Clases de navegación: magnetismo terrestre

Ojo, este post está dedicado a la navegación aérea y no marítima. Debido a la manera en la que está construida la brújula en los aviones esta explicación puede diferir de la de los barcos.

Introducción

Durante miles de años, se ha observado que el óxido de hierro llamado magnetita atrae pequeños trozos de hierro. Esta propiedad se conoce como "magnetismo". Otra propiedad que era conocía en la magnetita era su capacidad de buscar el Norte: si se montaba en una madera y se la dejaba flotar en agua, se balancearía y se alinearía en una dirección aproximadamente Norte-Sur, por lo que actuaría como una brújula primitiva. En la historia más reciente se encontró que algunos elementos metálicos y aleaciones (principalmente "ferrosos" - hierro y acero) podrían tener estas propiedades, las barras de dicho material magnetizado hoy en día se conocen como "imanes". El nombre anglosajón para estos metales con magnetismo permanente es "hard iron", en contraposición con "soft iron" para aquellos materiales que adquieren magnetismo en contacto o en las proximidades de un imán, pero que rápidamente lo pierden cuando desaparece la fuente magnética. 

Campo magnético

El campo de un imán es el espacio a su alrededor en el que se siente su influencia magnética. Esto puede ilustrarse colocando un papel sobre una barra imantada y esparciendo limaduras de hierro sobre él. Cuando se sacude o golpea las limaduras tomarán el patrón del campo como se muestra a continuación.

Polos de un imán

De la ilustración superior se puede ver que las 'líneas de fuerza' trazadas por las limaduras de hierro convergen hacia áreas pequeñas cerca (pero no exactamente en) los extremos del imán. Estas dos áreas se llaman los "polos" del imán y son las áreas donde se muestran con mayor fuerza las propiedades del magnetismo. Los imanes se producen en varias formas, pero cada imán siempre tiene dos polos. Por convención, estos polos se describen como ROJO y AZUL. Si un imán se corta en dos piezas, cada pieza tendrá dos polos, ROJO en un extremo y AZUL en el otro. 

Si dos de esos imanes se colocan muy juntos, se encuentra que: los polos iguales se repelen entre sí, por ejemplo. ROJO repele ROJO.

Si los polos son diferentes se atraen entre sí, por ejemplo, el polo ROJO atrae al azul con una fuerza que es proporcional a la cantidad de magnetismo (m) de ambos polos dividido por el cuadrado de la distancia. Esto es lo que se conoce como una de las leyes del cuadrado inverso tan frecuentes en la naturaleza.  

Precisamente por el cuadrado de la distancia, cuando dos barras de imanes se acercan y luego se separan de nuevo, es más notable que las fuerzas de atracción o repulsión se fortalecen rápidamente a corto alcance. En otras palabras, la fuerza ejercida entre dos polos magnéticos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

La fuerza de repulsión entre dos polos similares también depende de la fuerza de estos polos. Por ejemplo, si la fuerza de uno de los polos se duplica, entonces la fuerza de repulsión se duplica.

Momento magnético de un imán

El término momento magnético se usa para expresar la fuerza de un imán al indicar con qué fuerza un imán intenta alinearse con un campo magnético.

El sistema de imán en una brújula de aviación debe ser muy sensible para que responda al débil campo de la tierra. Este requisito se cumple mediante el uso de un imán o múltiples imanes "fuertes", es decir, imanes con momentos magnéticos (m) elevados. Esto es preferible a aumentar la longitud efectiva del imán que, aunque aumenta el momento magnético, también aumentaría el momento de inercia (a medida que aumenta la masa), haciendo que el sistema sea mecánicamente lento en reaccionar.

