Vitoria-Gasteiz Arqueológica.


 
 

 
 

DISEÑO DE UN MAGNETÓMETRO ASISTIDO POR COMPUTADOR.

 

JIMY ALEXANDER CORTÉS OSORIO.

FRANCISCO ALEJANDRO MEDINA AGUIRRE.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA.

MAESTRÍA EN INSTRUMENTACIÓN FÍSICA.

Proyecto de Grado como requisito parcial para optar al título de Magister en Instrumentación Física.

Director: Msc Hugo Armando Gallego.


 

 

Prefacio.


Este trabajo escrito es parte de la tesis de Maestría de los candidatos, al título de Mágister en Instrumentación Física, Jimy Alexander Cortés Osorio y Francisco Alejandro Medina Aguirre quienes durante los últimos 3 años han trabajado en el desarrollo del proyecto Diseño de un Magnetómetro Asistido por Computadora para el estudio y seguimiento del campo magnético terrestre. Hoy esta iniciativa es una realidad y se presenta, de manera escrita, a través de este documento y a toda la comunidad en general, mediante el sitio web de la empresa colmagnet,
los logros alcanzados en su desarrollo.

 

Agradecimientos.


En primera instancia, debemos reconocer nuestros agradecimientos al Grupo de Investigación Dicoped, en cabeza del Msc Hugo Armando Gallego, quien durante muchos meses prestó su apoyo académico, financiero y motivacional; al Msc William Ardila Ureña por enseñarnos el fructuoso camino de la perseverancia y brindarnos la oportunidad de crecer académica y profesionalmente; al Msc Jairo Alberto Mendoza por su orientación en la presentación del documento en el procesador de texto Lyx ( 1 ), al profesor y amigo Raúl Zuluaga Hernández quien nos orientó en el desarrollo de algunos aspectos matemáticos y conceptuales; al Ingeniero José Andrés Chavés Osorio por su incondicional acompañamiento logístico; al profesor Ricardo López Barona por la bibliografía aportada y las asesorias brindadas en el tratamiento de las señales; al Ingeniero Carlos Alberto Cortés Bermúdez por su aporte en el diseño de la fuente de poder unicada del sistema; al Ingeniero William Marín, coordinador de los laboratorios de la Universidad Tecnológica, por su disponibilidad y asistencia en la realización de la experiencia para la determinación del campo magnético terrestre mediante las bobinas de Helmholtz e, indudablemente, al profesor Nestor Fabio Montoya quien nos apoyó, con sus amplios conocimientos y abierta voluntad, en el desarrollo del graficador vectorial en Flash.

Finalmente, queremos agradecer a la Doctora Maria Victoria Bernal de la Universidad Nacional de Manizales por su ideas y asesorías frente al desarrollo teórico del proyecto; al Observatorio Geomagnético de Fúquene en Cundinamarca, en cabeza de su ingeniero Jairo Alben Avendaño Sánchez, coordinador del observatorio geomagnético, por los textos propuestos, las ideas entregadas, las observaciones y las fotografías aportadas para complementar este trabajo.

Mil gracias a todos nuestros amigos y familiares quienes de manera silenciosa, jugaron un papel importante. Dios los bendiga.

 

 

Introducción.


A los largo de casi todas las diferentes eras geológicas, el campo magnético terrestre ha estado presente ocupando un lugar importante que solo hasta hoy se percibe. Este ha protegido a la tierra de las letales tormentas solares y los rayos cósmicos procedentes de todos los ángulos del universo.

Por al rededor de 200 años se han diseñado sistemas magnetométricos que permiten cuantificar el valor del campo magnético terrestre, pero hoy, más que nunca, existe la tecnología para desarrollar sistemas propietarios de muy alta resolución y bajo precio que apoyan el trabajo de los científicos en el laboratorio y la comunidad en general.

Uno de los principales objetivos planteados a lo largo de este trabajo es el reconocimiento de la importancia del monitoreo del vector campo magnético terrestre, el cual se espera se logre mediante la utilización de la tecnología ya existente y con el apoyo multimedial que resulta tan adecuado para la apropiación del conocimiento. En este trabajo se presenta con hechos y notas científicas referenciadas los más recientes descubrimientos acerca del papel del campo magnético terrestre en la vida, la salud, las comunicaciones y el posible diagnóstico del estado general de la tierra a partir de sus fuctuaciones. 

Como parte importante de este trabajo, también se desarrolló el sitio web ColmagNet ( 2 ), el cual vincula, en un sitio dinámico y lleno de multimedia, noticias, boletines, videos, bibliografía relativo al campo magnético terrestre con las mediciones y gráficas en tiempo real del magnetómetro diseñando para este trabajo de maestría. Este trabajo de tesis recibe el alias de Colmagnet a lo largo de presente documento para lo cual se ha diseñado toda una campaña de imagen que refuerza nuestros objetivos.

 

 

Objetivos


El objetivo general de este trabajo es:

-Diseñar e implementar un sistema para la medición y representación del campo magnético terrestre por medio de un sistema asistido por computador (Magnetómetro).

 

Dentro de los objetivos específicos se enuncian:

-Diseñar un dispositivo electrónico que permita capturar la intensidad del campo magnético terrestre.

-Diseñar un software que permita monitorear la medición del vector campo magnético terrestre.

-Diseñar una base de datos que recopile la medición del campo magnético terrestre.

-Presentar, a la comunidad académica, el vector campo magnético terrestre.

-Concienciar a la comunidad sobre la importancia del monitoreo del campo magnético terrestre.

 

 

Índice general:


Prefacio.

Agradecimientos.

Introducción.

Objetivos.

