O Campo Magnético da Terra

Conforme os raios cósmicos cruzam com os átomos e moléculas componentes da atmosfera, eles acabam colidindo mais cedo ou mais tarde.

Os átomos e moléculas são rompidos e as partículas emergem deles em “radiação secundária”.

A radiação secundária é menos energética que a “radiação primária” das partículas de raios cósmicos no espaço, mas ainda pode causar danos. No entanto, elas mesmas chocam-se contra átomos e moléculas da atmosfera terrestre e, até que essas partículas atinjam a superfície terrestre, a atmosfera já absorveu uma boa quantidade da energia.

Em suma, a atmosfera age como um manto protetor — não muito eficiente, nem totalmente ineficiente. Os astronautas, ao orbitarem a Terra ou a Lua, estão sujeitos a um bombardeio mais intenso de raios cósmicos do que nós na superfície da Terra; isso tem que ser levado em conta.

Os astronautas que viajassem para além da atmosfera estariam absorvendo a radiação adicional, o que não seria verdadeiro no caso de longas permanências em colônias espaciais. Estas teriam que ser planejadas com paredes bastante espessas que nos dessem a mesma proteção contra raios cósmicos que a atmosfera nos oferece.

Na realidade, chegado o tempo em que a maior parte da humanidade estará instalada em comunidades espaciais, livre das vicissitudes do Sol, e indiferente à possibilidade de o Sol se tornar uma gigante vermelha ou uma anã branca, o fluxo e refluxo dos raios cósmicos representarão sua maior preocupação, por constituírem a principal possibilidade de catástrofe.

Logicamente, voltando ao âmbito da Terra, não há motivo para pensarmos que a proteção atmosférica deverá falhar e nos submeter ao aumento da intensidade de raios cósmicos — pelo menos não enquanto a atmosfera mantiver sua estrutura e composição atuais. Contudo, há um outro tipo de proteção que a Terra nos oferece e que é, a um só tempo, mais eficiente e menos estável; a explicação desse fenômeno requer a retomada de algumas idéias.

O CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA

Aproximadamente em 600 a.C, o filósofo grego Tales (624-546 a.C.) fez experimentos com minerais naturalmente magnéticos e descobriu que eles atraíam o ferro. No final, descobriu-se que a magnetita (hoje conhecida como um óxido de ferro) podia ser usada para magnetizar finas fibras de aço, que então apresentavam suas propriedades com mais intensidade que a própria magnetita.

Durante a Idade Média, descobriu-se que, se uma agulha magnética fosse colocada sobre um objeto leve e móvel, ela invariavelmente se alinharia na direção norte—sul. Uma extremidade da agulha foi assim chamada de “pólo norte magnético”, e a outra, de “pólo sul magnético”. Os chineses foram os primeiros a registrar esse fato pouco antes de 1100, e cem anos depois os europeus desenvolveram a idéia.

O uso da agulha magnética como “bússola” é que deu segurança aos navegadores europeus e propiciou as grandes viagens de descobrimentos que tiveram início logo após 1400, viagens essas que deram à Europa o domínio absoluto do mundo por um período de aproximadamente cinco séculos. (Os fenícios, os vikings e os polinésios fizeram notáveis viagens marítimas sem a bússola, mas correram riscos mais sérios.) A possibilidade de localização do norte pela bússola pareceu um pouco misteriosa no começo, e a explicação menos mística dizia que no extremo norte havia uma montanha de minério magnético que atraía as agulhas. Naturalmente, surgiram lendas de navios que se aventuraram até lá.

Quando se aproximavam da montanha, o ímã arrancava os pregos dos navios, os quais se desmontavam e naufragavam. Uma dessas lendas aparece nas Mil e uma noites.

O médico inglês William Gilbert (1544-1603) arriscou uma explicação mais interessante em 1600. Ele esculpira um pedaço de magnetita em forma de esfera e estudara a direção em que a agulha da bússola apontava quando localizada nas diversas posições ao redor da esfera. Percebeu que ela se comportava em relação à esfera magnetizada da mesma forma como em relação à Terra. Portanto, ele concluiu que a própria Terra era um ímã, com o pólo norte magnético no Ártico e o sul na Antártida.

O pólo norte magnético foi localizado em 1831 no litoral ocidental da península de Boothia, a área mais setentrional da América do Norte, pelo explorador escocês James Clark Ross (1800-62). Nessa região, a ponta norte da agulha apontou para baixo. O pólo sul magnético foi localizado no contorno da Antártida em 1909 pelo geólogo australiano Edgeworth David (1858-1934) e pelo explorador britânico Douglas Mawson (1882-1958).

