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Il Campo Geomagnetico

Introduzione

Il campo geomagnetico è un fenomeno fisico naturale presente sul pianeta Terra. Esso è assimilabile al campo magnetico generato da un dipolo magnetico con poli magnetici non coincidenti con quelli geografici e non statici, e con asse inclinato di 11,30° rispetto all’asse di rotazione terrestre. Le ipotesi sulle origini di questo campo sono numerose, ma oggi le teorie sono orientate verso un modello analogo a quello di una dinamo ad autoeccitazione.

L’induzione magnetica media all’equatore terrestre è ~ 31.000 nT. Sopra la superficie terrestre, il campo varia da circa 20.000 a 65.000 nT a seconda della posizione. Se consideriamo solo la componente verticale del campo, l’equatore magnetico si trova dove è la componente verticale è nulla.

L’immagine sotto raffigura l’andamento del campo magnetico terrestre, in direzione ed intensità, in relazione ai poli geografici.

Le Componenti del campo Geomagnetico

Il campo magnetico terrestre è un campo vettoriale rappresentato da un vettore, funzione del punto di osservazione e del tempo, generalmente indicato con F. Introducendo una terna cartesiana con origine nel luogo di osservazione e assi orientati come in figura, si definiscono i seguenti elementi magnetici :

  • X : componente del vettore nel piano orizzontale, diretta verso il Nord geografico
  • Y : componente del vettore nel piano orizzontale, diretta verso l’Est geografico
  • Z : componente verticale, positiva se è diretta verso l’interno della Terra
  • H : componente orizzontale totale
  • F : intensità totale del campo
  • D : declinazione magnetica
  • I : inclinazione magnetica

Dato che i poli magnetici NON coincidono con i poli geografici (sebbene la differenza sia piccola) la direzione del campo non coincide con la direzione N – S e la componente lungo la direzione E – W è NON nulla.

Nel nostro punto di misurazione il campo geomagnetico calcolato secondo i modelli maggiormente accreditati è dato dai seguenti valori :

Misura con Magnetometro Fluxgate

Il magnetometro Fluxgate descritto nel precedente post Magnetometro Fluxgate, è uno strumento adatto alla misura del campo magnetico terrestre. Dopo aver fatto la calibrazione del sensore abbiamo provato a fare la misurazione delle componenti X, Y e Z del campo geomagnetico, come spiegato nel paragrafo precedente, posizionando il sensore secondo le direzioni orizzontali Nord ed Est e verticalmente, alternativamente nei due versi e facendo la media dei valori ottenuti. I risultati sono mostrati nella tabella seguente :

Naturalmente non si tratta di una misura di precisione perchè il sensore è molto sensibile e non è facile posizionarlo con la dovuta precisione secondo le direzioni geografiche, i risultati sono comunque abbastanza vicini ai valori previsti dal modello teorico.

Monitoraggio del Campo Geomagnetico

Il campo geomagnetico è soggetto a numerose variazioni, alcune delle quali sono regolari e cicliche, altre invece sono aperiodiche e dipendono in massima parte dalla interazione tra la magnetosfera ed il vento solare prodotto dalla attività solare. Queste ultime sono note come tempeste solari e sono anche la cause del fenomeno della aurora boreale.

Il sensore fluxgate, con la sua sensibilità ed il suo range di misura, può essere convenientemente utilizzato per monitorare il campo geomagnetico.
Per misure su tempi lunghi è però necessario posizionare il sensore in punti non soggetti a variazioni artificiali del campo magnetico, distante da elettrodotti e da oggetti ferromagnetici in movimento, come ad esempio automobili; inoltre il sensore andrebbe mantenuto a temperatura costante. Non è facile trovare una posizione che soddisfi a tutti questi requisiti. Noi abbiamo posizionato il sensore in una cantina a circa 20 metri dalle macchine in movimento, in un contenitore isolato termicamente. Inoltre abbiamo inserito un sensore di temperatura, il DS18B20, anch’esso interfacciato con il PSoC, in modo da registrare eventuali variazioni di temperatura del sensore.

Le immagini sotto mostrano il sensore FGM sul quale è stato collocato il sensore di temperatura DS18B20. Questo sensore di temperatura viene interfacciato al PSoC con protocollo 1-wire, lo sketch sotto mostra lo schema di collegamento.

Le immagini sotto mostrano il setup utilizzato per il posizionamento del sensore FGM. Il sensore viene collocato tra alcuni strati di styrofoam che agisce sia come protezione che come isolante termico, il regolatore da 5V è posto a fianco del sensore, il tutto viene inserito all’interno di una scatola da derivazione. Alla scatola di derivazione viene portata l’alimentazione da 12V e viene raccolto il segnale dal sensore FGM e dal sensore di temperatura DS18B20.