1. Primeros Estudios del Campo Magnético Terrestre.

1.1. La Naturaleza del Campo y sus Cambios.

1.1.1. Variaciones Aleatorias del Campo Magnético.

1.1.1.1. Variaciones Temporales Solares.

1.1.1.2. Variaciones Temporales Diarias.

1.1.1.3. Variaciones por Tormentas Magnéticas.

1.2. Posibles Teorías del Origen del Campo Geomagnético.

1.2.1. Dínamo de Disco.

1.3. Primeros Estudios del Campo Magnético Terrestre al Rededor del Mundo.

1.4. Primeros Estudios del Campo Magnético Colombiano.

2. Representación Vectorial del Campo Magnético Terrestre.

2.1. Descripción General del Campo Magnético Terrestre.

2.2. Las Observaciones y Mediciones Geomagnéticas.

2.2.1. El Dipolo Magnético.

2.2.2. Elementos del Campo Magnético Terrestre.

2.2.2.1. Declinación Magnética.

2.2.2.2. Inclinación Magnética.

2.2.3. Mediciones Magnéticas Modernas.

2.2.3.1. Instrumentos Absolutos.

2.2.3.2. Instrumentos Relativos.

2.3. Tecnologías Masivas de Sensores Magnéticos de Uso General.

2.3.1. Sensores de Efecto HALL.

2.3.2. Sensores Magnetoresistentes.

2.3.3. Sensores Magnetoinductivos.

2.3.4. Sensores con Transformadores de Corriente.

2.3.5. Comparativo de Sensores Magnéticos de Uso General.

2.4. Modelos Matemáticos del Campo Magnético Terrestre.

2.4.1. Modelo IGRF.

2.4.1.1. Descripción Matemática del Modelo IGRF.

2.4.1.2. Derivadas de la Función Potencial Escalar.

2.4.1.3. Limitaciones del Modelo.

2.4.2. Modelo WMM.

3. Estado del Arte Colombiano.

3.1. Observatorio Geomagnético de Fúquene.

3.1.1. Localización.

3.1.2. Origen del Observatorio de Fúquene.

3.1.3. Visión de Fúquene.

4. Justificación del Estudio del Campo Magnético Terrestre.

4.1. Biomagnetismo.

4.1.1. Señales Biomagnéticas.

4.1.2. Incidencia del Campo Magnético Terrestre en los Seres Vivos.

4.1.3. La Influencia de los Campos Magnéticos sobre el Hombre.

4.2. Estudios de Predicción de Terremotos a Partir de Fluctuaciones del Campo Magnético Terrestre.

4.3. Apagones Causados por Tormentas Solares.

4.4. Alteración en las Transmisiones de Radio y los Satélites.

5. El Magnetómetro Seleccionado.

5.1. El Sensor Magnetómetrico HMR2300.

5.2. Características y Beneficios.

5.3. Comunicación de los Datos.

5.4. Comandos de Entrada.

5.4.1. El Formato de los Datos del HMR 2300.

5.4.1.1. Selección del Formato de Salida.

5.4.1.2. Cambio y Ajuste de la Tasa de Baudios Rápida y Lenta.

5.4.1.3. Comando de Cero Lectura.

5.4.1.4. Lectura de Datos.

5.4.1.5. Comando Set/Reset.

5.4.1.6. Comando de Lecturas Promedio.

5.4.1.7. Comandos de Restauración y Valores por Defecto.

5.4.1.8. Tasa Ajustable de Muestreo de Salida.

5.4.1.9. Atenuación de la Señal de Entrada.

5.5. Descripción del Circuito.

5.6. Precauciones con el HMR2300 al Medir el Campo Magnético Terrestre.

6. El Sistema de Posicionamiento Global.

6.1. Definición del GPS.

6.2. Funcionamiento General del Sistema GPS.

6.3. Fuentes de Error del GPS.

6.3.1. Perturbación Ionosférica.

6.3.2. Fenómenos Meteorológicos.

6.3.3. Imprecisión en los Relojes.

6.3.4. Interferencias Eléctricas Imprevistas.

6.3.5. Error Multisenda.

6.3.6. Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A".

6.3.7. Topología Receptor-Satélites.

7. El GPS Seleccionado.

7.1. El Módulo GPS SiRFstarIII MTI-6 de StarsNav.

7.2. Características y Beneficios.

7.3. Comunicación de los Datos.

7.3.1. Protocolo NMEA.

7.4. Interfase Físico del Sistema y su Descripción.

7.4.1. RESET.

7.4.2. La Entrada RF.

7.4.3. VBAT.

7.4.4. Conexión Serial de TTL a Serial PC.

7.5. Precauciones con el Sistema GPS.

8. Sistema Integrado Inalámbrico Ethernet Wiport.

8.1. Características y Beneficios del Circuito Integrado Wiport.

8.2. Comunicación de los Datos.

8.2.1. Entradas y Salidas Seriales.

8.2.2. Entrada y Salida Ethernet.

8.3. Interfase del Circuito Integrado Wiport del Sistema y su Descripción.

8.3.1. Leds Indicadores WLAN.

8.3.2. El Suministro, la Tierra y el Reinicio.

8.3.3. Fuente de Poder de Módulo Wiport.

8.4. Precauciones con el Circuito Integrado Wiport.

8.5. El Sistema de Desarrollo y Evaluación Wiport.

8.5.1. Banco de Jumpers de Configuración.

8.5.2. Configuración del Sistema de Desarrollo Wiport.

8.5.2.1. Asignación de la Dirección IP.

9. El Tratamiento de los Datos.

9.1. Promedio de los Datos.

9.2. Desviación Estándar.

9.3. Coeficiente de Variación.

9.4. Derivada de los Datos.

9.5. Análisis en Frecuencia.

9.6. El Histograma.

10.Guía Rápida de Configuración Propietaria.

