3. PĂMÎNTUL CA MAGNET

„Acele experiențe care au fost demonstrate cu ajutorul Terrellei, privitoare la felul în care corpurile magnetice se comportă față de Terrella, sînt toate sau cel puțin cele principale și mai importante dintre ele prezentate de Globul terestru... Pămîntul însuși este un mare magnet.”

WILLIAM GILBERT

„Personaj totdeauna puțin comunicativ chiar pentru intimii săi, cîmpul magnetic terestru are o solidă reputație de a fi complicat și enigmatic. Dacă nu ar fi oferit tuturor, așa cum o face, un mijloc de orientare desigur imprecis dar atît de comod, el ar fi ignorat de marele public pentru care știința magnetismului terestru se reduce la capitolul busolei. Și totuși, ce varietate în manifestările sale, ce bogăție de înrudiri adeseori neașteptate cu atîtea fenomene aparținînd tuturor ramurilor geofizicii, precum și geologiei și astrofizicii.”

ÉMILE THELLIER

În vederea abordării problemelor care constituie obiectul capitolului de față, cititorului i se oferă, ca termeni inițiali de referință, imaginile sugerate de cele două citate de mai sus: o structură a cîmpului magnetic al Pămîntului asemănătoare cu aceea a cîmpului unei sfere magnetizate uniform, reprezentînd un model redus al Terrei — de aici numele de Terrella —, și o mare complicație și varietate în manifestările acestui cîmp, produs printr-un mecanism încă incomplet elucidat și legat de multe alte fenomene terestre și extraterestre. Pentru a evita o eventuală interpretare derutantă a titlului adoptat pentru acest capitol și a citatului din celebra carte a lui Gilbert — contemporanul lui Shakespeare —, considerată ca primul tratat de geomagnetism, și pentru a asigura în orice caz utilitatea efectivă a acestor imagini, sînt necesare cîteva precizări preliminare.

Trebuie subliniat, mai întîi, că sugestia ale cărei purtătoare sînt cuvintele lui Gilbert urmează să fie acceptată cu corectivul indicat de titlul capitolului: Globul terestru nu este, de fapt, „un mare magnet” ci doar se comportă, în privința structurii spațiale a cîmpului lui magnetic, ca și cînd ar fi așa ceva, deci numai din acest punct de vedere putem considera „Pămîntul ca magnet”. Cîmpul unui magnet, aproximativ echivalent cu acela al unei sfere uniform magnetizate — cum este Terrella —, reprezintă apoi o modelare idealizatoare a cîmpului geomagnetic, acceptabilă numai într-o primă aproximație. La o examinare mai de aproape se constată că o asemenea modelare este de fapt o suprasimplificare a realității, căci anatomia cîmpului geomagnetic prezintă abateri, care nu sînt nici puține nici neglijabile, de la imaginea astfel rezultată. Trebuie, deci, ca chiar pentru distribuția în spațiu a cîmpului geomagnetic să avem în vedere avertismentul tacit din cuvintele celui de-al doilea citat: complicație și varietate.

Adevărata complicație și varietate a cîmpului geomagnetic se manifestă, însă, din plin în evoluția în timp a lui. Tot în acest domeniu apare pregnantă și bogăția de înrudiri cu alte fenomene, nu numai terestre ci și extraterestre, în particular solare. Cîmpul magnetic al Pămîntului este variabil în timp, schimbările lui avînd o mare varietate și complicație în formele de prezentare ca și în mecanismul de producere și manifestînd paralelisme cu diverse fenomene geofizice și heliofizice. Corelarea acestor fenomene pe baza substratului lor fizic s-a dovedit deosebit de utilă pentru lămurirea multor probleme privind fiziologia cîmpului geomagnetic.

În fine, pare indicat să completăm acest preambul schematic al capitolului asupra magnetismului terestru cu încă o anticipare: partea din cîmpul geomagnetic care are o structură mai simplă și care îi determină în mod hotărîtor distribuția în spațiu este datorită unor cauze situate în interiorul Pămîntului, pe cînd cea care îi complică sensibil atît anatomia cît și fiziologia, privind în particular schimbările în timp, are cauze externe. Prezente în manifestările distribuției în spațiu ca și în acelea ale evoluției în timp, complicația și varietatea de manifestări ale cîmpului geomagnetic sînt, așadar, preponderente în a doua categorie de fenomene, reprezentate de variațiile în timp, suprapuse peste fondul general al cîmpului principal.

Ce este oarecum surprinzător este faptul că, în ciuda unei relative simplități a imaginii repartiției geografice — și chiar, în general, spațiale —, tocmai cîmpul geomagnetic de origine internă este cel care rămîne încă, în mare măsură, „enigmatic”, mecanismul fizic al producerii lui fiind imperfect explicat la ora actuală. În schimb, deși de un grad de complicație morfologică și fenomenologică mult mai ridicat, cîmpul extern apare ca rezultat al unei înlănțuiri de procese fizice încadrate în concepții explicative coerente și în bună parte verificate direct, prin confruntare cu realitatea.

