Historia del geomagnetismo - History of geomagnetism

Una reconstrucción de una brújula china temprana. Una cuchara hecha de piedra imán , con el mango apuntando hacia el sur, estaba montada sobre una placa de latón con símbolos astrológicos.

La historia del geomagnetismo está relacionada con la historia del estudio del campo magnético de la Tierra . Abarca la historia de la navegación con brújulas , estudios del campo magnético prehistórico (arqueomagnetismo y paleomagnetismo ) y aplicaciones a la tectónica de placas .

El magnetismo se conoce desde la prehistoria, pero el conocimiento del campo de la Tierra se desarrolló lentamente. La dirección horizontal del campo de la Tierra se midió por primera vez en el siglo IV a. C., pero la dirección vertical no se midió hasta 1544 d. C. y la intensidad se midió por primera vez en 1791. Al principio, se pensó que las brújulas apuntaban hacia ubicaciones en los cielos, luego hacia montañas magnéticas. Un enfoque experimental moderno para comprender el campo de la Tierra comenzó con de Magnete , un libro publicado por William Gilbert en 1600. Sus experimentos con un modelo magnético de la Tierra lo convencieron de que la Tierra misma es un gran imán.

Primeras ideas sobre el magnetismo

El conocimiento de la existencia del magnetismo probablemente se remonta al desarrollo prehistórico de la fundición de hierro . El hierro se puede obtener en la superficie de la Tierra a partir de meteoritos ; la piedra imán mineral es rica en magnetita mineral magnética y puede ser magnetizada por un rayo. En su Historia natural , Plinio el Viejo relata una leyenda sobre Magnes, el pastor de la isla de Creta, cuyas botas con tachuelas de hierro se mantenían pegadas al camino. Las primeras ideas sobre la naturaleza del magnetismo se atribuyen a Tales ( c.  624 a . C. - c.  546 a. C.).

En la antigüedad clásica , se sabía poco sobre la naturaleza del magnetismo. Ninguna fuente menciona los dos polos de un imán o su tendencia a apuntar hacia el norte. Había dos teorías principales sobre los orígenes del magnetismo. Una, propuesta por Empédocles de Acragas y retomada por Platón y Plutarco , invocaba un efluvio invisible que se filtraba por los poros de los materiales; Demócrito de Abdera reemplazó este efluvio por átomos, pero el mecanismo fue esencialmente el mismo. La otra teoría evocaba el principio metafísico de simpatía entre objetos similares. Esto fue mediado por una fuerza vital decidida que se esforzó por alcanzar la perfección. Esta teoría se puede encontrar en los escritos de Plinio el Viejo y Aristóteles , quienes afirmaron que Tales atribuyó un alma al imán. En China, se creía que una fuerza vital similar, o qi , animaba los imanes, por lo que los chinos usaron las primeras brújulas para el feng shui .

Poco cambió en la visión del magnetismo durante la Edad Media , y algunas ideas clásicas perduraron hasta mucho después de los primeros experimentos científicos sobre el magnetismo. Una creencia, que se remonta a Plinio, era que los vapores de comer ajo y cebolla podían destruir el magnetismo en una brújula, volviéndolo inútil. Incluso después de que William Gilbert refutó esto en 1600, hubo informes de timonel en barcos británicos que fueron azotados por comer ajo. Sin embargo, esta creencia estaba lejos de ser universal. En 1558 Giambattista della Porta informó: "Cuando pregunté a los marineros si era por eso que les estaba prohibido comer onyones y garlick por esa razón, dijeron que eran viejas fábulas y cosas ridículas, y que los marineros antes perderían la vida. luego absténgase de comer onyons y garlick. "

Medida del campo

Ilustración de los sistemas de coordenadas utilizados para representar el campo magnético de la Tierra. Las coordenadas X, Y, Z corresponden al norte, este y abajo; D es la declinación e I es la inclinación.