10.1. Configuración del Sensor HMR2300.

10.2. Configuración del GPS MTI-6 StarNav.

10.3. Configuración del Sistema Ethernet Wiport.

11.Guía de Instalación del Hardware.

11.1. Listado de Partes y su Identificación.

11.2. Instrucciones de Instalación de la Caja.

11.3. Instrucciones de Instalación del Sistema General.

12.Instalación y Manejo del Aplicativo Lanzador de Datos.

12.1. Requerimientos de Hardware.

12.2. Requerimientos de Software.

12.3. Instalación.

12.4. Comenzando a Trabajar.

12.5. Configuración de los Datos.

12.5.1. La Sección A - Conexión Remota.

12.5.2. La Sección B - Acceso a la Base de Datos.

12.5.3. La Sección C - Parámetros de Conversión a Nanoteslas.

12.5.4. La Sección D - Otros Datos.

12.6. Captura de los Datos.

13.Guía Básica del Usuario de Portal Colmagnet.

13.1. Pantalla de Inicio.

13.2. Datos del Sensor.

13.3. Gráficas de los Datos.

13.4. Análisis de Datos.

13.5. Último Dato Capturado por el Sensor.

13.6. Colmagnet TV.

13.7. Galería Multimedia.

13.8. Bibliografía.

13.9. Noticias.

13.10.Enlaces.

13.11.Sugerencias.

13.12.Preguntas Frecuentes.

13.13.Servicio de Correo Electrónico.

13.14.Administración del Sitio Web.

14.Comparación Experimental del Campo Magnético Terrestre.

14.1. Bobinas de Helmholtz.

14.1.1. Determinación de la Componente Horizontal del Campo Magnético Terrestre.

14.2. Comparación con el Sistema Magnetométrico de Colmagnet.

15.Posibles Causas de Error en las Medidas del Sensor Magnético.

15.1. La Resolución de Conversor A/D.

15.2. Los Errores de los Sensores Magnéticos.

15.3. Los Efectos de la Temperatura.

15.4. Efecto Causado por Materiales Ferromagnéticos en la Proximidad.

15.5. Errores de Inclinación.

 

Índice de figuras.

1.1. Líneas de fuerza del campo dipolar exterior a una esfera. La sección mostrada contiene los polos. La forma del campo dentro de la esfera depende de cómo se produce el campo.

1.2. Cambios de la declinación del campo en Londres.

1.3. Variación de la localización del norte magnético en los últimos 2000 años.

1.4. Disco giratorio en un campo magnético. No circula ninguna corriente.

1.5. El circuito externo permite que la corriente circule.

1.6. La corriente da lugar a un campo y proporciona una dinamo auto-excitada.

1.7. Gráfico isodinámico del campo magnético terrestre total F. Líneas de contorno en nT, para el año 2005 con el modelo IGRF en su décima generación.

1.8. Gráfico isodinámico del mundo para la intensidad horizontal del campo magnético terrestre. Líneas de contorno en nT, para el año 2005, del modelo IGRF en su décima generación.

1.9. Gráfico isodinámico del mundo de la intensidad vertical Z para el campo magnético terrestre. Líneas de contorno en nT, para el año 2005 con el modelo IGRF en su décima generación.

1.10. Gráfico isogónico del mundo para la declinación D del campo magnético terrestre. Líneas de contorno en grados, para el año 2005, del modelo IGRF en su décima generación.

1.11. Magnetómetro de Gauss Lamont; 

         a) Una barra magnética que oscila con un período T en el campo magnético terrestre, 

         b) La barra magnética se utiliza ahora para desviar la aguja magnética que gira libremente hacia una posición de equilibrio dentro del campo magnético de la tierra y la barra.

1.12. Estampillas Colombianas del centenario de la muerte de Humboldt en 1960.

2.1. Vista idealizada de las líneas de fuerza del campo magnético de la Tierra, con la tierra representada como una esfera. N y S son el lugar ideal de los polos magnéticos.

2.2. Líneas de fuerza del dipolo magnético. La echa indica el dipolo magnético, r es el vector distancia y j la colatitud, que se refieren a un punto P en coordenadas polares.

2.3. Elementos del campo magnético terrestre. En el punto P, en la Tierra, tres ejes respectivamente, (x) apuntando norte geográfico, (y) al este geográfico (oriente), y (z) a lo largo de la vertical apuntado hacia abajo . El vector campo magnético terrestre F puede proyectarse a lo largo de los tres ejes geográficos para obtener las tres componentes magnéticas X, Y y Z. F también forma un ángulo I, inclinación, con el plano horizontal (x,y); H es la proyección horizontal de F y el ángulo D, declinación, es el ángulo entre el H y X.

2.4. Gráfica de la declinación magnética.

2.5. Gráfica de la inclinación magnética.

2.6. Magnetómetro de protones del observatorio de Fúquene en Cundinamarca, Colombia.

2.7. Magnetómetro de precesión de protones, unos esquemas de circuitos eléctricos para la medición del campo B. La medición se realiza en dos pasos: 

      (1) generación de precesión libre de protones por inyección de energía, 

      (2) después de la detección de señales de conmutación, b típico detección de la disminución la amplitud de la señal. 

       La relación señal / ruido es óptima para sólo unos segundos después de que la polarización está apagada.

2.8. Diagrama de bloques de magnetómetro uxgate.

2.9. Magnetómetro uxgate; esquemas de devanados en el caso de instrumento uxgate de doble núcleo.

2.10. Magnetómetro uxgate; formas de onda del campo B de la señal de salida del instrumento uxgate de doble núcleo.(Lowrie de 1997).