La scatola con il sensore viene poi collegata con la “centralina” di acquisizione dei dati, costituita dalla scheda PSoC di interfaccia con i sensori e dal Raspberry PI utilizzato come “datalogger”. L’immagine sotto mostra la scheda PSoC ed il Raspberry. Per l’utilizzo del Raspberry come datalogger si può fare riferimento al post : Raspberry Pi Logger (ITA)

La centralina di acquisizione è stata collocata all’interno di un contenitore di legno, come mostrato nella immagine sotto, nella quale si vedono l’alimentatore a 5V per il Raspberry e quello a 12V per la scheda PSoC + sensori.

Risultati

Per il monitoraggio del campo geomagnetico è conveniente utilizzare la parte più lineare della risposta del sensore FGM, quella compresa nel range -20000 nt ÷ +20000 nT. Le componenti X (orizzontale Nord) e Z (verticale) hanno una ampiezza maggiore di 20000 nt, mentre la componente lungo la direzione Est – Ovest ha ampiezza dell’ordine di 2000 nT, quindi è quella più adatta ad essere monitorata dal sensore FGM : per questo motivo il magnetometro è stato collocato parallelo alla direzione Est – Ovest.
Per i dati acquisiti dal Raspberry e per la successiva elaborazione e visualizzazione su grafico abbiamo utilizzato il software python sviluppato per il progetto Aurora Monitor.

I due grafici riportati sotto mostrano l’andamento del campo geomagnetico (nella componente orizzontale allineata lungo la direzione Est – Ovest) misurato in due giornate, durante l’arco delle 24 ore. La frequenza del campionamento è di un campione al secondo (1 Hz), ai dati non è stato applicato nessun tipo di filtro, se non la traslazione rispetto al valor medio in modo da facilitare la visualizzazione. Le giornate della misurazione erano caratterizzate da attività solare in quiescenza.

I due grafici sono caratterizzati da un minimo attorno alle ore 6 UTC e da un massimo attorno alle 13 UTC, questo andamento si ripete ciclicamente con periodo di 24 ore. Questo andamento ciclico con uno scarto di circa 40 – 80 nT è tipico e fa parte delle cosiddette variazioni a breve termine.
Le variazioni a lungo termine, che si manifestano su una scala temporale maggiore di 5 anni (variazioni secolari), sono causate dalle dinamiche interne alla Terra, mentre le variazioni a breve termine, molto più intense, hanno origine esterna e si manifestano su una scala temporale di secondi o minuti, principalmente prodotte da correnti elettriche dovute a particelle cariche in moto nella magnetosfera e nella ionosfera. Queste variazioni comprendono anche quelle periodiche (chiamate variazioni regolari) dovute alla rotazione e ai movimenti orbitali della Terra, della Luna e del Sole.
Il fenomeno inizia con la radiazione elettromagnetica emessa dal Sole. Oltre a illuminare e riscaldare un lato della terra, questa radiazione riscalda anche la ionosfera causando la convezione. La convezione muove le particelle cariche attraverso il campo magnetico terrestre creando un’azione dinamo che guida le correnti elettriche ionosferiche sopra l’equatore e fino a medie latitudini. Queste correnti producono un campo magnetico che, visto dallo spazio, appare fisso sul lato del giorno della terra. La rotazione della terra porta un sito sulla superficie dentro e fuori da questo campo magnetico creando una variazione di 12 ore e quindi un ciclo di 24 ore.

Il grafico riportato sotto riproduce fedelmente questo andamento ciclico.

Come controllo viene acquisito anche l’andamento della temperatura del sensore, al fine di verificare che eventuali variazioni del campo magnetico non siano dovute a variazioni di temperatura. Il grafico sotto mostra l’andamento tipico della temperatura durante una giornata di misura : si può vedere come la temperatura rimanga praticamente costante.

Elaborazione dei Dati

I dati vengono memorizzati in formato MiniSEED (mseed), viene prodotto un file per ogni giornata di misura. Il formato MiniSEED è un sottoinsieme del più articolato formato SEED (Standard for the Exchange of Earthquake Data), che nasce con lo scopo di standardizzare lo scambio di dati, relativi al campo sismologico, tra le varie comunità scientifiche. Naturalmente i nostri dati non sono relativi ad eventi sismici però presentano le medesime esigenze in termini di processamento.
Per l’elaborazione dei dati utilizziamo in particolare la libreria Python ObsPy : ObsPy è un progetto open source dedicato a fornire un framework Python per l’elaborazione di dati sismologici. Fornisce parser per formati di file comuni, client per accedere ai data center e routine di elaborazione dei segnali sismologici che consentono la manipolazione delle serie temporali sismologiche.
Il grafico sotto visualizza l’andamento del campo registrato per 5 giorni, nel quale si vede l’andamento ciclico con periodo di 24 ore.

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