La capătul acestor considerații preliminare, putem face observația că marea complexitate și diversitate a fenomenologiei geomagnetice, caracterizate în ansamblu prin numeroase particularități ale dublei variații în spațiu și în timp a cîmpului, se reflectă în mulțimea și varietatea mesajelor magnetice ale Pămîntului și, de asemenea, în dificultățile legate de descifrarea acestora. Remarcînd acest lucru, atragem ipso facto atenția asupra interesului prezentat de domeniul geomagnetismului pentru cunoașterea și înțelegerea interiorului și exteriorului planetei noastre, de la procesele din nucleu responsabile de producerea cîmpului principal pînă la fenomenele din ionosferă și din magnetosferă ale căror efecte apar în variațiile și în perturbațiile geomagnetice. Aceeași observație subliniază, simultan, necesitatea de a se face apel, pentru detectarea și descifrarea mesajelor geomagnetice, la mijloace de investigație instrumentale și conceptuale cît mai eficace, adecvate naturii fizice a fenomenelor din a căror suprapunere și înlănțuire complexă rezultă cîmpul geomagnetic, ordinului de mărime a acestuia și scării de cercetare.

Cum se știe, existența unui cîmp magnetic se manifestă, printre altele, prin acțiunea de orientare exercitată asupra unui ac magnetic liber, acesta luînd, în fiecare punct din domeniul spațial în care există un astfel de cîmp, o direcție bine determinată. Sensul orientării este de asemenea determinat: totdeauna același capăt al magnetului se orientează spre aceeași parte a dreptei reprezentative a direcției date.

Observațiile arată că în orice punct de pe Pămînt, la suprafață ca și în puțuri adînci sau la altitudini mari, deasupra continentelor ca și deasupra oceanelor, în apropierea ecuatorului ca și în regiunile polare, un magnet liber să se orienteze oricum — adică suspendat în centrul lui de masă și sustras acțiunii oricărui cîmp magnetic artificial sau altor factori perturbanți — ia, la un moment dat, o orientare determinată. Astfel este pusă în evidență omniprezența unui cîmp magnetic al Pămîntului. Se obișnuiește ca proprietatea planetei noastre de a provoca acest fenomen să fie desemnată prin termenul de magnetism terestru, iar pentru disciplina geofizicii care îi studiază diversele manifestări și mecanismul de producere a proceselor care constituie substratul lor, urmărindu-le totodată și explicarea, s-a impus numele de geomagnetism. Aplicațiile științei geomagnetismului la studiul structurii subsolului se numesc în mod curent prospecțiuni magnetice, reprezentînd una din tehnicile eficace ale geofizicii aplicate.

Magnetismul terestru nu se manifestă prin nici un efect direct care să aibă o acțiune imediată asupra vreunui simț al omului, cum se întîmplă în cazul celuilalt cîmp natural al Pămîntului, cîmpul gravific. Într-adevăr, simpla cădere a unui corp și, apoi, ridicarea lui indică existența acestui cîmp și, măcar în mod vag, unele caracteristici ale lui ca direcția și mărimea forței corespunzătoare, legată de senzația de efort muscular. Apoi, cum spune Marin Sorescu:

„Știm precis
Că nu poate sări nimeni
Mai sus decît tavanul
Să fie și Dumnezeu,
Asta din cauza gravitației
Care ne trage mereu în jos
Încă din cele mai vechi timpuri”.

În schimb, nici un fenomen din viața de toate zilele nu scoate la iveală realitatea prezenței permanente a cîmpului geomagnetic, după cum nu se cunoaște nici vreun echivalent sensorial al unei eventuale influențe a lui asupra omului.

Acțiunea de orientare exercitată asupra unui ac magnetic nu este singura modalitate de manifestare a cîmpului geomagnetic. Ca pentru orice cîmp magnetic, existența lui mai poate fi revelată cu ajutorul corpurilor în stare să se magnetizeze puternic — corpuri care au, cum se spune, o susceptibilitate magnetică ridicată — care devin, în cîmpul geomagnetic, în mod temporar sau permanent, magneți mai slabi sau mai puternici. Cîmpul geomagnetic își mai trădează existența prin faptul că el provoacă într-un circuit închis, fără sursă de curent dar în rotație, curenți electrici mai slabi sau mai intenși, exceptînd doar cazul cînd axa de rotație a circuitului are chiar direcția cîmpului.

Aceste trei posibilități de manifestare calitativă a existenței cîmpului geomagnetic pot fi transpuse în cadrul mai amplu al fenomenologiei căreia aparțin și încorporate instrumental și metodologic în tehnici de măsurare. În asemenea forme, foarte îngrijit elaborate, cele trei categorii de fenomene sînt folosite pentru determinarea cantitativă a cîmpului geomagnetic, atît ca valori absolute cît și ca variații în spațiu sau în timp, cu o precizie remarcabilă. Pe ele se bazează măsurătorile tradiționale ale geomagnetismului și ale prospecțiunilor magnetice, măsurători al căror ansamblu de instrumente și tehnici formează magnetometria clasică.