2.11. Principio de operación del Efecto Hall.

2.12. Principio de operación de un sensor magneto resistente.

2.13. Curvas características de sensores magneto resistentes.

2.14. Linealización efecto magneto resistivo.

2.15. Sensor magneto inductivo.

2.16. Transformador de corriente.

2.17. Localización en coordenadas esféricas de la latitud y la longitud terrestre.

2.18. Muestra parcial de los coeficientes de Gauss (Datos 1995-2000-2005).

3.1. Vista general de la laguna de Fúquene en Cundinamarca.

3.2. Instalaciones del Observatorio del Campo Magnético en Fúquene, Cundinamarca.

3.3. Imagen del magnetómetro Diux utilizado por el Observatorio de Fúquene.

4.1. Visión general de la inducción magnética de campos biomagnéticas.

4.2. Los tibures y los efectos electromagnéticos.

4.3. Danza del ocho de las abejas.

4.4. Modelo químico de la migración de las aves.

4.5. Cámara utilizada por Edison en el estudio del efecto de los campos magnéticos en los perros.

4.6. Campo magnético terrestre en Loma Prieta en octubre de 1989.

4.7. QuakeSat de Quakender.

4.8. Imagen generada por computada de la NASA que representa las eyeciones de masa coronal solar CME.

4.9. Localización de la anomalía del Atlántico Sur.

5.1. Apariencia externa e interna del módulo HMR2300.

5.2. Alimentación serial del módulo HMR2300.

5.3. Formato ASCII de Salida.

5.4. Tasa y Formatos de Salida Permitidos.

5.5. Circuito general del HMR2300.

5.6. Distribución Física del HMR2300.

6.1. Fotografía NASA del satélite Vanguard 1.

6.2. Sistema Satelital GPS.

6.3. Sistema Básico de Triangulación GPS.

7.1. Fotografía del módulo GPS MTI-6.

7.2. Datos de protocolo NMEA con GPGGA.

7.3. Vista superior y lateral del sistema GPS OEM.

7.4. Sistema de Conversión TTL a Serial.

7.5. Valores extremos máximos permitidos para el GPS.

8.1. Kit de Desarrollador de Wiport de Lantonix.

8.2. Distribución de pines del circuito integrado Wiport.

8.3. Diagrama de bloques del sistema.

8.4. Distribución de pines del módulo Wiport.

9.1. Código ASP para el cálculo del promedio de los datos.

9.2. Gráfica del promedio por minuto de la magnitud del campo magnético terrestre.

9.3. Código ASP para el cálculo de la desviación estándar.

9.4. Análisis estadístico básico de los datos del campo magnético por fecha.

9.5. Código ASP para el cálculo de la derivada.

9.6. Gráfica de la deriva de los datos promedio.

9.7. Código ASP para el cálculo de la DFT.

9.8. Gráfica de la DFT de los datos de un día.

9.9. Código ASP que permite calcular los valores de las frecuencias del Histograma.

9.10. Gráfica del histograma para los datos de un día de la magnitud del campo magnético terrestre.

10.1. Pantalla inicial de la creación de la conexión al magnetómetro.

10.2. Parámetros básicos de configuración de Hyperterminal para el HMR2300.

10.3. Activación de la configuración ASCII y del Eco.

10.4. Ventanas de respuesta de inicio y ejecución de comandos de configuración del sensor HMR2300.

10.5. Pantalla inicial de la creación de la conexión al GPS.

10.6. Parámetros básicos de configuración de Hyperterminal para el GPS MTI-6.

10.7. Ventana de respuesta de inicio del sistema GPS MTI-6.

10.8. Pantalla inicial de la creación de la conexión del Wiport Lantronix.

10.9. Parámetros básicos de configuración de Hyperterminal para la conexión Telenet al Wiport.

10.10.Menú básico de configuración terminal del Wiport.

10.11.Parámetros básicos de configuración de la opción Server del Wiport.

10.12.Parámetros básicos de configuración de la opción channel 1 del Wiport.

10.13.Parámetros básicos de configuración de la opción channel 2 del Wiport.

10.14.Parámetros básicos de configuración de la opción channel 2 del Wiport.

10.15.Parámetros básicos de configuración del Wiport mediante el acceso web.

10.16.Parámetros básicos de configuración del Wiport en su puerto serial canal 1.

10.17.Parámetros básicos de configuración del Wiport en su puerto serial canal 2.

11.1. Sistema magnetométrico completo de Colmagnet.

11.2. Vista superior esquemática del sistema completo.

11.3. Diagrama general del sistema magnetométrico. Los datos son recibidos a través de la trayectoria A y enviados de vuelta al router por B; finalmente, lanzados a la internet por C y publicados en la`página web de la empresa colmagnet.

12.1. Pantalla web del sistema instalador.

12.2. Pantalla correspondiente al administrador de la base de datos MySQL.

12.3. Ventana Principal de Data Sensor.

12.5. Pantalla principal del lanzador de datos de Colmagnet.

12.4. Ventana de configuración de los datos.

12.6. Base de alineación y tornillos de balanceo.

12.7. Detalle de la ventana de monitoreo de los datos crudos del sistema.

12.8. Pantalla de monitoreo y confirmación de envío de datos a Colmagnet en Internet.

12.9. Sistema lanzador operado adecuadamente en demostración.

13.1. Pantalla principal del portal de la empresa colmagnet.

13.2. Datos discretos del sensor y el GPS.

13.3. Intensidad del campo magnético terrestre.

13.4. Derivada de la intensidad del campo magnético terrestre y su Transformada de Fourier.

13.5. Histograma de los datos del campo magnético terrestre para el intervalo.

13.6. Análisis estadístico elemental de los datos.

13.7. Último dato leído, vector campo magnético y su localización en Google Earth.