El material ferromagnético se puede dividir en dos clases, hierro duro (hard iron) y hierro dulce (soft iron). Las palabras hard y soft no se refieren a las propiedades físicas del material sino a sus características magnéticas. Se requiere un campo de magnetización fuerte para producir saturación magnética en el hierro duro. Se dice que el magnetismo de hierro duro es "permanente", lo que significa que el material, típicamente acero que contiene cobalto o cromo, permanece magnetizado durante un período indefinido después de haber sido retirado del campo de magnetización. Tal sustancia es adecuada para imanes permanentes.

El magnetismo de hierro dulce se denomina "temporal" (o "transitorio" o "inducido"), ya que la sustancia es fácil de saturar magnéticamente con solo un campo de magnetización débil, pero conserva poco o ningún magnetismo cuando se elimina el campo. El hierro casi puro se comporta de esta manera.

Algunos materiales exhiben características magnéticas que se encuentran en algún término medio entre los de hierro duro y hierro dulce. La sustancia se puede magnetizar, pero este magnetismo "sub-permanente" se pierde parcial o totalmente en un período de tiempo determinado.

En resumen, el hierro duro requiere una mayor energía para magnetizarse, pero una vez efectuado se forma un imán permanente. El hierro dulce es fácil de magnetizar, pero pierde rápidamente sus propiedades magnéticas. Estos hechos son importantes ya que nos ayudarán a comprender cómo el magnetismo combinado de los componentes de la aeronave forma un campo magnético que interfiere con el campo magnético de la tierra en la posición de la brújula. Esto hace que la aguja de la brújula se desplace del meridiano magnético con un ángulo denominado Desviación.

Magnetización

El magnetismo puede inducirse en una barra de hierro no magnetizada por uno de los siguientes métodos:

(a) rozando una barra de hierro repetidamente en la misma dirección con un extremo de un imán. Es un proceso lento que dará como resultado la magnetización de la barra de hierro.

(b) Alineando la barra de hierro con las líneas de fuerza de un campo magnético y sometiéndolo a fuertes vibraciones o martilleo. Tal agitación molecular durante la fabricación de una aeronave (en el campo magnético de la tierra) es la causa principal del magnetismo del avión. Cuando un avión esta siendo ensamblado en la factoría en dirección norte en el campo de la tierra adquirirá una polarización magnética permanente.

(c) En el caso del hierro dulce simplemente sometiéndolo a un campo magnético, se induce la polarización magnética.

(d) Colocando el elemento ferroso dentro de un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre) que transporta una Corriente Directa. Este es el método más satisfactorio ya que la corriente que fluye en la bobina produce un campo magnético concentrado a lo largo del eje de la bobina, de modo que se puede inducir un alto grado de magnetismo en el hierro. (hay que tener en cuenta que la cantidad de magnetización que se puede inducir no es ilimitada porque, en un cierto nivel, el hierro se magnetiza hasta un límite, diciéndose entonces que se encuentra "saturado").

El diagrama muestra la polaridad del magnetismo inducido en la barra dentro del solenoide. (Si el flujo de corriente se invirtiera, la polaridad magnética inducida se revertiría).

Desmagnetización

A continuación se enumeran tres formas de eliminar la mayor parte o la totalidad del magnetismo de un elemento magnetizado:

(a) Por medio de golpes. Una barra magnetizada de hierro se puede colocar en ángulo recto con el campo magnético de la tierra y se puede martillar.

(b) Calor. Si el elemento magnetizado se calienta a aproximadamente 900 ° C, pierde su magnetismo y este no vuelve a medida que la muestra se enfría.

(c) Por medio de un solenoide de corriente alterna (AC). Los dos métodos anteriores son algo drásticos y obviamente no se podrían usar para desmagnetizar un componente delicado de la aeronave, como una radio. En cambio, si este componente se coloca dentro de un solenoide que transporta corriente alterna, cuya amplitud se reduce gradualmente a cero, entonces eliminamos el magnetismo del elemento sin dañarlo. El fuerte campo magnético alterno producido por la corriente alterna mantiene la inversión de la dirección de la magnetización (es decir, la polaridad del magnetismo) en el elemento. No solo se invierte la polaridad, sino que la intensidad de la magnetización se reduce a medida que se reduce la corriente. Muy rápidamente, el magnetismo del elemento en cuestión se reduce a cero o casi a cero.