Acțiunea exercitată de cîmpul geomagnetic asupra unui magnet duce, cum am spus, la o orientare determinată a acestuia, care coincide cu orientarea cîmpului doar cînd magnetul nu este supus nici unei constrîngeri străine. Magnetul suferă numai o rotație — fără translație —, ceea ce pune în evidență intervenția exclusivă a unui cuplu de forțe, fără posibilitatea existenței unei forțe izolate. Acest cuplu se manifestă static prin starea de echilibru impusă magnetului, echilibru care se poate realiza cu axa magnetului în direcția și sensul cîmpului geomagnetic, cînd alt cuplu este absent, sau într-o altă poziție sub acțiunea combinată a cuplului magnetic și a unui cuplu antagonist, care poate fi un cuplu gravitațional, un cuplu elastic sau unul de torsiune. Cuplul exercitat de cîmpul geomagnetic asupra unui magnet se mai poate manifesta și dinamic, prin transpunerea acestuia în oscilație. Studiul ambelor categorii de „acțiuni pondero-motrice”, prin reperarea poziției de echilibru sub acțiunea exclusivă a cîmpului geomagnetic sau sub acțiunea cuplului generat de el și a unor cupluri de altă natură dar cunoscute, și prin determinarea perioadei de oscilație, constituie importante mijloace de evaluare cantitativă a direcției și intensității cîmpului geomagnetic.

Magnetizarea corpurilor cu susceptibilitate ridicată, adică fenomenul de inducție magnetică, a condus de asemenea la construirea unor aparate și la punerea la punct a unor tehnici de măsurare adecvate care au jucat un rol important în dezvoltarea metrologiei geomagnetice, atît terestre cît și aeriene, și chiar în măsurătorile efectuate cu ajutorul rachetelor și sateliților artificiali ai Pămîntului. Repartiția direcțională a efectelor de inducție magnetică după dimensionarea relativă a părților din aparate reprezentate de corpurile supuse magnetizării și amplificarea convenabilă a acestor efecte au asigurat excelente condiții pentru prinderea cantitativă, foarte precisă, a cîmpului geomagnetic, ca direcție și ca mărime, în toate particularitățile evoluției lui în timp ca și, poate mai mult încă, în acelea ale distribuției lui în spațiu.

Cel de-al treilea fenomen al magnetometriei clasice, inducția electromagnetică, deși principial mai versatil, a avut și are o contribuție mai modestă pe plan metrologic. Bobine rotitoare au fost folosite încă din prima jumătate a secolului trecut, fie pentru măsurarea intensității componentelor cîmpului geomagnetic, fie pentru reperarea orientării lui. În primul scop, trebuia, evident, ca axa de rotație a bobinei să fie ortogonală față de direcția cîmpului și să se măsoare curentul indus în aceste condiții, pe cînd pentru cel de-al doilea se căuta orientarea axei pentru care rotirea bobinei rămînea fără efect în privința producerii unui asemenea curent, ceea ce însemna paralelism între axă și direcția cîmpului. Folosite și la începuturile aeromagnetometriei, procedeele bazate pe inducția electromagnetică nu s-au dovedit competitive cu celelalte tehnici de măsurare și astăzi nu se mai menține decît vechea metodă de zero pentru reperarea orientării cîmpului geomagnetic.

Caracteristic pentru măsurătorile geomagnetice tradiționale, bazate pe utilizarea celor trei categorii de fenomene amintite, este faptul că ele conduc la cunoașterea cîmpului geomagnetic prin intermediul unor unghiuri care îi definesc orientarea și a unor componente ale intensității lui după direcții legate de amplasamentul pe Glob al locului de măsurare. Raportat la un sistem local de referință, definit de planul orizontal și de direcția nord, deci la un sistem de axe trirectangulare orientate după direcția nord, direcția est și direcția verticală, cîmpul geomagnetic este determinat, fără ambiguitate, dacă se cunosc trei mărimi (numite elemente geomagnetice): fie două unghiuri și intensitatea (sau o componentă a ei), fie două componente ale intensității și un unghi, fie trei componente ale intensității. Prima modalitate de definire a fost cea exploatată mai întîi și mai este folosită și azi în unele determinări de valori absolute. Elementele geomagnetice măsurate pe această cale sînt: 1) declinația magnetică D, reprezentată de unghiul format de proiecția cîmpului pe planul orizontal cu direcția nord; 2) inclinația magnetică I, adică unghiul dintre direcția intensității cîmpului și această proiecție a ei pe planul orizontal și 3) componenta orizontală H a cîmpului, deci tocmai această proiecție pe planul orizontal. A doua modalitate este utilizată în particular în înregistrările geomagnetice de observator, în cadrul cărora se urmăresc variațiile declinației ΔD, ale componentei orizontale ΔH și ale celei verticale ΔZ. În aceste două categorii de determinări se utilizează preponderent efectele pondero-motrice; numai inclinația este măsurată prin metoda de zero a inducției electromagnetice. În fine, determinarea cîmpului prin trei componente rectangulare, după cele trei axe indicate: componenta nord X, componenta est Y și componenta verticală Z se face cu aparatele bazate pe inducția magnetică, cu barele care se magnetizează orientate corespunzător. (Se poate menționa aici că utilizarea celor trei componente rectangulare este preferată și în cercetările teoretice.)