13.8. Sistema de televisión creado especialmente para colmagnet.

13.9. Contenido multimedia del portal Colmagnet.

13.10.Página de bibliografía recomendada.

13.15.Correo corporativo de Colmagnet.

13.11.Página del listado de noticias del portal Colmagnet.

13.12.Enlace a sitios de interés relacionados al campo magnético.

13.13.Formulario de sugerencias.

13.14.Página de preguntas frecuentes del portal Colmagnet.

13.16.Portal de Administración de sitio web.

14.1. Campo magnético producido en el centro de una espira circular.

14.2. Direcciones relativas del campo magnético terrestre en la bobinas.

14.3. Diagrama básico de conexión del experimento.

14.4. Montaje de la Experiencia para la determinación de la componente Horizontal del campo magnético terrestre.

14.5. Determinación de la pendiente de la gráfica (BT).

14.6. Brújula de inclinación.

14.7. Datos tomados por Colmagnet el día de la experiencia.

14.8. Comparativo cualitativo de los resultados.

15.1. Distorsión del campo por proximidad ferromagnética.

15.2. Causas del error en la inclinación del sensor magnético.

 


Capítulo 1.


Primeros Estudios del Campo Magnético Terrestre.

1.1. La Naturaleza del Campo y sus Cambios.

La fuerza que actúa sobre la aguja de una brújula se describe en términos de campo magnético, que forma un vector con la intensidad y la dirección de la fuerza en uno de los polos de un imán.

Se necesitan tres números para describir la fuerza en un punto dado, y naturalmente los números pueden escogerse de varias formas. Cualquiera que sea el sistema que se escoja, los tres números deben determinar completamente la fuerza en un lugar y tiempo dados. Una línea de fuerza es una curva cuya dirección da la dirección del campo en cada punto de la misma.

El geomagnetismo es un tema complejo, ya que las tres componentes del campo magnético (X,Y,Z) no sólo varían en cada lugar sobre la tierra sino también con el tiempo (X,Y,Z,t). La variación local de un lugar a otro es debida, en gran parte, a la magnetización de las rocas próximas a la superficie de la Tierra. Si, por ejemplo, una roca fundida se abre camino hasta la superficie y fluye como la lava de un volcán, se magnetizará al enfriarse en la dirección del campo geomagnético. Esta técnica pude usarse para determinar el magnetismo antiguo de una zona. Estas rocas magnetizadas producen una perturbación local en el campo magnético que es importante en la interpretación de los estudios detallados del magnetismo terrestre. Las rocas magnetizadas interesan aquí solo porque ayudan a representar el registro de la historia del campo magnético de la Tierra a lo largo de las diferentes eras de la misma. A través de este procedimiento se ha comprobado que el campo magnético de la Tierra ha variado no solamente en la forma que se ha visto cambiar con los últimos 400 años, sino también produciéndose inversiones frecuentes a intervalos de tiempo sorprendentemente cortos del orden de miles de años.

De una manera aproximada el campo fuera de la Tierra se asemeja al campo exterior de una esfera uniformemente magnetizada, o lo que es lo mismo, al campo interior de una esfera con un dipolo en su centro. A este tipo de campo se le llama campo dipolar y sus características pueden verse en la figura 1.1.

 

Figura 1.1: Líneas de fuerza del campo dipolar exterior a una esfera. La sección mostrada contiene los polos. La forma del campo dentro de la esfera depende de cómo se produce el campo.

 


Un campo dipolar posee dos polos magnéticos y un ecuador magnético. En los polos la aguja magnetizada se coloca verticalmente y en el ecuador horizontalmente. El campo dipolar que mejor se ajusta al actual campo de la Tierra tiene sus polos separados aproximadamente 11 grados de los polos geográficos, estando el polo Norte al noroeste de Groenlandia. Esta semejanza entre el campo terrestre y el campo de una esfera uniformemente magnetizada fue indicada en un principio por William Gilbert de Colchester ( 1 ).


( 1 ). William Gilbert, (n. Colchester, Essex, 24 de mayo de 1544 Londres, 10 de diciembre de 1603).


 

El ajuste del campo dipolar al campo terrestre es sólamente aproximado. Existen áreas de unos pocos miles de kilómetros en las que el campo diere sistemáticamente del campo dipolar, y en las que no se encuentra ninguna relación sencilla con la geografía o la geología. Algunos de los conjuntos de contornos cerrados están centrados sobre tierra y otros el océano; ninguno de ellos sigue la línea de la costa o de las grandes cadenas montañosas de una manera sistemática. La única excepción a esta falta de relación con la geografía, es una tendencia, del campo no dipolar, a ser menor sobre el Pacífico que sobre el resto de la Tierra.

Las variaciones del campo en un lugar dado son considerables y rápidas. Las primeras mediciones de la declinación de la brújula se hicieron en Londres en 1580; la aguja apuntaba 11 grados hacia el este; en 1660 la declinación era de 0 grados; en 1820 era de 24 grados al oeste. Desde entonces ha retrocedido, apuntando ahora hacia 7 grados oeste. En la figura 1.2 se muestran estos cambios y los de la inclinación. El ritmo de las variaciones no sólo muestra que no tiene ninguna relación con la geología sino que se producen en una escala de tiempo muchísimo menor que el tiempo geológico.

 

Figura 1.2: Cambios de la declinación del campo en Londres.

 


En Londres, la brújula varió 35 grados en 240 años. En Cape Town. ( 2 ), la componente horizontal. del campo disminuyó en un 30 por ciento en 100 años. Estos cambios son muy grandes y, desde el punto de vista geológico, muy rápidos. Es inconcebible que puedan ocurrir a escala mundial grandes desplazamientos de materia o grandes cambios de temperatura en la parte sólida de la Tierra en tiempos tan extremadamente cortos sin la producción de grandes cataclismos.