En una ubicación determinada, una representación completa del campo magnético de la Tierra requiere un vector con tres coordenadas (ver figura). Estos pueden ser cartesianos (norte, este y abajo) o esféricos ( declinación , inclinación e intensidad). En el último sistema, la declinación (la desviación del norte verdadero , un ángulo horizontal) debe medirse primero para establecer la dirección del norte magnético; entonces el buzamiento (un ángulo vertical) se puede medir en relación con el norte magnético. En China, la dirección horizontal se midió ya en el siglo IV a. C., y la existencia de la declinación se reconoció por primera vez en 1088. En Europa, esto no fue ampliamente aceptado hasta mediados del siglo XV d. C. La inclinación (también conocida como inmersión magnética ) se midió por primera vez en 1544 d.C. La intensidad no se midió hasta 1791, después de los avances en la comprensión del electromagnetismo .

Declinación

Una brújula azimutal tiene visores de altura desigual, lo que permite ver objetos por encima del horizonte.

La brújula magnética existió en China desde el siglo IV a. C. Se usó tanto para el feng shui como para la navegación en tierra. No fue hasta que se pudieron forjar buenas agujas de acero que se utilizaron las brújulas para la navegación en el mar; antes de eso, no pudieron retener su magnetismo por mucho tiempo. La existencia de declinación magnética, la diferencia entre el norte magnético y el norte verdadero, fue reconocida por primera vez por Shen Kuo en 1088.

La primera mención de una brújula en Europa fue en 1190 d.C. por Alexander Neckam . Lo describió como una ayuda de navegación común para los marineros, por lo que la brújula debe haberse introducido en Europa algún tiempo antes. No está claro si el conocimiento vino de China a Europa o se inventó por separado. Si el conocimiento se transmitió, el intermediario más probable fueron los comerciantes árabes, pero la literatura árabe no menciona la brújula hasta después de Neckam. También hay una diferencia en la convención: las brújulas chinas apuntan al sur mientras que las europeas apuntan al norte.

En 1269, Pierre de Maricourt (comúnmente conocido como Petrus Peregrinus ) escribió una carta a un amigo en la que describía dos tipos de brújula, una en la que una piedra imán ovalada flotaba en un cuenco de agua y la primera brújula seca con aguja. montado sobre un pivote. También fue el primero en escribir sobre experimentos con magnetismo y describir las leyes de la atracción. Un ejemplo es el experimento en el que un imán se rompe en dos piezas y las dos piezas pueden atraerse y repelerse (en términos modernos, ambas tienen polos norte y sur). Esta carta, generalmente conocida como Epistola de Magnete , fue un hito en la historia de la ciencia.

Petrus Peregrinus asumió que las brújulas apuntan hacia el norte verdadero. Si bien su contemporáneo Roger Bacon tiene fama de observar que las brújulas se desviaron del norte verdadero, la idea de la declinación magnética solo se aceptó gradualmente. Al principio se pensó que la declinación debía ser el resultado de un error sistemático. Sin embargo, a mediados del siglo XV, los relojes de sol en Alemania se orientaron mediante correcciones de declinación.

Inclinación

Una brújula debe estar equilibrada para contrarrestar la tendencia de la aguja a inclinarse en la dirección del campo terrestre. De lo contrario, no girará libremente. A menudo, las brújulas que están equilibradas para una latitud no funcionan tan bien en una latitud diferente. Este problema fue informado por primera vez por Georg Hartmann , un vicario en Nuremberg, en 1544. Robert Norman fue el primero en reconocer que esto ocurre porque el campo de la Tierra en sí está inclinado de la vertical. En su libro El atractivo nuevo , Norman calificó la inclinación como "una propiedad secreta y sutil descubierta por primera vez sobre el declive de la aguja". Creó una brújula en la que la aguja flotaba en una copa de agua, unida a un corcho para que flotara de manera neutra. La aguja podía orientarse en cualquier dirección, por lo que se sumergió para alinearse con el campo de la Tierra. Norman también creó un círculo de inmersión , una aguja de brújula que giraba alrededor de un eje horizontal, para medir el efecto.