Cu aproximativ un deceniu și jumătate în urmă, au început a fi luate în considerare în scopurile metrologiei geomagnetice, pentru a fi apoi efectiv introduse și utilizate pe o scară tot mai largă în măsurători, alte două fenomene capabile să pună în evidență existența cîmpului geomagnetic și să servească, asigurînd precizia necesară, la evaluarea cantitativă a lui: precesia nucleară și „pomparea optică”. În ambele fenomene au loc procese intraatomice, guvernate ca atare de legile mecanicii cuantice. Folosite pentru măsurarea indirectă a cîmpului geomagnetic, care intervine într-un mod cunoscut cantitativ în desfășurarea lor, împreună cu alte mărimi determinabile, ele au condus la construirea unor aparate și la elaborarea unor metode constituind, în ansamblu, partea modernă a metrologiei geomagnetice, desemnată prin termenul de magnetometrie cuantică.

În primul caz, prin aplicarea unui cîmp magnetic auxiliar intens, cu aproximativ două ordine de mărime mai puternic decît cel al Pămîntului, și de direcție transversală față de a acestuia, nucleele posedînd un moment magnetic ale unor atomi — în metrologia geomagnetică este vorba, în mod curent, de hidrogen, al cărui nucleu este chiar protonul, de unde termenul de precesie (sau rezonanță) protonică, frecvent folosit în acest domeniu — sînt orientate cu axele lor magnetice după această direcție, impusă de cîmpul auxiliar (cîmp de polarizare). Cînd se suprimă acest cîmp, micii magneți reprezentați de nucleele cu moment magnetic (în cazul hidrogenului: protonii) rămîn sub influența exclusivă a cîmpului geomagnetic, spre a cărui orientare tind. Revenirea de la direcția cîmpului magnetic de polarizare la aceea a cîmpului geomagnetic are loc printr-o mișcare de precesie, a cărei frecvență este proporțională cu intensitatea acestuia. Astfel, determinarea frecvenței de precesie și cunoașterea constantei de proporționalitate, furnizată de fizică, asigură determinarea intensității totale a cîmpului geomagnetic.

Cazul al doilea, al pompării optice, utilizează indirect efectul Zeeman, care din cauza ordinului de mărime foarte redus al cîmpului geomagnetic nu poate servi direct la determinarea intensității acestuia, prin măsurarea „despicării” liniilor spectrale emise de atomii supuși influenței lui. Iradiindu-se anumiți vapori alcalini cu o lumină monocromatică, de frecvență strict corespunzătoare energiei unui subnivel dat dintre acelea între care sînt distribuiți electronii unui nivel energetic din atomii respectivi, sub influența cîmpului geomagnetic, electronii acestui subnivel sînt ridicați la un nivel superior. De aici ei „cad” înapoi la nivelul inferior inițial, distribuindu-se între subnivelele lui. Continuîndu-se iluminarea vaporilor cu radiația de frecvență optică determinată, electronii subnivelului ce-i corespunde sînt mereu ridicați la nivelul superior, de unde iarăși revin la cel inferior, în care nu pot, însă, rămîne decît pe alte subnivele decît cel de pe care au plecat. În cele din urmă, toți electronii subnivelului avut în vedere sînt „pompați optic” de pe acest subnivel pe celălalt subnivel sau pe celelalte subnivele ale nivelului inferior, prin ocolul reprezentat de trecerea pe nivelul superior, corespunzător energiei radiației optice de pompare. În acest moment, radiația de pompare nu mai este absorbită și „celula de gaz”, în care se găsesc vaporii iradiați, devine transparentă pentru ea. Celula redevine opacă dacă intervine din nou absorbția, ceea ce este posibil numai dacă apar din nou electroni pe subnivelul în cauză. Redistribuirea electronilor între subnivelele nivelului inferior se poate realiza prin excitare cu o radiație de frecvență mai mică, corespunzătoare diferenței de energie dintre subnivele. Frecvența acestei radiații de excitare este proporțională cu intensitatea cîmpului geomagnetic și, astfel, această mărime se poate determina pe baza măsurării frecvenței radiației de excitare, care reopacizează celula cu vapori alcalini.

În ambele categorii de determinări, prin precesie protonică sau prin pompare optică, ceea ce se măsoară direct este o frecvență — măsurare care necesită un aparataj electronic complicat dar care se poate efectua cu mare precizie — iar ca rezultat geomagnetic se obține valoarea cîmpului total. Precizia determinărilor este foarte ridicată și aparatele, care cu un deceniu în urmă aveau volume și greutăți incompatibile cu transportul și determinările pe teren, au ajuns astăzi la dimensiuni reduse, departe de a mai fi prohibitive în această privință.