Es posible demostrar que las principales características principales del campo geomagnético tienen todos su origen en el interior de la Tierra. Este resultado fue dado por Gilbert, que lo dedujo a partir de la analogía entre el campo terrestre y el de una esfera hecha de mineral de hierro magnético natural. La teoría que permite decir con seguridad, si los polos o corrientes que producen un campo, están dentro o fuera de una superficie cerrada, la desarrolló Johann Carl Friedrich Gauss ( 3 ); todo lo que se necesita es efectuar mediciones de las tres componentes del campo en la superficie. En ella existen pequeñas y rápidas variaciones periódicas del campo, con períodos que van de un segundo a unos pocos años, que son de origen externo, debidas a corrientes que circulan en la alta atmósfera; en esta representación se ignoran, o se eliminan estos aportes. 

En la figura 1.3 se presenta una vista superior de la tierras con las diferentes localizaciones de norte magnético durante los últimos 2000 años.

Figura 1.3: Variación de la localización del norte magnético en los últimos 2000 años.

 

Puesto que el campo está originado en el interior de la Tierra, se debe buscar un origen profundo en el interior de la misma, en un lugar donde puedan producirse cambios rápidos. Este lugar obviamente, debe ser el núcleo terrestre, donde el material es fluido y se pueden esperar desplazamientos mucho más rápidos que los que pueden ocurrir por deslizamiento, en la parte sólida exterior de la Tierra [3][6].


( 2 ) Ciudad del Cabo ( Inglés: Cape Town) es la segunda ciudad más poblada de Sudáfrica. Forma parte de la municipalidad metropolitana de Ciudad del Cabo. Es la capital de la Provincia Occidental del Cabo, así como la capital legislativa de Sudáfrica.

( 3 ) Johann Carl Friedrich Gauss (30 de abril de 1777 - Brunswick, Alemania 23 de febrero de 1855 - Göttingen, Hanover Alemania).


 


1.1.1. Variaciones Aleatorias del Campo Magnético.

Son las numerosas variaciones en el campo magnético alrededor de la Tierra que no pueden ser modelados con precisión debido a su carácter aleatorio que no se describen en detalle en este documento, pero se brinda una referencia rápida. Es importante ser consciente de estas diferencias cuando se considera el diseño de naves espaciales y cualquier otro equipo sensible que esté expuesto a su interferencia [8].


1.1.1.1. Variaciones Temporales Solares.

Son las variaciones temporales solares que se producen aproximadamente cada 27 días en las que el área solar activa del Sol está de frente a la Tierra. Estas variaciones duran desde algunos segundos hasta varios días, y son especialmente fuertes cuando la Tierra está cerca del equinoccio en marzo-abril y septiembre-octubre [8].


1.1.1.2. Variaciones Temporales Diarias.

Se producen debido a la circulación de partículas dentro de la ionosfera. Los electrochorros polar (auroral) y ecuatorial pueden tener un impacto significativo en la campo magnético terrestre. El electrochorro auroral puede causar cambios del orden de 1000nT a 1500nT en la superficie de la Tierra, mientras que los electrochorros ecuatoriales causan perturbaciones del orden de 220nT en altitudes comprendidas entre 96 y 130 kilómetros [8].


1.1.1.3. Variaciones por Tormentas Magnéticas.

Se producen durante las erupciones solares. Las erupciones solares están muy estrechamente relacionadas con la actividad solar y las tormentas magnéticas en general, a n de seguir los mismos 27 días vistos en el patrón general de las variaciones temporales, aunque se producen con menos frecuencia. Durante la primera fase de la tormenta magnética el efecto es de alrededor de 50nT, sin embargo, durante la fase principal, que dura varias horas, la variación es del orden de 400nT. Estas se producen con carácter aparentemente aleatorio [8]. 

 

1.2. Posibles Teorías del Origen del Campo Geomagnético.

Comúnmente existen dos maneras para crear campos magnéticos: mediante imanes permanentes y por corrientes eléctricas. Un fluido no puede ser un imán permanente; o por lo menos no se conoce ningún imán fluido, ya que, en caso de existir, en seguida se mezclarían sus partes y no habría una magnetización general sino sólo una distribución caótica de pequeñas regiones imanadas, unas junto a otras. La otra manera de producir un campo magnético, mediante corrientes, parece más viable.

El núcleo de la Tierra tiene una densidad de que es típica de metales sometidos a la presión que rige en esta zona, presión demasiado alta para la existencia de cualquier tipo de roca. 

Normalmente se supone que el núcleo está compuesto en su mayor parte de hierro fundido y es, por lo tanto, un buen conductor eléctrico.

Una vez se haya iniciado una corriente en un conductor esférico, continuará por algún tiempo, por efecto de auto-inducción. Para cuerpos de tamaño a escala de laboratorio este tiempo es corto; por ejemplo, para una esfera de cobre de 0,1 m de diámetro el tiempo de duración de la corriente es menor que 0,1 s; sin embargo, como el tiempo es función del cuadrado del volumen del cuerpo, puede tener un valor considerable al tratarse de corrientes en el núcleo terrestre. El tiempo real de duración de las corrientes depende de como éstas se distribuyan en el cuerpo. Cuanto más uniforme es la distribución, mayor es el tiempo de duración de las corrientes. Para una esfera, uniforme en su distribución, es mayor el tiempo de duración de las corrientes. Para una esfera, el tiempo máximo posible de duración de la corriente está dada por la ecuación 1.1 :


En la ecuación 1.1, k es la conductividad en , a es el radio en metros yes la permeabilidad del material (para las temperaturas reinantes, será la misma que para el vacío, es decir

El núcleo terrestre tiene radio de 3400 km. y su conductividad probable, es de unos ; con estos valores el tiempo para reducirse a 14.000 años.