Mas por que a Terra é um ímã? Desde que o cientista inglês Henry Cavendish (1731-1810) medira a massa da Terra em 1798, sabia-se que a densidade média da Terra era alta demais para ser composta só de rochas.

Surgiu a noção de que o centro era de metal. Pelo fato de tantos meteoritos serem compostos de ferro e níquel na proporção de dez por um surgiu a idéia de que o centro da Terra poderia ser composto de uma mistura metálica parecida. Isso foi sugerido inicialmente em 1866 pelo geólogo francês Gabriel August Daubrée (1814-96).

No final do século XIX, estudou-se detalhadamente a maneira pela qual as ondas sísmicas percorriam o corpo da Terra. Foi demonstrado que as ondas que penetravam a 2 900 quilômetros de profundidade sofriam uma acentuada mudança de direção.

Sugeriu-se, em 1906, que a composição química naquele ponto se modificava radicalmente — as ondas atravessavam o manto rochoso e atingiam o centro metálico. Isso, hoje, é aceito. O centro da Terra é formado de ferro e níquel e tem a forma esférica, sendo de 6 900 quilômetros o seu diâmetro. Este centro perfaz um sexto do volume da Terra e, devido a sua alta densidade, representa um terço de sua massa.

É tentadora a suposição de que esse centro de ferro seja um ímã e que isso explique o comportamento da agulha magnética. Mas não é bem assim.

Em 1896, o físico francês Pierre Curie (1859-1906) demonstrou que uma substância magnética perde essa característica ao ser aquecida a altas temperaturas. O ferro perde suas propriedades magnéticas no “ponto Curie” de 760 graus centígrados. Para o níquel, o ponto Curie é 356 graus.

Será possível que a temperatura do centro composto de ferro e níquel ultrapasse o ponto Curie? Sim, pois certos tipos de ondas sísmicas não passam pelo centro após atravessarem o manto. São do tipo que não percorre um corpo líquido, de onde se deduz ser o centro composto de ferro e níquel líquidos. Sendo de 1 535 graus centígrados o ponto de fusão do ferro em condições normais, e mais alto ainda sob as altas pressões na região central, este fato, por si só, explica que o centro não pode ser um ímã do modo como o seria um pedaço de ferro comum.

Contudo, a existência de um centro líquido abriu novas possibilidades. Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) demonstrou a possibilidade de se produzirem efeitos magnéticos por meio de uma corrente elétrica (“eletromagnetismo”). Se a eletricidade passa por um fio helicoidal, o resultado é um efeito magnético muito parecido com o que se originaria de um ímã comum colocado ao longo do eixo da hélice.

Tendo isso em mente, o geofísico germano-americano Walter Maurice Elsasser (1904-) postulou, em 1939, que a rotação da Terra poderia causar redemoinhos no centro líquido: vastos e lentos redemoinhos de níquel e ferro fundidos. Os átomos são compostos de partículas subatômicas eletrícamente carregadas e, devido à estrutura específica do átomo do ferro, esses redemoinhos no centro líquido podem produzir o efeito de uma corrente elétrica com movimentos circulares.

Como os redemoinhos seriam provocados pela rotação terrestre do ocidente para o oriente, eles também girariam do oeste para o leste e o centro de níquel e ferro agiria como um ímã alinhado de norte a sul.

O campo magnético da Terra, porém, não é um fenômeno perfeitamente constante. Os pólos magnéticos trocam de posição com o tempo e, por alguma razão desconhecida, ficam a 1 600 quilômetros dos pólos geográficos. Além disso, os pólos magnéticos não ficam em lados exatamente opostos da Terra. Uma linha imaginária ligando os pólos magnéticos sul e norte passa a 1 100 quilômetros do centro da Terra. E mais: de ano a ano a intensidade do campo magnético varia.

Com esses dados, pode-se questionar o que ocorreu com o campo magnético no passado remoto e o que pode acontecer no futuro distante.

Felizmente há uma resposta — pelo menos para o passado.