Metrologia geomagnetică, ale cărei probleme generale au fost discutate în cele ce preced, este cea mai variată și mai complicată dintre toate metrologiile geofizice. Această împrejurare — care a determinat și trecerea în revistă de mai sus — se datorește, fără îndoială, marii variații și complicații a fenomenelor în care intervin mărimile ce trebuie măsurate și problemelor grele puse de variațiile nu numai de la un loc la altul ci și de la un moment la altul ale cîmpului geomagnetic.

Determinarea valorilor absolute ale acestui cîmp într-un loc și la un moment dat, pe de o parte, și evaluarea variațiilor lui în spațiu și în timp, pe de alta, reprezintă operații delicate de detectare și de identificare a unor mesaje importante ale Pămîntului. Trimise din regiuni foarte îndepărtate, din nucleul terestru ca și din ionosferă și din magnetosferă, adică de la adîncimi și de la altitudini de mii de kilometri, ele aduc informații complexe și deosebit de prețioase, într-o formă care trebuie prinsă cu fidelitate, adeseori în condiții mult îngreuiate de valoarea relativ redusă a semnalului util și de intervenția a numeroși agenți perturbanți, care ridică în mod considerabil nivelul „zgomotului”.

Îmbunătățirea raportului semnal/zgomot este neapărat necesară pentru a se asigura descifrarea mesajelor corespunzătoare cu un grad rezonabil de certitudine. Condiție necesară, ridicarea preciziei determinărilor prin amplificarea fără distorsionare a semnalelor — cînd acest lucru este posibil — și prin mărirea sensibilității aparatelor nu este, totuși, suficientă. Pentru a se garanta condițiile unei bune descifrări a mesajelor geomagnetice, detectarea și identificarea lor trebuie completate cu cît mai multe informații geofizice extramagnetice. Numai pe această cale se poate reduce ambiguitatea fatal legată de operația de descifrare, care implică rezolvarea unei probleme inverse: identificarea și caracterizarea cauzelor pe baza cunoașterii efectelor lor.

Din cele cîteva anticipări privitoare la marea varietate și complicație a fenomenelor geomagnetice și din informațiile, oricît de sumare, asupra modului în care se abordează studiul lor cantitativ rezultă clar necesitatea de a se examina ceva mai de aproape structura complexă a cîmpului magnetic al Pămîntului. O vom face în cadrul unei prezentări inevitabil schematice, care va încerca, totuși, să cuprindă nu numai o simplă înșirare a principalelor caracteristici ale cîmpului geomagnetic și ale variațiilor lui spațiale și temporale ci și cîteva indicații asupra mecanismului fizic al substratului lor fenomenologic. În felul acesta vom putea considera, ulterior, mesajele geomagnetice ale Pămîntului într-o perspectivă care, asigurînd prinderea coerentă a ansamblului, nu va împiedica recunoașterea cîtorva detalii semnificative.

Observațiile efectuate asupra cîmpului geomagnetic, cu ajutorul mijloacelor de investigație instrumentală amintite mai înainte, reușesc să scoată în evidență — uneori direct, alteori după un tratament mai pretențios al datelor obținute — principalele trăsături ale lui și chiar să furnizeze informații asupra originii lui, cel puțin ca amplasare spațială dacă nu ca mecanism fizic. Cea mai generală informație rezultă din faptul că dacă observațiile sînt făcute în diferite locuri de pe Pămînt, la o aceeși „epocă”, respectiv dacă sînt repetate la diferite momente, într-un același loc, apare în toată evidența că magnetismul terestru are o distribuție în spațiu determinată și o evoluție în timp caracteristică. Dubla variabilitate a cîmpului geomagnetic, cu locul și cu timpul în care se fac observațiile, cu alte cuvinte structura lui spațio-temporală, reprezintă un mesaj deosebit de complex al Pămîntului, a cărui descifrare a ridicat în fața cercetătorilor numeroase dificultăți, numai în parte depășite la ora actuală.

Un prim pas spre rezolvarea problemelor legate de lămurirea structurii complexe a cîmpului geomagnetic a fost făcut prin discriminarea între partea perisistentă a lui, cu tendințe de menținere la orientări și la valori aproape constante pentru durate lungi, de ordinul de mărime al lunilor și chiar al anilor, și partea trecătoare a cîmpului, reprezentînd abateri într-un sens și altul de la valorile medii corespunzătoare cîmpului persistent, unele periodice, altele cu totul neregulate, desfășurate în decursul unei zile, respectiv în intervale și mai scurte de timp (ore, minute și chiar mai puțin).

Trebuie notat că partea persistentă a cîmpului prezintă o distribuție caracteristică în spațiu, corespunzătoare într-o primă aproximație distribuției cîmpului unei sfere uniform magnetizate, și are și o lentă evoluție în timp, numită variație seculară. În privința părții trecătoare, caracteristic este faptul că prezentînd, pe de o parte, variații calme și periodice și pe de alta schimbări agitate și sporadice, ea manifestă și o repartiție spațială a intensității ambelor categorii de exteriorizări morfologice ale evoluției în timp a cîmpului, evidente de altfel și în unele regularități ale distribuției în timp a momentelor de apariție.