Materiales magnéticos y no magnéticos

Los materiales magnéticos importantes son los metales "ferrosos", el hierro y el acero, siendo el acero aleado con sustancias como el carbono, el cobalto, el níquel, el cromo y el tungsteno los mejores. Estos metales se llaman "ferromagnéticos" y en un avión pueden estar magnetizados y producir desviación en las brújulas del avión. Muchos materiales utilizados en la construcción de aviones no son magnéticos y no afectan a la lectura de la brújula. Ejemplos de sustancias no ferrosas son, por ejemplo, el aluminio, el duraluminio, el latón, el cobre, el plástico y la pintura.

El campo magnético de la tierra

La Tierra se comporta como si de un gran imán permanente se tratara. Es como si un gigantesco imán estuviera situado cerca del centro de la Tierra, produciendo un campo magnético sobre la superficie. De las muchas teorías presentadas para explicar este magnetismo, ninguna ha tenido aceptación universal. Los polos de este imán terráqueo hipotético no se encuentran en el eje de rotación de la tierra (esta desafortunada falta de simetría da lugar a lo que se conoce como variación magnética en inglés y declinación magnética o simplemente declinación en español).

El Polo Norte magnético de la Tierra se encuentra actualmente a unos 1.600 km del polo Norte geográfico. Está debajo del norte de Canadá en el área alrededor de la isla de Bathurst (75°44′59″N 99°46′59″O), en la parte septentrional de Canadá, en el territorio de Nunavut. El polo Norte magnético varía continuamente a lo largo del tiempo a una velocidad variable (actualmente estimada en 40 km/año), y en otras ocasiones ha estado situado en el hemisferio sur debido a las inversiones periódicas del campo magnético terrestre (la última fue hace 780.000 años). Esta es la razón por la que de cuando en cuando se deben de repintar los números de las pistas.

El campo de la Tierra carece de simetría y también está sujeto a varios cambios periódicos conocidos. De estos, los cambios seculares son los más significativos y se producen por el movimiento lento de los polos magnéticos sobre los polos geográficos, el período de este ciclo es aparentemente de alrededor de 960 años. El polo magnético norte se mueve lentamente hacia el oeste, este movimiento afecta principalmente a la variación magnética.

Por convención, el polo magnético norte es AZUL y atrae el polo ROJO (extremo que mira hacia el norte) de la aguja de la brújula.

Variación magnética

La dirección del campo de la Tierra en cualquier punto dado puede ser indicada por un imán libremente suspendido. Tal imán se alineará aproximadamente en una dirección Norte-Sur. (Excepto en algunas regiones polares donde la dirección del polo magnético de la Tierra puede ser de hasta 180 ° de la del polo geográfico). El meridiano magnético es la dirección de la componente horizontal del campo de la Tierra en un punto de la superficie de la Tierra. El ángulo, medido en el plano horizontal, entre el meridiano magnético en un punto y el meridiano verdadero en el punto se conoce como variación magnética. La variación se designa al oeste o al este, dependiendo de si el meridiano magnético se encuentra al oeste o al este del verdadero norte. La variación puede tener cualquier valor de cero a 180°, este valor ocurre en el meridiano verdadero que une el norte geográfico con los polos magnéticos del Norte y en una ubicación similar en el hemisferio sur. La variación magnética en el ecuador está entre 0 y aproximadamente 30 grados.

Inclinación magnética o magnetic dip

Excepto cerca del "ecuador magnético" donde las líneas de fuerza son paralelas a la superficie, un extremo del imán libremente suspendido apuntará hacia abajo, buscando el polo más cercano. Al norte del ecuador magnético, el polo de búsqueda del norte del imán apuntará hacia abajo, mientras que en las cercanías del sur, el polo de búsqueda del sur del imán será el que apunte hacía abajo. El ángulo, medido en el plano vertical, entre el eje del imán y la horizontal se denomina 'ángulo de inclinación' (dip angle).