Dentre os componentes da lava expelida pela ação vulcânica, há vários minerais fracamente magnéticos. As moléculas desses minerais tendem a se orientar paralelamente às linhas de força magnéticas. Enquanto os minerais estão em estado líquido, essa tendência é superada pelo movimento aleatório das moléculas devido à alta temperatura. Com o resfriamento da rocha vulcânica, porém, o movimento das moléculas se torna lento, e elas então se orientam na direção norte—sul. Quando a rocha se solidifica, a orientação se cristaliza. Uma por uma as moléculas repetem o ciclo e, finalmente, formam-se cristais em que podemos verificar pólos magnéticos: o pólo norte aponta para o norte e o sul para o sul, assim como na bússola magnética. (Podemos identificar o pólo norte de um cristal, ou de qualquer ímã, por ser aquele que repele o pólo norte da agulha magnética.) Em 1906, um físico francês, Bernard Brunhes, verificou que alguns cristais rochosos vulcânicos eram magnetizados na direção oposta da esperada. Seu pólo norte magnético (identificado pela agulha da bússola) apontava para o sul. Nos anos seguintes à descoberta original de Brunhes, um grande número de rochas vulcânicas foi estudado, e descobriu-se que, embora em muitos casos os pólos norte magnéticos de cristais apontassem para o norte, como era de se esperar, em muitos outros casos os pólos norte magnéticos de cristais apontavam para o sul. Aparentemente, o campo magnético da Terra se inverte periodicamente.

Medindo-se a idade das rochas estudadas (por intermédio de qualquer método estabelecido), conclui-se que, nos últimos 700 000 anos, o campo magnético tem mantido a direção atual, que podemos chamar de “normal”.

Anteriormente, por 1 milhão de anos, ele tinha a posição inversa durante quase todo o tempo, exceto em dois períodos de 100 000 anos, durante os quais era normal.

De forma geral, nos últimos 76 milhões de anos, foram identificadas nada menos que 171 inversões do campo magnético. O intervalo médio entre inversões é de cerca de 450 000 anos, e os dois alinhamentos possíveis, normal e invertido, duram mais ou menos o mesmo tempo. Porém, o intervalo de tempo entre as inversões varia muitíssimo. O maior lapso de tempo medido entre uma inversão e outra foi de 3 milhões de anos; o menor, de 50 000 anos.

Como ocorre essa inversão? Por um acaso os pólos magnéticos, os quais supostamente viajam pela superfície terrestre, percorrem o caminho todo — saindo do Ártico e indo para a Antártida, e vice-versa? Não parece provável. Se fosse assim, os pólos teriam percorrido regiões equatoriais por algum tempo entre uma inversão e outra. Neste caso haveria cristais orientados na direção leste—oeste, mas não há.

O que parece mais provável é uma variação na intensidade do campo magnético terrestre, um aumento seguido de uma diminuição. Cai a zero às vezes, e então aumenta novamente, mas em outra direção. Acaba diminuindo até zero uma vez mais, para então aumentar na direção original, e assim por diante, indefinidamente.

Isso é semelhante ao que ocorre com o ciclo de manchas solares. O número destas aumenta e diminui, e começa a aumentar novamente na direção inversa de seu campo magnético. Em seguida, diminuem e aumentam novamente na direção original. Assim como os picos de ocorrência de manchas solares eram alternadamente normais e invertidos, também os picos do campo magnético terrestre o são. Acontece que as variações na intensidade do campo magnético terrestre são muito mais irregulares que o ciclo de manchas solares.

Parece provável que o que determina a variação na intensidade do campo magnético e a inversão de sua direção são as variações da velocidade e da direção do redemoinho no centro líquido da Terra. Em outras palavras, o centro líquido gira em uma direção e cada vez mais rápido, depois perde velocidade até parar; daí ganha velocidade e vai girando na direção oposta, e então perde velocidade até parar e reiniciar na direção original, e assim por diante. Até hoje desconhecemos o motivo da mudança na direção do redemoinho, bem como o da mudança na velocidade ou o da irregularidade.

Todavia, conhecemos a influência do campo magnético da Terra em seu bombardeamento por raios cósmicos.

Na década de 1820, o cientista inglês Michael Faraday (1791-1867) elaborou o conceito de “linhas de força”. Trata-se de linhas imaginárias que percorrem uma trajetória curva do pólo norte ao pólo sul magnéticos de determinado objeto, assinalando o trajeto em que o campo magnético tem valor constante.

Uma partícula magnetizada pode se deslocar livremente ao longo das linhas de força. Para cruzar as linhas, há um dispêndio de energia.