Primeras ideas sobre la fuente

Detalle de un mapa de Mercator que muestra la "roca negra muy alta" en el Polo Norte

En los primeros intentos por comprender el campo magnético de la Tierra, medirlo era solo una parte del desafío. La comprensión de las mediciones también fue difícil porque los conceptos matemáticos y físicos aún no se habían desarrollado, en particular, el concepto de un campo vectorial que asocia un vector con cada punto en el espacio. El campo de la Tierra generalmente está representado por líneas de campo que van de polo a polo; el campo en cualquier punto es paralelo a una línea de campo pero no tiene que apuntar a ninguno de los polos. Sin embargo, hasta el siglo XVIII, un filósofo natural creería que un imán tenía que apuntar directamente a algo. Por lo tanto, el campo magnético de la Tierra tuvo que ser explicado por fuentes localizadas y, a medida que se aprendió más sobre el campo de la Tierra, estas fuentes se volvieron cada vez más complejas.

Al principio, tanto en China como en Europa, se asumió que la fuente estaba en los cielos, ya sea en los polos celestes o en la estrella polar . Estas teorías requerían que los imanes apuntasen (o muy cerca) al norte verdadero , por lo que tuvieron dificultades cuando se aceptó la existencia de declinación . Luego, los filósofos de la naturaleza comenzaron a proponer fuentes terrestres como una roca o una montaña.

Las leyendas sobre las montañas magnéticas se remontan a la época clásica. Ptolomeo contó una leyenda sobre islas magnéticas (que ahora se cree que están cerca de Borneo ) que ejercen una atracción tan fuerte en los barcos con clavos que los barcos se mantienen en su lugar y no pueden moverse. Aún más dramática fue la leyenda árabe (relatada en Las mil y una noches ) de que una montaña magnética podría arrancar todos los clavos de un barco, haciendo que el barco se desmorone y se incline. La historia pasó a Europa y se convirtió en parte de varios cuentos épicos.

Los europeos comenzaron a colocar montañas magnéticas en sus mapas en el siglo XVI. Un ejemplo notable es Gerardus Mercator , cuyos famosos mapas incluían una montaña magnética o dos cerca del Polo Norte. Al principio, simplemente colocó una montaña en un lugar arbitrario; pero más tarde intentó medir su ubicación basándose en declinaciones de diferentes lugares de Europa. Cuando las mediciones posteriores dieron como resultado dos estimaciones contradictorias para la montaña, simplemente colocó dos montañas en el mapa.

Inicios de la ciencia moderna

Una ilustración de las direcciones de la brújula en varias latitudes de la Tierra desde de Magnete . El norte está a la derecha.

William Gilbert

Magnus magnes ipse est globus terrestris. (La Tierra misma es un gran imán).

-  William Gilbert, De Magnete

1600 fue un año notable para William Gilbert . Se convirtió en presidente del Royal College of Physicians de Londres , fue nombrado médico personal de la reina Isabel I y escribió De Magnete , uno de los libros que marcan el comienzo de la ciencia moderna. De Magnete es más famoso por introducir (o al menos popularizar) un enfoque experimental de la ciencia y deducir que la Tierra es un gran imán.

El libro de Gilbert está dividido en seis capítulos. La primera es una introducción en la que analiza la importancia del experimento y varios hechos sobre la Tierra, incluida la insignificancia de la topografía de la superficie en comparación con el radio de la Tierra . También anuncia su deducción de que la Tierra es un gran imán. En el libro 2, Gilbert trata sobre el "coito" o las leyes de la atracción. Gilbert distingue entre magnetismo y electricidad estática (la última inducida por el roce de ámbar ) e informa de muchos experimentos con ambos (algunos se remontan a Peregrinus). Una implica romper un imán en dos y mostrar que ambas partes tienen un polo norte y sur. También rechaza la idea del movimiento perpetuo . El tercer libro tiene una descripción general de las direcciones magnéticas junto con detalles sobre cómo magnetizar una aguja. También presenta su terella , o "pequeña Tierra". Esta es una esfera magnetizada que usa para modelar las propiedades magnéticas de la Tierra. En los capítulos 4 y 5 entra en más detalle sobre los dos componentes de la dirección, la declinación y la inclinación.

