MÓDULO 2.2: O GEODÍNAMO

MÓDULO 2.2: O GEODÍNAMOA origem do campo magnético principal daTerra sempre foi um assunto de grande interessecientífico. Em 1600, o inglês William Gilbert foi oprimeiro a propor que a Terra era um grande imã.De fato, a maior parte do campo geomagnéticopode ser representada pelo campo magnéticogerado por um imã com uma inclinação de 11.5 oem relação ao eixo de rotação terrestre e um poucoafastado do seu centro (Figura 1).Figura 1. Campo magnético de um imã de barra, mostrando oalinhamento da limalha de ferro na direção das linhas decampo (esquerda). Representação do campo magnéticoprincipal por um imã com uma inclinação de 11.5 o em relaçãodo eixo de rotação (direita).Entretanto, na realidade não existe um imãno interior da Terra. Sabe por quê? Você aprenderáno módulo 2.4 que um imã ou uma rochamagnética perdem a sua magnetização em altastemperaturas, em torno de 500 o C, dependendo dacomposição da rocha, que é a temperatura deCurie. No núcleo terrestre as temperaturas sãomuito altas (aproximadamente 5000 o C) nãopermitindo a magnetização permanente nasrochas. Outro argumento importante é que comum imã no interior da Terra não conseguiríamosexplicar a variação secular observada, ou seja, alenta variação do campo do núcleo com o tempo.FAÇA VOCÊ MESMO UM EXPERIMENTODE MAGNETISMOA hipótese atualmente mais aceita paraexplicar o campo gerado no núcleo é a teoria dogeodínamo, ou dínamo da Terra. Você sabe o que éum dínamo? O dínamo é um dispositivo queconverte energia mecânica em energiaeletromagnética. Há vários tipos e exemplos dedínamo, também chamados de geradores no nossodia-a-dia, como o dínamo da bicicleta.Mas antes de explicarmos sobre ogeodínamo, vamos aprender um pouco sobre comofoi a evolução do conhecimento sobre oeletromagnetismo, fundamental para odesenvolvimento de dínamos e consequentementepara a teoria do geodínamo.Um cientista dinamarquês chamado HansOersted observou, em 1819, que uma correnteelétrica passando por um fio condutor causava umaalteração na orientação da agulha da bússola. Estadescoberta foi muito importante por ter permitidoo estabelecimento de uma relação direta entre osfenômenos caracterizando a eletricidade e omagnetismo- o eletromagnetismo. Por estadescoberta de Oersted conclui-se que um campomagnético pode ser gerado tanto por um imãpermanente (como o mostrado na Figura 1),quanto pela passagem de corrente elétrica em umcondutor. No caso do fio condutor ser espiraladoem forma de uma bobina (arranjo de fioscondutores enrolados), essa configuração gera umcampo magnético similar ao de um imã de barra, eé chamado de eletroímã.Mais tarde, em 1831 o cientista inglês,Michael Faraday e o físico americano, JosephHenry, observaram (de forma independente) quequando moviam um imã próximo a uma bobina,uma corrente elétrica aparecia no condutor. Essaobservação deu origem a Lei de Faraday da induçãoeletromagnética: um campo magnético variandono tempo gera uma corrente elétrica induzida quepor conseqüência gera um campo magnéticosecundário (Figura 2).1

Uma experiência que ajuda a melhorcompreender a Lei de Faraday é a seguinte:colocamos uma espira (configuração circular de umfio condutor) conectada a um galvanômetro, que éo instrumento capaz de medir uma correnteelétrica. A seguir, deslocamos um imã na direção daespira. No momento em que o imã se aproxima, aagulha do galvanômetro apresenta uma deflexão,indicando a existência de uma corrente na espira.Já se movermos o imã na direção contrária, aagulha do galvanômetro sofrerá uma deflexão nosentido contrário, indicando uma corrente daespira no sentido oposto. Uma vez que o ímã ficanovamente parado a corrente para de fluir e aagulha do medidor não deflete.Nesta experiência, essa corrente queaparece