu ajutorul metodei numerice de integrare sub formă de serii infinite, dar se pretează şi unor discuţii prealabile cu caracter general, putându-se delimita do¬meniile din spaţiul care înconjoară Pământul, în care pot intra şi atinge atmosfera, terestră particulele care vin de la Soare.

În cadrul acestor discuţii semicantitative, se poate arăta că traiectoriile după care particulele încărcate cu sarcini electrice se mişcă în câmpul. magnetic al unui dipol sunt de o infinită varie¬tate şi pot prezenta forme extrem de complicate. Ele pot fi însă clasificate în următoarele trei tipuri:

— orbite care ating Pământul venind de la infinit;

— orbite care, venind de la infinit, se apropie de Pământ până la o anumită distanţă şi apoi se depărtează de acesta fără să-l atingă;

— orbite periodice, conform cărora o particulă încărcată se poate roti în jurul. Pământului de un număr infinit de ori.

    Primele orbite, din clasificarea făcută, pot atinge Pământul numai în două zone situate în regiunea din jurul polilor dipo¬lului geomagnetic, întrucât atât pe direcţia axei dipolului cât şi în jurul ei sub forma unui tor, sunt domenii în care nu pot pătrunde traiectoriile particulelor care vin de la infinit (de la Soare). Lărgimea acestor domenii interzise depinde de caracte-risticile orbitelor, care se deduc, aşa cum am arătat si mai înainte, prin discutarea generală a ecuaţiilor mişcării particule¬lor. Totuşi, lărgimea zonei din jurul polilor geomagnetici în care orbitele pot atinge Pământul nu poate trece peste anumite limite, ceea ce nu concordă cu observaţiile făcute în timpul furtunilor magnetice intense si al aurorelor polare.

    Aceasta este una din deficienţele teoriei lui Stormer pe care el a rezolvat-o cu ajutorul unui curent circular în jurul Pămân¬tului, situat în planul ecuatorului, despre care însă vom vorbi când vom trece în revistă teoriile furtunilor magnetice.

În fig. 24 sunt figurate în negru spaţiile interzise pentru pătrunderea particulelor în atmosfera terestră.

    Prevederile teoretice ale lui Stormer au fost verificate expe¬rimental mai întâi de Birkeland şi apoi de Bruche. Experienţele s-au efectuat într-o cameră de vid, în mijlocul căreia se afla o sferă de fier înconjurată de o bobină de magnetizare. Sfera era bombardată cu raze catodice produse în camera în care se lucra. El a putut pune în evidenţă în felul acesta regiunile în care particulele pot ajunge pe suprafaţa sferei. Bruche, lucrând în acelaşi mod ca si Birkeland, însă folosind fascicule subţiri de raze catodice, a reuşit să pună în evidenţă şi orbitele periodice prevăzute de teoria lui Stormer.

b. Emisiunea ultravioletă. Este bine stabilit acum că radiaţia ultravioletă a Soarelui joacă un rol important în fenomenele ionosferice şi în cele geomagnetice. Dintre observaţiile cele mai importante care pledează în favoarea celor spuse mai sus sunt următoarele:

— în timpul eclipselor solare, s-a constatat cu ajutorul son¬dajelor ionosferice că ionizarea atmosferei înalte scade aproape la jumătate, ceea ce arată că radiaţia  solară este principala cauză a acestui fenomen;

— s-au observat în cromosferă fenomene care se manifestă printr-o creştere excepţionala a radiaţiei ultraviolete şi care au o durată în timp de maximum o oră. Concomitent cu observarea acestor fenomene se înregistrează şi fenomene terestre (în ionosferă şi în magnetismul terestru). Dat fiind că fenomenele se observă la interval de numai câteva minute unele de altele, agentul care provoacă fenomenele terestre nu poate fi decât radiaţia ultravioletă emisă de Soare.

În cele ce urmează, se va prezenta pe scurt modul cum se admite astăzi formarea straturilor ionizate.

Pentru a se putea ioniza moleculele sau atomii care formează un gaz este necesară o energie bine determinată, căreia îi cores¬punde aşa-numitul potenţial de ionizare, care se obţine fie pe seama radiaţiei corpusculare, fie pe seama radiaţiei electromag¬netice a Soarelui. Cum radiaţia corpusculară se manifestă numai în timpul unei activităţi solare ridicate, iar ionizarea din ionosferă poate fi pusă în evidenţă şi în lipsa acesteia, urmează că factorul important care provoacă ionizarea atmosferei este ra¬diaţia electromagnetică. Intrucât pentru a se produce ionizarea este necesar ca energia radiaţiei să fie cel puţin egală cu energia corespunzătoare potenţialului de ionizare al gazului şi cum se ştie că atmosfera este constituită la aceste înălţimi în deosebi din oxigen şi azot molecular sau atomic, urmează că pentru a avea energia necesară ca să se producă ionizarea, lungimea de undă a radiaţiei trebuie să fie cuprinsă între 850 A — l 000 A (corespunzătoare potenţialelor de ionizare a elementelor amintite mai sus).

    Prin sondaje ionosferice, s-a pus în evidenţă o serie de stra¬turi care corespund la diferite densităţi de ioni. În tabela de mai jos sunt date diversele straturi admise în general în prezent că ar exista în ionosferă şi înălţimile lor respective.

    Faptul că ionosfera se prezintă stratificat se datoreste radia¬ţiilor ultraviolete solare de diferite frecvenţe, care sunt absorbite de diferiţii constituenţi atmosferici aflaţi la diferite altitudini.

C a p i t ol u l  1

    Elementele câmpului magnetic terestru şi variaţiile lor

§1. Elementele câmpului magnetic terestru

§2. Variaţiile elementelor câmpului magnetic terestru

§3. Aparate pentru măsurarea elementelor câmpului magnetic terestru

    i) Metode şi aparate pentru măsurarea elementelor câmpului magnetic terestru

    ii) Aparate pentru măsurarea anomaliilor magnetice

    iii) Aparate pentru înregistrarea variaţiilor în timp ale câmpului magnetic terestru

C a p i t o l u l  2

Câmpul magnetic terestru

§1. Generalităţi  asupra  câmpului  magnetic terestru

§2. Metode de cercetare a câmpului geomagnetic

§3. Variaţia seculară şi paleogeomagnetismul 

§4. Teorii ale câmpului magnetic principal

§5. Variaţia diurnă lunară L

§6. Perturbaţii geomagnetice şi fenomene geomagnetice individuale

§7. Unele fenomene terestre legate direct de fenomenele geomagnetice

§8. Perturbaţiile geomagnetice şi activitatea solară

§9. Teorii ale furtunilor magnetice

C a p i t o l u l  3

Aplicaţiile practice ale magnetismului terestru

§ 1. Introducere

§2. Proprietăţi magnetice ale rocilor

§3.  Proprietăţi magnetice ale rocilor