Niccolò Cabeo , Philosophia magnetica , 1629

A finales de la década de 1590, Henry Briggs , profesor de geometría en el Gresham College de Londres, había publicado una tabla de inclinación magnética con latitud de la tierra. Coincidía bien con las inclinaciones que Gilbert midió alrededor de la circunferencia de su terrella . Gilbert dedujo que el campo magnético de la Tierra es equivalente al de una esfera magnetizada uniformemente, magnetizada paralela al eje de rotación (en términos modernos, un dipolo axial geocéntrico ). Sin embargo, era consciente de que las declinaciones no eran coherentes con este modelo. A partir de las declinaciones que se conocían en ese momento, propuso que los continentes, por su topografía elevada , formaban centros de atracción que desviaban las agujas de las brújulas. Incluso demostró este efecto sacando algo de topografía en su terella y midiendo el efecto en las declinaciones. Un monje jesuita , Niccolò Cabeo , tomó más tarde una hoja del libro de Gilbert y mostró que, si la topografía estaba en la escala correcta para la Tierra, las diferencias entre los altos y bajos serían solo de una décima de milímetro. Por lo tanto, los continentes no pudieron afectar notablemente la declinación.

El sexto libro de De Magnete se dedicó a la cosmología . Descartó el modelo ptolemaico predominante del universo, en el que los planetas y las estrellas están organizados en una serie de capas concéntricas que giran alrededor de la Tierra, con el argumento de que las velocidades involucradas serían absurdamente grandes ("no puede haber un movimiento diurno del infinito"). ). En cambio, la Tierra estaba girando sobre su propio eje. En lugar de las capas concéntricas, propuso que los cuerpos celestes interactuaran entre sí y con la Tierra a través de fuerzas magnéticas. El magnetismo mantuvo la posición de la Tierra y la hizo girar, mientras que la atracción magnética de la Luna impulsaba las mareas . Algún razonamiento oscuro llevó a la conclusión peculiar de que una terella, si se suspendía libremente, se orientaría en la misma dirección que la Tierra y rotaría diariamente. Tanto Kepler como Galileo adoptarían la idea de Gilbert de la atracción magnética entre cuerpos celestes, pero la ley de Newton de la gravitación universal la volvería obsoleta.

Guillaume le Nautonier

Primer gráfico del ecuador geomagnético de Guillaume le Nautonier, publicado en La mecographie de l'Eymant

Aproximadamente en 1603, el francés Guillaume le Nautonier (William the Navigator), Sieur de Castelfranc , publicó una teoría rival del campo terrestre en su libro Mecometrie de l'eymant (Medición de longitud con un imán) . Le Nautonier fue un matemático, astrónomo y geógrafo real en la corte de Enrique IV . No estaba de acuerdo con la suposición de Gilbert de que la Tierra tenía que magnetizarse paralelamente al eje de rotación, y en su lugar produjo un modelo en el que el momento magnético estaba inclinado 22,5 °, en efecto, el primer modelo de dipolo inclinado. Las últimas 196 páginas de su libro se ocuparon de tablas de latitudes y longitudes con declinación e inclinación para uso de los navegantes. Si su modelo hubiera sido preciso, podría haberse usado para determinar tanto la latitud como la longitud usando una combinación de declinación magnética y observaciones astronómicas.