na espira é chamada de corrente induzida,e o que induziu a corrente foi a variação do campomagnético na região interior da espira. Em suma, avariação do campo magnético faz aparecer umaforça eletromotriz (fem) induzida no fio. Aintensidade da fem será proporcional à taxa devariação do FLUXO MAGNÉTICO. O número totalde linhas do campo magnético que passam pelaespira não é importante neste contexto, ofundamental é a taxa na qual esse número varia,determinante para a fem induzida. Faraday aplicoua teoria de indução para construir o primeirodínamo. O desenvolvimento de pesquisas sobre ogeodínamo é também baseado na teoria daindução eletromagnética.O FLUXO MAGNÉTICO está relacionado aonúmero de linhas do campo magnético quepassam por uma área. O fluxo magnético (φ m ) édefinido como o produto do campo magnético(B) pela área limitada pela espira (A):φ m = B.AA unidade do fluxo magnético é Tesla vezesmetro quadrado (Weber- Wb).1Wb = 1 T. m 2Mas nessa mesma experiência, o queaconteceria se ao invés de movermos o imã,movêssemos a espira? Ou talvez, se a área daespira mudasse? Neste caso, haveria do mesmojeito uma variação no fluxo magnético. O que seobserva é que não faz diferença se movemos aespira em direção ao imã ou o imã em direção aespira. O que realmente é importante é omovimento relativo entre ambos e a variação dofluxo magnético.Em 1834, um cientista alemão, HeinrichFriedrich Lenz, descobriu uma regra nadeterminação do sentido de uma corrente induzidanuma espira condutora fechada. A chamada Lei deLenz indica que o sentido desta corrente induzida étal que o campo magnético criado por ela tende arestaurar o campo magnético anterior no interiorda espira (Figura 2B e 2C). Note que o campomagnético induzido não se opõe intrinsecamenteao campo magnético do imã, na realidade ele seopõe à variação desse campo. O campo secundáriocriado pela indução pode tanto se opor (Figura 2B)ou reforçar (Figura 2C) o campo magnético original.A B CFigura 2. Neste esquema, v é a velocidade, B é o campomagnético e I a corrente elétrica. Em A o imã geranaturalmente um campo magnético, mas está estático. Em Bo imã é movimentado na direção do fio condutor, gerandouma corrente elétrica e um campo magnético secundário quese opõe a direção do movimento. Já em C o imã émovimentado na direção oposta, gerando uma correnteelétrica na direção contrária ao caso anterior econsequentemente um campo magnético na direção opostado movimento (e reforçando o campo magnético original).Mas como ocorre a indução eletromagnética nonúcleo terrestre? No núcleo externo existe umfluido eletricamente condutor que está emconstante movimento, interagindo com o campomagnético da Terra. Esta interação gera correnteselétricas, da mesma forma que quando movemosum imã próximo a um fio condutor, são induzidas2

correntes elétricas no fio. Essa corrente elétricagera um campo magnético secundário que reforçaou diminui o campo magnético original (como nocaso da Figura 2B e 2C). Resumindo, a idéia básicado dínamo é que o campo magnético inicial éalterado por interações com o movimento do fluidocondutor, de tal forma que o campo magnéticooriginal é modificado.Na ausência de movimento do fluido, ocampo magnético da Terra simplesmente decairiacom o tempo- não haveria indução. O fluxo dofluido interage com o campo magnético, seguindo aLei de Lenz. Qualquer movimentação do fluidocondutor em relação ao campo magnético préexistenteinduzirá correntes elétricas no condutorpodendo em alguns casos regenerarconstantemente o campo magnético na região.núcleo é comparável a viscosidade da água e dosangue. Essa baixa viscosidade permite umaintensa convecção turbulenta.As linhas do campo magnético e o fluidointeragem de duas formas: a difusão ocorre quandolinhas do