INDUZIONE ELETTROMAGNETICA DELL'INTERNO DELLA TERRA

Presentazione sul tema: "INDUZIONE ELETTROMAGNETICA DELL'INTERNO DELLA TERRA"— Transcript della presentazione:

1 INDUZIONE ELETTROMAGNETICA DELL'INTERNO DELLA TERRA

2 Primary Magnetic Field
Hard disk Current Primary Magnetic Field Self-Induced Magnetic Field

3 Domande…. Il fenomeno può essere trasposto al caso dell’intero globo terrestre? Quali sono i campi e come variano? Possiamo sfruttare tali conoscenze?

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5 Lo studio della propagazione delle onde sismiche permette una ricostruzione indiretta dell'interno del nostro pianeta. Sebbene l'uomo non sia riuscito a penetrare la crosta oltre i km, ha dedotto ugualmente delle conoscenze sulle proprietà meccaniche degli strati fino al nucleo interno solido. L'idea di sfruttare anche le proprietà elettriche degli stessi strati mediante sollecitazioni elettromagnetiche (EM) al fine di aggiungere ulteriori conoscenze geofisiche, fu possibile con l'introduzione della legge di induzione EM dovuta a Faraday - Neumann. La Terra è un corpo elettricamente conduttore. E’ soggetta alla suddetta legge fisica oltre ad essere, essa stessa, sede di campi EM secondari.

6 L’induzione elettromagnetica in ambito geofisico si inquadra all’interno della teoria classica dell’elettromagnetismo poiché le basse frequenze in gioco (<10 kHz), le corrispondenti lunghezze di scala (>10 km) e il mezzo materiale coinvolto (gli strati della Terra) sono tali da consentire una trasmissione di energia per diffusione del campo. Non vengono considerati, pertanto, meccanismi radiativi e di scattering, tipici dei fenomeni ad alta frequenza. Modificazioni nelle correnti elettriche ionosferiche e magnetosferiche inducono un campo EM secondario, sovrapposto al preesistente primario. Osservando ed elaborando le variazioni conseguenti, si può acquisire la distribuzione della conduttività terrestre, o meglio il contrasto laterale e in profondità della conducibilità, studiando qualche adeguata funzione di risposta del "mezzo Terra". Le equazioni fondamentali della teoria dell’induzione EM che, nel caso mono-dimensionale, danno una soluzione esatta per la funzione di risposta cercata, che in genere è rappresentata da una combinazione di funzioni di trasferimento che forniscono la variabilità spaziale della conducibilità elettrica  =  (z), sono le equazioni di Maxwell.

7 Sorgenti di variazioni EM:
Le variazioni temporali più brevi del CMT hanno origine esterna: sono la manifestazione delle complesse sollecitazioni e interazioni elettrodinamiche e magnetodinamiche tra il vento solare e la Terra nonché dei regolari cambiamenti nella radiazione solare. La variabilità delle correnti elettriche presenti nella ionosfera e nella magnetosfera, inducono, infatti, correnti elettriche all'interno della Terra. Il campo magnetico associato alle correnti indotte dall'esterno si combina con il campo magnetico di origine interna formando il campo magnetico totale, quello cioè che misuriamo sulla superficie terrestre. Escludendo l'inversione della polarità del CMT, la variazione più lenta, osservata e registrata dalla rete degli osservatori mondiali, è la variazione secolare. Essa è dovuta a correnti e onde magnetoidrodinamiche che si generano nel nucleo esterno fluido della Terra.

8 Equazioni di Maxwell Divergenza del campo elettrico è una funzione della densità di carica Legge di Faraday. Le variazioni nel tempo di un campo magnetico inducono corrispondenti fluttuazioni di un campo elettrico connesso Ossia una circuitazione (linea chiusa) del campo elettrico E esisterà quando il campo magnetico varia nel tempo La divergenza del campo magnetico = 0 (linee chiuse del campo) Legge di Ampere. Una linea chiusa del campo di B esisterà in presenza di una corrente e/o di un campo elettrico variabile nel tempo (dove è la densità di carica elettrica)

9 Con le seguenti equazioni costitutive (per un mezzo elettromagneticamente lineare)
D =  E J =  E B =  H in cui ,  e  rappresentano rispettivamente la costante dielettrica, la conduttività elettrica e la permeabilità magnetica. Adottando le semplificazioni tipiche del caso di induzione terrestre, quale quella di porre  = 0 (permeabilità magnetica terrestre uguale a quella nel vuoto, 0 = 410-7 H/m), quella di trascurare la corrente di spostamento   E/t rispetto a J ed infine quella di porre  = 0, cioè imporre nulla la densità di carica elettrica all’interno della Terra, le equazioni si semplificano. Equazioni della diffusione del campo elettrico (e magnetico) all’interno della Terra solida