Le Nautonier intentó vender su modelo a Enrique IV y su hijo al líder inglés Oliver Cromwell , ambos sin éxito. Fue ampliamente criticado, y Didier Dounot concluyó que el trabajo se basaba en "suposiciones infundadas, errores de cálculo y manipulación de datos". Sin embargo, el geofísico Jean-Paul Poirier examinó las obras tanto de le Nautonier como de Dounot y descubrió que el error estaba en el razonamiento de Dounot.

Variación temporal

Retrato de Edmond Halley sosteniendo una imagen de su teoría de esferas concéntricas.

Una de las conclusiones de Gilbert fue que el campo de la Tierra no podía variar en el tiempo. Pronto se demostró que esto era falso mediante una serie de mediciones en Londres. En 1580, William Borough midió la declinación y encontró que era 11 1 ⁄ 4 ° NE. En 1622, Edmund Gunter descubrió que estaba a 5 ° 56 'NE. Observó la diferencia con el resultado de Borough, pero concluyó que Borough debe haber cometido un error de medición. En 1633, Henry Gellibrand midió la declinación en el mismo lugar y encontró que era 4 ° 05 'NE. Debido al cuidado con el que Gunther había tomado sus medidas, Gellibrand confiaba en que los cambios fueran reales. En 1635 publicó A Discourse Mathematical on the Variation of the Magneticall Needle declarando que la declinación había cambiado en más de 7 ° en 54 años. La realidad de la variación secular geomagnética fue rápidamente aceptada en Inglaterra, donde Gellibrand tenía una gran reputación, pero en otros países fue recibida con escepticismo hasta que fue confirmada por nuevas mediciones.

Las observaciones de Gellibrand inspiraron grandes esfuerzos para determinar la naturaleza de la variación: global o local, predecible o errática. También inspiró nuevos modelos para el origen del campo. Henry Bond Senior ganó notoriedad al predecir con éxito en 1639 que la declinación sería cero en Londres en 1657. Su modelo, que incluía un dipolo en precesión, fue fuertemente criticado por una comisión real, pero continuó publicándose en manuales de instrucciones de navegación durante décadas. . Peter Perkins (1680) y Edmond Halley (1683, 1692), entre otros, también propusieron modelos dinámicos que involucran polos múltiples . En el modelo de Halley, la Tierra constaba de esferas concéntricas. Dos polos magnéticos estaban en una esfera exterior fija y dos más estaban en una esfera interior que giraba hacia el oeste, dando lugar a una "deriva hacia el oeste". Halley estaba tan orgulloso de esta teoría que un retrato de él a la edad de ochenta años incluía un diagrama de la misma.

Navegación magnética

Detalle de un mapa del mundo publicado por Guillaume Brouscon en 1543, que muestra las líneas de rumbo para la navegación

Los primeros navegantes utilizaron cartas portolanas para la navegación. Estos gráficos mostraban la línea costera con líneas de rumbo que conectaban los puertos. Un marinero podría navegar alineando la carta con una brújula y siguiendo el rumbo de la brújula. Las primeras cartas habían distorsionado las costas porque los cartógrafos no sabían acerca de la declinación, pero las cartas aún funcionaban porque los marineros navegaban en línea recta.

Mientras que los barcos surcaban principalmente mares del tamaño del Mediterráneo, las líneas de rumbo eran suficientes para la navegación. Sin embargo, cuando se aventuraron en los océanos Atlántico y Pacífico, ya no era suficiente trazar un rumbo en línea recta de un destino a otro. Los navegantes necesitaban determinar su latitud y longitud.

En la Era de la Vela , que data del siglo XVI a mediados del XIX, el comercio internacional estaba dominado por los barcos de vela. Más de un gobierno europeo ofreció un generoso premio a la primera persona que pudiera determinar con precisión la longitud. El premio británico, el premio de longitud , condujo al desarrollo del cronómetro marino por John Harrison , un relojero de Yorkshire .

Ver también

• Historia de la geofísica
• Cronología de la teoría electromagnética
• Red de líneas de rumbo

notas y referencias

Otras lecturas