campo magnético de regiões de altadensidade do campo magnético se difundem pararegiões de baixa densidade, tendendo ahomogeneizar a distribuição das linhas de campo(Figura 3A). Este processo de difusão correspondeao processo de decaimento do campo com otempo. Outro processo de interação é o deindução. Considerando um fluido que é umcondutor perfeito, não há decaimento e o campomagnético fica congelado no fluido. Neste caso, omovimento do fluido “arrastaria” as linhas docampo, como mostrado na Figura 3B. Essaaproximação é chamada “fluxo congelado” e émuito importante para a descrição de processosque ocorrem no núcleo externo para manter ocampo magnético.ABFigura 3.Representação do geodínamo no núcleo externo daTerra: as setas em azul mostram o movimento do fluido e aslinhas brancas correspondem as linhas do campo magnético.A geração e continuidade (ou autosustentabilidade)do campo magnético da Terrapela ação do geodínamo dependem de algunsimportantes ingredientes:1. Fluido condutor elétrico em movimentoO líquido existente no núcleo externo é ricoem ferro, possuindo alta condutividade elétrica. Avelocidade média estimada deste fluido varia de2x10 -4 m/s até 8x10 -4 m/s (que equivale aaproximadamente 10 km/ano). A viscosidade doFigura 4. As linhas do campo magnético (linhas em vermelho)e o fluido no núcleo (região cinza) podem interagir de duasformas: difusão (A) e o fluxo do fluido “arrastando” as linhasde campo magnético (B).O teorema do fluxo congelado (“frozen flux”em inglês) foi primeiramente proposto por HannesAlfvén, um pesquisador sueco. Ele postulou quelinhas do campo magnético movem-se em umcondutor perfeito como se nele estivessemcongeladas.Um exemplo de aplicação da teoria do fluxocongelado é mostrado na Figura 5, onde há umaregião mais quente que está em ascensão,causando um deslocamento das linhas do campo3

magnético. Note que as linhas do campo ficaramdirecionadas para fora do núcleo, do lado esquerdoe para dentro do núcleo, do lado direito. Esseexemplo mostra como a variação de temperatura econsequente movimento do fluido no núcleoexterno, podem influenciar na configuração daslinhas de campo magnético.núcleo interno sólido. Isso quer dizer que o núcleointerno está em constante crescimento em umataxa estimada de 25 m 3 /s. Com a cristalização deelementos mais pesados, o núcleo interno liberaelementos mais leves. Estes elementos mais levesbóiam em direção ao manto, contribuindo para aconvecção. Acredita-se que a maior parte daenergia responsável por manter o geodínamovenha desta energia devido à composição (ouquímica).Figura 5. Ilustração de uma região mais quente no núcleo,causando uma subida do fluido eletricamente condutorexistente no núcleo externo e arrastando as linhas do campomagnético.2. Suprimento de energiaPara que o geodínamo seja auto-sustentávelé necessário que haja um constante suprimento deenergia. Caso contrário, ele somente diminuiria suaintensidade até se extinguir. Convecção é omovimento diferencial que ocorre devido a ação daforça gravitacional nas inomogeneidades detemperatura dentro de um fluido. A densidade deum corpo varia principalmente com a temperaturae composição química. Quanto mais quente for ofluido, menos denso ele será e tenderá a boiar.A energia térmica do núcleo foi gerada naépoca em que o núcleo foi formado por colapsogravitacional. Em geral, quanto mais fundo nointerior da Terra, maior é a temperatura. Por isso, onúcleo externo é mais quente na base. Esse fluidomais quente e portanto menos denso tende a subire quando chega no topo perde calor tornando-semais denso e novamente desce, completando ociclo de convecção da energia térmica (Figura 6).O núcleo interno possui um raio de 1221 kme apresenta uma maior porcentagem de ferro (maisdenso) do