Este tiempo es muy corto comparado con el de la edad de la Tierra ; por lo tanto, se muestra que la corriente necesita mantenerse para compensar su disminución, si el campo ha de durar un tiempo geológicamente considerable. 

La aparición de inversiones del campo sugiere también la existencia de algún proceso que controle las corrientes y que éstas no circulan únicamente debido a la inductancia del circuito.

Se podrían sugerir varias maneras para explicar el mantenimiento de la corriente eléctricas que circulan en el núcleo terrestre. Podrían estar producidas por fuerzas electromagnéticas químicas (pilas) entre los silicatos calientes y la superficie del núcleo o bien por efecto termoeléctrico. El núcleo está tan bien protegido en el centro de la tierra, lo que es muy difícil decir con certeza que tales opiniones sean falsas. De todos modos es difícil pensar que el campo pudiera invertirse repentinamente, si se está produciendo de esta manera.

En los últimos años, la hipótesis de que el campo geomagnético es producido por una dínamo en el interior del núcleo terrestre, ha adquirido muchos partidarios. No puede decirse que tal hipótesis se haya demostrado de forma concluyente, pero parece dar una línea de trabajo prometedora[1][3][6].


1.2.1. Dínamo de Disco.

La figura 1.4 muestra un disco que gira en torno a un eje en presencia de un campo magnético perpendicular al disco. Cuando el disco gira, cada radio de él corta el campo y esto genera una fuerza electromotriz entre el eje y el borde del disco. Esta fuerza electromotriz no puede generar corriente pues no existe circuito alguno por el que pueda circular la corriente; pero hace que el borde del disco quede cargado. Si, como se muestra en la figura 1.5, se conecta un circuito externo entre el eje y el borde del disco, mediante escobillas, la corriente eléctrica circulará por el disco y por el circuito conectado. A su vez la corriente creará un campo magnético en las proximidades del circuito. Esto es una dínamo que produce una corriente y un campo magnético, pero necesita un campo externo para funcionar. Sin embargo, si el circuito conectado a las escobillas es una espira en torno al eje, como se ve en la figura 1.6, entonces el campo requerido para crear la fuerza electromotriz en el disco giratorio, lo proporciona el mismo dínamo, con lo que se tiene un dínamo autoexcitado. 

 

Figura 1.4: Disco giratorio en un campo magnético. No circula ninguna corriente.


 

Figura 1.5: El circuito externo permite que la corriente circule.

 

Figura 1.6: La corriente da lugar a un campo y proporciona una dinamo auto-excitada.

 

 

1.3. Primeros Estudios del Campo Magnético Terrestre al Rededor del Mundo.

El objeto de mediciones geomagnéticas es la determinación cuantitativa de los elementos del campo magnético terrestre, esto se hace usando instrumentos magnéticos, denominandos magnetómetros.

Durante años los académicos y especialistas han diseñado muchos tipos de magnetómetros con el objeto de mejorar la calidad de la medición, para lograr una mejor portabilidad, una mejor eficiencia o para hacer más fácil su uso. En este documento no se pretende ir a través de la larga historia de los magnetómetros, sin embargo se da a una breve introducción que describe los magnetómetros mecánicos clásicos y, seguidamente, se procederá con los instrumentos más modernos y más ampliamente utilizados, que se fundamentan en su principio de operación en fenómenos electromagnéticos o nucleares, que requieren para su entendimiento un importante manejo de la electrónica moderna.

Johann Carl Friedrich Gauss fue el primero en construir un sistema completo para la determinación absoluta de los elementos del campo geomagnético a principios del siglo XIX. Como el campo geomagnético es un vector, es evidente que su determinación necesita la cuantificación de todos los elementos de esta cantidad vectorial. La brújula magnética ya se utilizaba en la Edad Media a través del empleo de agujas que apuntaban al norte magnético. La casi el indicación al norte hecha por la brújula hizo de esta un instrumento muy útil para señalar al norte (magnético), lo que la hizo muy importante para el transporte, especialmente marítimo, donde no existen muchas referencias a seguir. Alrededor del siglo XVI se puso de manifiesto que la brújula no apuntaba exactamente al norte geográfico, por lo que existía un ángulo que separaba la indicación del norte magnético con la indicación del norte geográfico. Más tarde se le llamó a este ángulo declinación.

Posteriormente mediante la determinación independiente del norte geográfico, y con la ayuda de una aguja magnética montada sobre un círculo horizontal, se logró la cuantificación del ángulo de declinación en el plano horizontal. El inclinómetro, que probablemente se introdujo durante el siglo XVI, brindó la inclinación del campo magnético F con respecto al plano horizontal. Los inclinómetros también utilizan agujas magnéticas, pero la aguja pivotea al rededor de un eje horizontal entregando el ángulo de inclinación medido en un círculo vertical [1][2][6].


Figura 1.7: Gráfico isodinámico del campo magnético terrestre total F. Líneas de contorno en nT, para el año 2005 con el modelo IGRF en su décima generación.

 

 

 

Figura 1.8: Gráfico isodinámico del mundo para la intensidad horizontal del campo magnético terrestre. Líneas de contorno en nT, para el año 2005, del modelo IGRF en su décima generación.


El círculo vertical fue cuidadosamente orientado en el plano del meridiano magnético, luego se midió el ángulo que forma la aguja con respecto al plano horizontal que resulta ser la inclinación del campo magnético terrestre.