En el diagrama se puede ver la forma especial en la que está construida la brújula de un avión. el imán permanente pivota sobre un punto alto. El centro de gravedad del sistema es bajo y esto hace que ambos puntos no coincidan cunado existe inclinación magnética (dip), tal como se puede ver en la vista desde arriba. Precisamente por este motivo, cuando efectuemos un giro con el avión el imán puede oscilar dando lugar a errores de lectura al comienzo, hasta que se estabiliza.

El "Ecuador magnético" está representado en los mapas especializados por una línea que une puntos donde la inclinación magnética es cero. El ecuador magnético está dentro de los 10 ° de latitud del ecuador geográfico.

Si el imán libremente suspendido se mueve al norte o al sur del ecuador magnético, la inclinación aumenta gradualmente, alcanzando aproximadamente 66° en el Reino Unido (latitud 50°00N) y aproximadamente 52° en Adelaida en el sur de Australia (latitud 35°00S). Sobre los polos magnéticos de la Tierra, la caída es de 90° y, en teoría, un imán libremente suspendido apuntaría a la vertical.

Campo de fuerza

La fuerza total T ejercida en un punto por el campo de la Tierra actúa en la dirección tomada por un imán suspendido libremente influenciado solo por el campo de la Tierra. (La fuerza total, el ángulo de inmersión y la variación magnética en un punto se conocen a veces como los "elementos magnéticos" para ese lugar). Es conveniente resolver esta fuerza total T en sus componentes horizontal y vertical H y Z, respectivamente. El siguiente diagrama demuestra esta resolución y debería ayudar a verificar las relaciones trigonométricas relevantes enumeradas debajo.

Fuerza directiva

El componente horizontal H del campo de la Tierra se conoce como la fuerza directiva porque es el componente que alinea la aguja de la brújula magnética con el meridiano magnético, proporcionando así una referencia direccional. Cuando se acerca uno a cualquiera de los polos magnéticos de la Tierra, este componente se aproxima a cero (mientras que el valor de Z -vertical- se aproxima al de T). Sobre el polo mismo, el imán apunta directamente hacia abajo  90° y tiene una fuerza de dirección H igual a cero, el sensor magnético (la brújula) se vuelve inútil en estos casos.

En el diagrama se puede ver la forma especial en la que está construida la brújula de un avión. La cinta con los grados está construida alrededor de un imán permanente que pivota sobre un punto alto. El centro de gravedad del sistema es bajo y esto hace que la cinta con los números la veamos inclinada en ocasiones a través de la ventanilla de lectura.

Se dice que el valor mínimo aceptable para la fuerza directiva H es de 6 microteslas (ver mapa en rosa) y esto determina la extensión de la región cerca a los polos en los que no se puede usar la brújula magnética. Esta es la razón por la que la navegación polar debe de efectuarse con sistemas inerciales o GNSS. También explica el por qué algunos VOR en las regiones nórdicas están orientados al Norte verdadero y no al Norte magnético.

En la región del ecuador magnético, la intensidad de la fuerza directiva H se aproxima al valor de T (la fuerza directiva es máxima), mientras que Z se acerca a cero al igual que el ángulo de inclinación. La fuerza directiva disminuye a medida que aumenta el ángulo de inclinación y viceversa, por lo tanto, cerca del ecuador y alrededor de 70° Norte o Sur, una brújula funciona bastante bien.

Mapas magnéticos

Los valores de los "elementos magnéticos" varían sobre la superficie de la tierra. Estos valores pueden medirse y la información obtenida puede mostrarse como líneas trazadas en 'mapas magnéticos'.

Isógonas son líneas que unen lugares que tienen la misma variación magnética. Están impresas en la mayoría de los mapas de navegación. 