que o núcleo externo líquido. Com oresfriamento do núcleo, mais ferro é depositado noFigura 6. Ilustração decalor transportado por umfluido – mais quente nabase e mais frio no topo.O fluido menos denso nabase sobe para o topo,ficando mais denso ecompleta o ciclo descendopara a base.Em tempos remotos da história do núcleo, aconvecção química era provavelmente mais fracaporque o núcleo interno era menor ou mesmoinexistente. Então, antes da formação do núcleointerno, o campo magnético era provavelmentegerado somente por convecção térmica.Mas você já pensou que é surpreendente onúcleo se solidificar do centro da Terra, onde astemperaturas são mais altas, em direção ao limitenúcleo-manto? A questão é que a temperatura defusão do ferro aumenta significativamente com apressão. Isso quer dizer que em pressões maioresseria necessária uma temperatura muito maiorpara derreter o ferro.3. Rotação da TerraAntes de explicar sobre os efeitos derotação da Terra, é importante ressaltar que ocampo magnético possui dois componentes: campopoloidal (com componente radial) e toroidal (semcomponente radial), como mostrado na Figura 7.O campo poloidal gerado é o únicoobservado na superfície terrestre, já o campo4

toroidal fica “aprisionado” no núcleo. As interaçõesentre ambos são essenciais para o funcionamentodo geodínamo.devido à interação de um campo magnéticopoloidal com um campo de velocidade toroidal.Esse é o chamado efeito ômega (ω), comomostrado na Figura 9.Figura 7. Representação dos campos poloidal e toroidal.Mas como ocorrem estas interações? É nessa parteque entra outra componente do geodínamo muitoimportante- a rotação da Terra. Imagine um fluidomais quente que está ascendendo da base para otopo do núcleo (Figura 8a), sendo o campomagnético original toroidal e o fluxo na direçãoradial (poloidal). A rotação da Terra causará umatorção (ω) neste fluido e pela teoria do fluxocongelado, sabemos que essa torção tambémocorrerá nas linhas do campo magnético (Figura8b). Esta torção gera um alto gradiente magnéticona região R, fazendo com que se desprenda umnovo fluxo magnético que é poloidal (Figura 8c).Este processo, descrito na Figura 8, é chamado deefeito alfa (α) que gera um campo poloidal a partirde um campo toroidal inicial.Figura 8. Esquemamostrando o efeitoalpha: em (a) um fluxoascendente que arrastaas linhas que campomagnético toroidais (B),em (b) a torção destefluxo causada pelarotação da Terra e em(c) a criação de umfluxo poloidal.Mas o efeito inverso também ocorre, ouseja, a geração de um campo toroidal a partir deum campo inicial poloidal. Esse é efeito ocorreFigura 9. Representação do efeito ômega, onde um campomagnético poloidal interage com um campo de velocidadetoroidal (A).Em B o campo de velocidade é mostrado pelaslinhas pontilhadas e a linha cheia representa o efeito dainteração nas linhas do campo magnético.O geodínamo mantido devido aos efeitos alpha eômega é conhecido como dínamo alpha-ômega(αω), como mostrado na Figura 10. O ciclo alphaômegaé o seguinte: considere um campo dipolarinicial poloidal (Figura 10A), o efeito ômega (Figura10B e C) consiste em uma rotação diferencial,envolvendo o campo magnético em torno do eixode rotação e gerando um campo magnéticoquadrupolar toroidal (Figura 10D) dentro donúcleo. Neste ponto, inicia o efeito alpha, com umaquebra de simetria, devido ao movimento derotação da Terra (Figura 10E) até gerar um novocampo poloidal (Figura 10F) que reforça o campomagnético original (Figura 10A).Figura 10. Ilustração do dínamo alpha-omega, mostrando oefeito omega (A-D) e o efeito alpha (D-F), completando ociclo.5