10 CASO MONODIMESIONALE

11 Basalto fondali marini
MATERIALE TEMPER. CONDUT. (Siemens) Alluminio 20º C 3.5107 Ferro 1107 Rame 5.8107 Acqua distillata 210-4 Petrolio 10-14 Quarzo 210-17 0.05 moli di NaCl a 4kbar 0º C 25º C 100º C 800º C 0.32 0.57 1.48 1.78 Acqua marina 2.5 4.5 Suolo bagnato Suolo asciutto Sedimanti Granito Basalto fondali marini 1.5 Olivina 500º C 1200º C 1400º C 1.710-4 7.110-2 0.6 Magnetite 1.5103 Grafite 1.25103 1.2103 1.09103 Basalto fuso 2.13 6.17

12 APPLICAZIONI PRATICHE DALLO STUDIO DI INDUZIONE EM
I modelli ricavati da studi di induzione EM come meccanismo di innesco trovano pertanto una rispettabile collocazione fra i metodi di prospezione geofisica alle seguenti profondità: ---> m        GEOFISICA AMBIENTALE - GEOFISICA APPLICATA ALLA IDROGEOLOGIA E ALLA GEOTECNICA ----> 100 m - 10 km     ESPLORAZIONE MINERARIA - GEOLOGIA CROSTALE ----> km         GEODINAMICA: TETTONICA, VULCANISMO, GENESI DI  FAGLIE ----> km     SONDAGGI GLOBALI - DINAMICA DEL MANTELLO Profondità maggiori sono IRRAGGIUNGIBILI dai fenomeni di induzione dall'esterno poiché il nucleo terrestre fluido, altamente conduttivo, scherma ogni possibile diffusione dall'esterno.

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14 Metodi passivi e attivi
Magnetotellurica, metodo passivo Ground Penetrating Radar, metodo attivo

15 LA MAGNETOMETRIA 35° 10’ 52” N; 37° 37’ 58”E SIRIA
Buried under sand, the layout of a city some 4,000 years old has been revealed before anyone lifted a trowel. To build the map of Al Rawda (above), a third-millenium site in central Syria, archaeologists used geomagnetic imaging, which measures Earth's magnetic force. Al Rawda's flat topography and lack of modern buildings made it a perfect subject for the technology. The resulting map details an early planned city surrounded by defensive walls. Combined with traditional excavation, the image tells the story of a few thousand residents who worshipped at the city's religious complexes, traded with faraway cultures, grazed livestock, cultivated grapes and beans, and almost certainly paid taxes. - Siobhan Roth

16 IL METODO MAGNETOVARIAZIONALE

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18 MODELLO PER IL CENTRO ITALIA

19 Sismomagnetismo (e vulcanomagnetismo)
Terremoto Aftershock Aftershock Aftershock Tempo CAMBIAMENTI nelle PROPRIETA’ della MATERIA VARIAZIONI nell’AMPIEZZA dei SEGNALI EM

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21 La rete sismomagnetica

22 Some historical tecnonomagnetic observations in Central Italy (1989-1999)
Daily mean values from AQU and the seismomagnetic stations. A steady increasing secular variation of about 25 nT/yr is observed. Synchronous spikes are due to solar activity (from Meloni et al., 1998, PEPI 105 and Meloni et al., 2001, Annali di Geofisica, 44 2).

23 Tecnonomagnetic observations in Central Italy (1989-1995)
Five-day means of simple differences for the total geomagnetic field between the AQU reference station and RIT, MDM, and CVT stations. Vertical lines indicate the occurrence of the most intense earthquakes (Ms=4.0–4.1) for that period. Only in Jan-Feb 1990 an anomalous variation is clearly detected.

24 Five-day mean differences AQU and CVT, MDM, RIT
Tecnonomagnetic observations in Central Italy ( ) Five-day mean differences AQU and CVT, MDM, RIT Vertical lines indicate time occurrence of the earthquakes Md 4. The sequence of September-October 1997, where 6 earthquakes with Md 5- 6 took place in the Umbria-Marche region, that is only marginal to the monitored area, is reported as a gray band.

25 VLF observations at L’Aquila (1997)
Time variability of natural signals in VLF band is monitored by means of two search coil wide band antennas in the range kHz with 4 band pass filters centered at 15, 20, 30 and 40 kHz. Radiometer sensitivity: 200 fT at 40 Hz, sampling rate: 1 Hz, averaged at 20 s (12 bit resolution).