Es importante recordar que no representan la dirección del meridiano magnético, un error que a veces se comete, especialmente en países como el Reino Unido, donde las líneas isógonas se encuentran más o menos con una orientación norte/sur.

Cabe señalar que las isogonales muestran el patrón general de variación magnética sobre la superficie de la Tierra, pero existen anomalías locales. Es bastante común que los materiales magnéticos cerca de la superficie hagan que la variación magnética real de un área pequeña sea varios grados diferente de la que se muestra en el diagrama isogonal. Los depósitos magnéticos en un área de aproximadamente una milla cuadrada en Alaska tienen fama de causar errores en la brújula de hasta 60º, el efecto se reduce rápidamente con el aumento de la altitud.

Las líneas agónicas son líneas que unen lugares donde la variación es cero (líneas verdes en el mapa de arriba). Una brújula ubicada en una posición representada en una curva agónica apunta exactamente al norte verdadero, ya que su declinación magnética es nula. Hay dos líneas agónicas, una corre aproximadamente al norte / sur en el continente americano. La otra curva baja por Europa, el Cercano Oriente y Aden, luego hacia el norte a través de Pakistán, Rusia, alrededor de Siberia y Japón, y nuevamente hacia el sur a través de Malasia, Singapur, Indonesia y Australia Occidental.

Las isoclinas son líneas que unen lugares que tienen la misma inclinación magnética y, en general, siguen los paralelos geográficos de latitud. La línea isoclinal de inclinación (dip) cero es el ecuador magnético y algunas veces se denomina línea aclínica (aclinic line).

Las isodinas (isodynes) son líneas que unen lugares donde la fuerza directiva (H) tiene el mismo valor.

Estos mapas están a disposición del público, se pueden consultar y descargar en la página del NOAA:
https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/image.shtml

Cambios regulares en magnetismo de la tierra

El campo de la Tierra carece de simetría y también está sujeto a varios cambios periódicos conocidos. De estos, los cambios seculares son los más significativos y se producen por el movimiento lento de los polos magnéticos sobre los polos geográficos, el período de este ciclo es aparentemente de alrededor de 960 años. El polo magnético norte se mueve lentamente hacia el oeste, este movimiento afecta principalmente a la variación magnética.

Mapa de líneas magnéticas en los últimos siglos.

En Australia, por ejemplo, este cambio significa que la Línea Agónica a través de Australia Occidental se mueve lentamente hacia el Oeste. La variación (declinación) actual en Perth es -1º 44' W, esto se seguirá cambiando en los próximos 20-30 años. La variación en Madrid ahora es la que se muestra debajo.

La tasa anual de cambio de variación se muestra en las tablas de navegación para que la variación impresa contra las isogonales se pueda actualizar fácilmente.

Otros cambios regulares ocurren diurnamente, anualmente, y durante un período de once años, este último ciclo aparentemente relacionado con el ciclo de once años de actividad de manchas solares. Estos cambios, a diferencia del tipo secular mencionado anteriormente, no son de suficiente magnitud como para afectar a la navegación normal.

Cambios impredecibles en magnetismo de la tierra

Las "tormentas" magnéticas de intensidad variable y que duran hasta tres días, ocurren a intervalos irregulares. Siempre están acompañados por resplandores del tipo aurora en la atmósfera superior de las regiones polares (aurora polar). La propagación de las ondas de radio también se ve afectada. Todos estos fenómenos parecen ser producidos por radiación o emisiones de partículas de manchas solares inusualmente grandes. El principal efecto de estas tormentas magnéticas es un cambio temporal pero significativo en la variación magnética. Es poco probable que la alteración exceda 2º en la mayoría de las regiones, incluso en las tormentas magnéticas más intensas, pero en la Antártida y el Ártico el cambio puede exceder 5º y durar hasta una hora. El valor de la fuerza directiva H también puede cambiar y en latitudes altas puede caer por debajo del mínimo requerido para una operación eficiente de la brújula.