O campo magnético da Terra circunda a Terra, sendo que as linhas de força magnéticas unem seus pólos magnéticos. Qualquer partícula carregada oriunda do espaço deve cruzar essas linhas de força para atingir a superfície terrestre e, ao fazê-lo, despende energia. Se tiver apenas um pouco de energia, ela pode perdê-la completamente e ser incapaz de cruzar outras linhas de força. Nesse caso, só poderá se deslocar ao longo de uma linha de força, espiralando-a e passando o pólo norte ao pólo sul magnético, em idas e vindas contínuas.

Isso vale para muitas das partículas do vento solar, de modo que sempre há um grande número de partículas carregadas percorrendo as linhas de força magnéticas da Terra, instalando o que se chama “magnetosfera”

bem além da atmosfera.

Onde as linhas de força magnéticas se juntam nos dois pólos magnéticos, as partículas seguem essas linhas em direção à superfície terrestre e atingem o limite superior da atmosfera. Lá colidem com átomos e moléculas e, no processo, liberam energia e produzem as auroras, que embelezam os céus polares à noite.

As partículas mais energéticas conseguem cruzar todas as linhas de força e atingir a superfície terrestre, mas sempre com menos energia do que quando começaram. Além disso, são desviadas para o norte e para o sul, sendo que, quanto menos energéticas forem, mais para o norte ou para o sul serão desviadas.

Os raios cósmicos são suficientemente energéticos para atingir a superfície terrestre, mas enfraquecem e sofrem um desvio também, havendo um “efeito de latitude”. Os raios cósmicos atingem a Terra com menor intensidade na região do equador e intensificam-se à medida em que nos aproximamos do norte ou do sul.

Como se pode observar, a concentração da vida em terra baixa à medida em que nos afastamos para o norte ou para o sul dos trópicos (a vida marítima é protegida, até certo ponto, pela espessura das águas) — daí resulta que não apenas o campo magnético enfraquece os raios cósmicos, como também eles são desviados de regiões mais populosas para as menos populosas.

A concentração de raios cósmicos nos pólos magnéticos, onde são mais intensos, parece não interferir na vida; a longo prazo, o sinal mutagênico dos raios cósmicos na vida é, de forma geral, amenizado pela existência do campo magnético terrestre.

Com a diminuição na intensidade do campo magnético da Terra, esse efeito protetor contra raios cósmicos se debilitará. Nos períodos em que o campo magnético sofre uma inversão, a Terra fica sem campo magnético, e o fluxo de raios cósmicos não é desviado. As zonas tropicais e temperadas, redutos da maior porção de vida terrena (inclusive a humana), ficam sujeitas, nessa época, a uma maior chuva de raios cósmicos.

E se uma supernova por acaso explodisse nas vizinhanças durante uma dessas inversões do campo magnético? As conseqüências seriam mais graves do que no caso de a Terra ter um campo magnético intenso. Será que algumas mortes em massa ocorreram por ocasião da explosão de uma supernova durante uma inversão de campo magnético?

É provável que não, pois é raro haver uma supernova nas redondezas, e raramente ocorre uma inversão de campo magnético. A coincidência de dois fenômenos tão raros é muito mais improvável que a ocorrência de cada um independentemente. Apesar disso, a coincidência pode ocorrer. E, se é assim, o que esperar do futuro?

O campo magnético da Terra parece ter perdido 15 por cento da força que tinha em 1670, quando se faziam as primeiras mensurações fidedignas e, com o atual grau de diminuição, alcançará o zero antes de 4000 d.C. Mesmo que não haja um aumento global de partículas de raios cósmicos pela explosão de uma supernova, as principais concentrações humanas serão duas vezes mais atingidas no ano 4000 do que hoje, com um conseqüente aumento da carga genética humana.

A menos que ocorra a explosão de uma supernova próxima, isso não será muito sério. E tal explosão é inviável, pois a supernova mais próxima antes de 4000 d.C. é Betelgeuse e, à distância em que se encontra, ela não vai nos incomodar — nem na ausência de um campo magnético.

No futuro mais longínquo, logicamente, a coincidência pode ocorrer, mas nem uma supernova vizinha, nem uma inversão de campo magnético poderão nos pegar de surpresa. Ambas nos mostrarão indícios de sua ocorrência, dando-nos bastante tempo para improvisarmos uma proteção contra o ataque de raios cósmicos.

Entretanto, trata-se de uma catástrofe em potencial, a qual (repetindo) terá uma influência mais perigosa nas comunidades espaciais que na própria Terra.