Ninguna de estas mediciones angulares eran lo suficientemente precisas para las necesidades de los científicos. Se logró ir un paso adelante en la medición de la declinación, con respecto a su precisión, con la introducción de agujas suspendidas, manteniendo la horizontal mediante un equipo de soporte especial, el cual a la vez estaba suspendida por medio de un hilo. De esta manera se redujo el efecto de fricción en el pivote o punto de giro. Posteriormente se logró una lectura más precisa mediante el uso del telescopio óptico.

 

Figura 1.9: Gráfico isodinámico del mundo de la intensidad vertical Z para el campo magnético terrestre. Líneas de contorno en nT, para el año 2005 con el modelo IGRF en su décima generación.

 

 

Figura 1.10: Gráfico isogónico del mundo para la declinación D del campo magnético terrestre. Líneas de contorno en grados, para el año 2005, del modelo IGRF en su décima generación.

 

El pleno conocimiento del vector F del campo magnético terrestre necesita al menos la medición de uno de sus componentes de intensidad. 

El conocido explorador Friedrich Heinrich Alexander Barón de Humboldt ( 4 ) utilizó la observación del período de oscilación de la aguja de la brújula en el plano horizontal para determinar la medida relativa de la intensidad horizontal del campo, aplicando la relación de la ecuación 1.2 la cual vincula, las pequeñas oscilaciones de amplitud, el período de oscilación T de un imán con su momento de inercia I y el momento magnético M con el campo magnético horizontal H. 

Este simple método reduce las mediciones relativas de H a la medición de la oscilación del periodo de un imán.


( 4 ) Friedrich Heinrich Alexander Barón de Humboldt (Berlín, Alemania, 14 de septiembre de 1769 - 6 de mayo de 1859).



 (1.2)

 

Este procedimiento fue en general utilizado por varios observadores en sus viajes científicos permitiendo obtener una primera aproximación para el conocimiento sobre la magnitud de las variaciones del campo magnético en todo el mundo. Lamentablemente este procedimiento requería la determinación del momento magnético M y del momento de inercia I de la aguja, a n de establecer la magnitud absoluta del campo magnético H lo cual no siempre era fácil de lograr.

En 1832, Gauss fue el primero en darse cuenta de que era posible elaborar un procedimiento para la correcta determinación absoluta de la intensidad horizontal del campo magnético terrestre.

Este método, modificado posteriormente por Johann von Lamont ( 5 ), consiste en la comparación de dos pares mecánicos actuando de forma horizontal suspendiendo una aguja magnética. Un par es producido por el campo magnético terrestre, mientras que el segundo actual artificialmente mediante un imán situado a una distancia   r   de la aguja oscilante. En una primera fase de la medición de la aguja magnética, está orientada con precisión a lo largo del campo magnético terrestre; en una segunda fase se pone en funcionamiento un imán de desviación a una distancia r, lateralmente en un ángulo recto a la aguja central. 

Si se llama M el momento magnético debido al imán, la aguja central experimentará no sólo la intensidad horizontal del campo magnético terrestre H, sino que también sensará un segundo campo, cuya intensidad se puede llamar H1, generada por el imán de desviación M:

 (1.3)

 

En consecuencia, la aguja central (Fig. 1.11) estará bajo la influencia de los dos pares que se trasladarán a una nueva posición, formando un ángulo con la dirección inicial.

La posición de equilibrio será ahora dada por

 

 (1.4)

 

Las cantidades pueden medir fácilmente mediante una escala de centímetros y un telescopio óptico. 

En la variante de Lamont, el procedimiento es tal que al final de la medición el imán de desviación M y la aguja central son perpendiculares entre sí, de tal forma que la fórmula final se reduce a la ecuación 1.5:

 

 

 (1.5)

 

Gauss fue capaz de determinar por primera vez, la intensidad horizontal absoluta del campo magnético H con el imán de desviación utilizado en la primera parte del experimento con las dos ecuaciones 1.2 y 1.4, la primera, se menciona como la ya conocida por Alexander Von Humboldt  ( 6 ), y la segunda se encuentra en su experimento. 

De esta forma el campo magnético terrestre se convirtió en la primera cantidad no mecánica expresada en términos de las tres cantidades mecánicas fundamentales : masa, longitud y tiempo.

Este resultado se presentó en las memorias de Gauss tituladas Intensitas vis Magneticae Terrestris ad Mensuram Absolutam Revocata en 1833, las cuales fueron las últimas memorias del gran científico escritas en latín. El instrumento completo utilizado en este procedimiento se llamó por primera vez Magnetómetro.

En estrecha colaboración con Maximilian Carl Emil Weber ( 7 ), Gauss desarrolló una intensa labor en el estudio del magnetismo terrestre. Estos acogieron con entusiasmo la propuesta de Alexander Von Humbodlt de crear una red de observatorios magnéticos que cubrieran toda la superficie terrestre [1][2].

Figura 1.11: Magnetómetro de Gauss Lamont; a) Una barra magnética que oscila con un período T en el campo magnético terrestre, b) La barra magnética se utiliza ahora para desviar la aguja magnética que gira libremente hacia una posición de equilibrio dentro del campo magnético de la tierra y la barra.

 


( 5 ) Johann von Lamont (Diciembre 13, 1805 Corriemulzie, Escocia Agosto 6, 1879-Munich, Alemania).

( 6 ) Friedrich Heinrich Alexander Barón de Humboldt ( 14 de septiembre de 1769 - Berlín, Alemania, 6 de mayo de 1859- Berlín, Alemania).

( 7 ) Maximilian Carl Emil Weber ( 21 de abril 1864 - Érfurt, Alemania, 14 de junio 1920- Múnich, Alemania).