Cele două părți constitutive ale cîmpului geomagnetic astfel puse în evidență — cea persistentă prin medieri pentru intervale lungi de timp, cea tranzitorie prin abateri momentane de la mediile obținute în felul acesta — se prezintă în proporții relative de complet dezechilibru: partea persistentă, totdeauna prezentă, reprezintă aproape în întregime cîmpul geomagnetic pe cînd cea trecătoare, de valori foarte mici, care uneori se pot chiar anula, abia dacă se ridică, în perioadele de maxim de intervenție a ei, la cîteva promile pentru variațiile calme și este, de regulă, de același ordin de mărime și pentru perturbații; numai în epoci de agitații extreme ale cîmpului — agitații desemnate atunci prin termenul de furtuni magnetice — perturbațiile pot atinge ordinul de mărime al cîtorva, puține, procente. Se înțelege că, pentru aceste motive, partea persistentă a cîmpului geomagnetic a putut fi numită cîmp geomagnetic principal, termen pe care îl vom folosi și noi de acum înainte pentru a o desemna.

Atît cîmpul geomagnetic persistent, deci cel principal, cît și cîmpul tranzitoriu au fost supuse așa-numitei analize armonice sferice. Este vorba de o operație matematică pur formală dar care are un substrat fizic nu numai pentru încadrarea ei conceptuală ci și pentru rezultatele la care conduce. Ea utilizează niște funcții matematice de cele trei variabile care asigură reperarea poziției unui punct pe o sferă: raza sferei, longitudinea și latitudinea. Aceste funcții, reprezentînd autentice instrumente de cercetare și numite funcții sferice, sînt caracterizate prin două proprietăți remarcabile: posibilitatea de a reprezenta o distribuție oarecare de valori, oricît de complicată, pe o sferă și caracterul lor de funcții „armonice”, satisfăcînd, deci, cunoscuta ecuație a lui Laplace, căreia trebuie să i se supună valorile unui cîmp care „derivă dintr-un potențial” (în sensul indicat în capitolul precedent).

Forma funcțiilor sferice fiind dată, li s-au determinat coeficienții numerici pe baza valorilor cîmpului, măsurate în cît mai multe puncte de pe Glob, de amplasament cunoscut, deci pentru valori cunoscute ale celor trei variabile. Independent de orice ipoteză — afară de premisa aproximării suprafeței terestre printr-o sferă și de aceea a caracterului potențial al cîmpului geomagnetic —, s-a procedat la analizarea cîmpului astfel reprezentat matematic, plecîndu-se de la constatarea că la suprafața Pămîntului, unde se efectuează determinările, nu există surse de cîmp magnetic. În felul acesta, fără a se imagina vreun mecanism căruia să i se atribuie producerea cîmpului, se admitea numai că sursele lui pot fi situate în interiorul sau în exteriorul Pămîntului, ori atît în interior cît și în exterior.

Pentru partea persistentă a cîmpului geomagnetic, numeroasele analize efectuate în ultimul secol și jumătate, pe baza unui material de observație satisfăcînd din ce în ce mai bine exigențele principale ale operației — ca număr de stațiuni de măsurare, ca distribuție geografică a lor și ca precizie a determinărilor — au arătat că ea este datorită aproape în întregime unor cauze situate în interiorul Pămîntului. După ultimele analize armonice sferice, mai mult de 99% din cîmpul geomagnetic principal rezultă a fi de origine internă. S-au confirmat, astfel, cu o precizie mai ridicată decît în trecut, rezultatele unei întregi serii de analize — cea dintîi datînd din prima jumătate a secolului trecut —, stabilindu-se cu toată certitudinea, ca sediu al fenomenelor fizice responsabile de producerea cîmpului geomagnetic principal, interiorul Globului terestru. A trebuit astfel să se renunțe la vechea concepție, nu lipsită de rezonanțe poetice, a evului mediu, după care magnetismul terestru ar fi fost provocat de cauze externe și care, în consecință, atribuia stelei polare forța de orientare spre nord a acului busolei. Este adevărat că experiențele lui Gilbert cu Terrella zdruncinaseră serios această concepție, al cărei ecou se găsește și într-o terțină din „Paradisul” lui Dante:

„Din miezu-unei lumini din noua roată
un glas țîșni și m-am întors grăbit,
ca acul către steaua-n cer cătată”.

(trad. Eta Boeriu)

Fundamentată cantitativ pe măsurători ale cîmpului geomagnetic și nu pe analogii sugerate de un model, rezultatele analizei armonice sferice înlăturau definitiv ideea originii externe a cîmpului principal.

Tot în legătură cu cîmpul geomagnetic principal, trebuie să mai adăugăm că a fost efectuată și analiza variației seculare a lui, care prezintă și ea o distribuție geografică determinată. Pe aceeași cale și cu același grad de certitudine, s-a dovedit că și acest fenomen este datorit tot unor cauze interne.