O conhecimento sobre o geodínamo éfundamental para compreendermos sobre aorigem dos fenômenos que observamos nasuperfície terrestre, como o decaimento do dipoloe a deriva para oeste. Mas se só conseguimosobservar o campo na superfície terrestre, comosabemos sobre o campo no núcleo? Medidas docampo na superfície terrestre podem serprojetadas para o núcleo aplicando métodosmatemáticos. Nesta projeção considera-se que omanto e a crosta são isolantes elétricos e, portantonão alteram o campo magnético do núcleo.Se o campo magnético observado fosse umsimples dipolo alinhado com o eixo de rotação daTerra, o mapa do campo magnético do núcleo seriaazul no hemisfério norte e vermelho no hemisfériosul. O equador geográfico coincidiria com oequador magnético e os fluxos mais intensosseriam nos pólos geográficos. Entretanto, sabemosque um dipolo com um ângulo de 11,5º em relaçãoeixo de rotação terrestre é o que mais se aproximado campo magnético observado. Em geral, o mapado campo magnético também mostra a saída daslinhas do campo magnético do hemisfério sul, queé na sua maior parte vermelho, para o hemisférionorte, que é na sua maior parte azul (Figura 11A).Mas na realidade o campo magnéticoobservado não é tão simples assim. Como vocês jáaprenderam no decorrer do curso, além do campodipolar, há um campo não-dipolar, que tem umaestrutura mais complexa. Esse campo não-dipolar éfacilmente visível quando compararmos o campode um dipolo ideal (Figura 11A) com o campo realmapeado na superfície terrestre, por exemplo, noano 2000 (Figura 11B). O mais interessante équando estas observações são projetadas no limitenúcleo-manto, o campo não-dipolar fica ainda maisevidente (Figura 11C).Pesquisas sobre o geodínamo vêmmostrando grandes avanços devido a aquisição denovos dados de observatórios magnéticos esatélites de alta resolução, assim como pelodesenvolvimento de modelos computacionais maiscomplexos e experimentos realizados emlaboratório. Esse assunto será abordado em maisdetalhes no módulo 4 deste curso.Figura 11. Campo magnético de um dipolo ideal inclinado de 11,5º em relação ao eixo de rotaçãoterrestre (A); campo magnético mapeado na superfície terrestre em 2000 (B) e campo mapeado nolimite núcleo-manto em 2000 (C).6

Referências BibliográficasBloxham, J. e Gubbins, D., 1989. The evolution ofthe Earth`s magnetic field. Scientific American, 30-37.Halliday, D. e Resnick, R., 1994. Fundamentos deFísica. Eletromagnetismo. Volume 3, 3a edição.Livros Técnicos e Científicos Editora S. A.Hoffman, K. A., 1989. Ancient magnetic reversals:clues to the geodynamo. Scientific American, 50-59.Lowrie, W. (2004). Fundamentals of Geophysics.Cambridge University Press. ISBN 0-521-46164-2.Merril, R. T., Mcelhinny, M. W.; McFadden, P. L.(1996). The Magnetic Field of the Earth-Paleomagnetism, the core and the deep mantle.Academic Press. Volume 63.evolution of the Earth`s magnetic field.Figura 4: Hoffman, 1989. Ancient magneticreversals: clues to the geodynamo.Figura 6: Homepage das aulas da “Stony BrookPhysics – Lecture 35- Heat”http://www.ic.sunysb.edu/Class/phy141md/doku.php?id=phy141:lectures:35Figuras 7, 8 e 9: Merril et al., 1996. The MagneticField of the Earth- Paleomagnetism, the core andthe deep mantle.Figura 10: Homepage das aulas da Universidadede Bayreuth:http://www.staff.unibayreuth.de/~btgi63/classes/introgeophys/lecture12.htmlPress, F., Siever, R., Grotzinger, J., Jordan, T. H.,2006. Para entender a Terra. 4ª edição. Versãotraduzida do livro. 656 páginas.Tipler, P., 1995. Física para cientistas e engenheiros.Eletricidade e magnetismo. Volume 3. 3a edição.LTC- Livros Técnicos e Científicos S. A.Fontes das FigurasFiguras 1 e 11: Press, et al., 2006. Livro: Paraentender a Terra.Figura 2: Homepage do Dr. Richard Vawter doDepartamento de Física e Astronomia do “WesternWashington University”: faculty.wwu.edu/vawterFiguras 3 e 5:Bloxham e Gubbins, 1989. The7