Înainte de a relata rezultatele furnizate de analiza armonică sferică pentru partea trecătoare a cîmpului geomagnetic, este bine să precizăm că distincția între cele două categorii de schimbări care o constituie, abia sugerată în cele de mai sus, este bine făcută astăzi, atît ca morfologie cît și ca fenomenologie a lor. Schimbările tranzitorii ale cîmpului geomagnetic sînt puse în evidență prin înregistrările continue ale elementelor lui, efectuate la observatoarele magnetice. Pe magnetogramele obținute se pot distinge clar, pe de o parte, perioade de „calm magnetic”, caracterizate prin variații lente, regulate și previzibile ale elementelor geomagnetice înregistrate, de aspect cvasisinusoidal, în orice caz periodice, și, pe de alta, intervale de timp de „agitație magnetică”, în care cîmpul prezintă abateri cu caracter neașteptat, de o formă capricioasă și cu o distribuție neregulată în timp, cu amplitudini cu totul inegale ale elementelor lui, în raport cu mersul lor în intervale de calm magnetic.

Efectuîndu-se analize armonice sferice atît pentru variațiile calme cît și pentru perturbațiile geomagnetice — și unele și altele avînd o distribuție geografică determinată a parametrilor care le caracterizează, ceea ce a permis calcularea coeficienților numerici din funcțiile sferice reprezentative ―, s-a găsit că de astă dată responsabile de producerea fenomenelor sînt atît cauze interne cît și cauze externe. În ambele cazuri circa două treimi din cîmpul respectiv sînt datorate unor cauze situate în exteriorul suprafeței terestre și numai restul de o treime are sediul cauzelor în interiorul ei.

Rezultatele furnizate de analiza armonică sferică sînt de o importanță deosebită, în ciuda caracterului lor destul de general. Fără a aduce vreo informație asupra naturii fizice a cauzelor care produc cîmpul geomagnetic principal sau schimbările geomagnetice tranzitorii, ele arată — bazîndu-se pe caracterul potențial al cîmpului și pe distribuția geografică a valorilor care îi caracterizează structura și evoluția — unde urmează să fie căutat mecanismul fizic de producere a lui. Din punctul de vedere pe care l-am adoptat în această scriere, se conturează acum care sînt categoriile de mesaje geomagnetice ale căror descifrări se urmăresc, ce direcții sînt de explorat în scopul efectuării descifrărilor și de ce natură sînt informațiile ce pot rezulta din aceste operații.

Iată, într-o sumară trecere în revistă, aceste categorii de mesaje, pe care urmează să le examinăm ceva mai de aproape în paginile următoare. Evident, o primă categorie de mesaje transmise de Pămînt prin intermediul cîmpului său magnetic este ansamblul de mesaje legate de cîmpul geomagnetic principal și de variația lui seculară. Accentul cade aici pe distribuția geografică, fără, însă, ca interesul pentru evoluția în timp să fie absent. În al doilea rînd, vin în vedere mesajele purtate de cîmpul variațiilor calme, cu ponderea de interes în ceea ce îi este specific: evoluția în timp. În fine, privind preponderent tot evoluția în timp dar avînd și importante particularități în distribuția spațială, într-o ultimă categorie se situează mesajele reprezentate de ansamblul aspectelor atît de variate ale cîmpului perturbațiilor.

Încheind aici această prezentare schematică, vom întreprinde, pe rînd, în cele ce urmează, aducerea cîtorva informații suplimentare, necesare pentru obținerea unei imagini dacă nu complete în orice caz nedistorsionate a ceea ce rezultă din descifrările actuale ale mesajelor magnetice ale Pămîntului. Vom vedea că, pe această cale, se obțin informații variate și numeroase asupra unui vast domeniu spațial, reprezentat nu numai de întregul Pămînt ci și de zone ale spațiului interplanetar. Aceste informații aruncă lumină și asupra mecanismului fizic al unor fenomene din interiorul adînc al planetei noastre, pe de o parte, și din exteriorul înalt al ei, pe de alta, precum și asupra relațiilor fizice dintre Pămînt și Soare.

Caracteristica de căpetenie a cîmpului geomagnetic principal este asemănarea distribuției lui spațiale cu aceea a cîmpului unei sfere magnetizate uniform. Pusă în evidență calitativ, prin modelare fizică, încă de Gilbert — care, urmărind orientarea unui mic ac magnetic în diverse puncte de la suprafața Terrellei (sferă de oțel, uniform magnetizată), a explorat spațiul din jurul ei din punctul de vedere al structurii lui de cîmp magnetic —, această asemănare a primit ulterior suportul cantitativ al modelării matematice.

Asimilarea cîmpului geomagnetic principal cu cîmpul sferei uniform magnetizate, echivalent cu acela al unui dipol magnetic — care, la rîndul lui, rezultă din trecerea la limită a cazului unui magnet schematic, adică reprezentat prin doi poli de aceeași masă magnetică dar de semne opuse, situați la distanță finită — este valabilă numai într-o primă aproximație. Ea este, totuși, deosebit de utilă atît pentru descrierea principalelor caracteristici ale cîmpului persistent cît și pentru studiul detaliilor neregulate ale acestui cîmp real, considerate ca abateri de la structura regulată a cîmpului ideal al sferei uniform magnetizate (sau al dipolului magnetic).

Făcîndu-se abstracție de neregularitățile evidente ale distribuției spațiale a cîmpului geomagnetic principal, se constată că, în linii mari, ea corespunde distribuției cîmpului unui dipol care ar fi situat în centrul Pămîntului, avînd un moment magnetic determinat ca mărime și ca orientare. Axa acestui dipol, numită axă geomagnetică, nu coincide cu axa de rotație a Pămîntului ci formează cu ea un unghi de circa 11°½. Punctele în care axa geomagnetică înțeapă suprafața sferei prin care se idealizează suprafața terestră reprezintă polii geomagnetici, polul geomagnetic boreal B în emisfera nordică și polul geomagnetic austral A în cea sudică. (Este preferabil să se utilizeze termenii „boreal” și „austral” pentru desemnarea polilor geomagnetici, căci altfel se poate produce o confuzie, datorită faptului că polul geomagnetic boreal este, din punct de vedere fizic, un pol magnetic sud: spre el se îndreaptă polul nord al acului busolei și, conform legii lui Coulomb, polii care se atrag sînt de nume contrarii.) Cercul mare al sferei rezultat din intersecția suprafeței ei cu un plan normal pe axa geomagnetică AB și trecînd prin centrul Pămîntului reprezintă ecuatorul geomagnetic.

Ținînd seama de felul în care sînt definite elementele geomagnetice, prin raportare la sistemul local de referință determinat cu ajutorul verticalei locului — pe care, în aproximația suprafeței terestre printr-o sferă, o reprezintă chiar raza sferei —, este evident că la polii geomagnetici cîmpul are direcția verticală iar la ecuatorul geomagnetic el este orizontal. În ceea ce privește intensitatea, valoarea cîmpului total la polii geomagnetici este dublul aceleia de la ecuatorul geomagnetic, în conformitate cu raportul dintre intensitățile cîmpului dipolului magnetic în puncte situate la aceeași distanță de locul în care este așezat el, puncte de pe axa lui, respectiv din planul normal pe ea. Pe de altă parte, întrucît — așa cum s-a spus mai înainte — totul se petrece ca și cînd la polul geomagnetic boreal am avea magnetism sud (situația fiind, evident, inversă la celălalt pol geomagnetic), înseamnă că sensul cîmpului este în jos la polul B și în sus la polul A.

Pe toată suprafața terestră, componenta orizontală a cîmpului dipolic este dirijată spre nord, avînd valoarea maximă, egală cu cîmpul total, la ecuatorul geomagnetic, și anulîndu-se la polii A și B. În ceea ce privește componenta verticală, ea reprezintă, evident, în întregime cîmpul la cei doi poli, fiind pozitivă (dirijată în jos) în punctul B și negativă (dirijată în sus) în A. Ecuatorul geomagnetic, de-a lungul căruia ea este nulă, îi separă valorile negative din emisfera geomagnetică australă de cele pozitive din emisfera geomagnetică boreală.

În legătură cu orientarea cîmpului dipolic, abia dacă mai trebuie remarcat că inclinația este nulă la ecuatorul geomagnetic și crește în valoare absolută spre polii A și B, unde atinge, bineînțeles, maximul absolut de 90°. În privința declinației este de semnalat o situație remarcabilă de-a lungul cercului mare al sferei terestre care trece prin polii geomagnetici A și B (meridian geomagnetic) și prin cei geografici N și S: între punctele N și B ca și între S și A declinația este 180° (conform cu definiția ei de a fi unghiul format de direcția nord magnetic cu direcția nord geografic), iar între B și S, respectiv între A și N ea este nulă. Se înțelege că și pentru alte puncte ale suprafeței terestre se poate prevedea mărimea și semnul declinației ideale (considerată pozitivă atunci cînd este estică, adică pentru o orientare a meridianului magnetic spre est de cel geografic), ținîndu-se seama de amplasarea polilor geomagnetici și a celor geografici în raport cu poziția punctului considerat, dar operația comportă un grad de detaliere care nu se înscrie în sfera de interes a expunerii de față.

Am început discuția asupra aproximării cîmpului geomagnetic principal prin cîmpul unui dipol magnetic plecînd de la afirmația că asemănarea dintre aceste cîmpuri apare dacă se face abstracție de neregularitățile evidente ale distribuției spațiale ale celui dintîi. Afirmația este făcută în termeni în același timp vagi (neregularități) și categorici (evidente) și lasă deschisă problema felului în care se face abstracție de ceea ce în cîmpul geomagnetic principal nu corespunde cîmpului dipolic. De aceea se recomandă aici cîteva lămuriri suplimentare.

Mai întîi, trebuie spus că funcțiile sferice, despre care a fost vorba mai înainte, sînt constituite dintr-o sumă de termeni, principial în număr infinit, care reprezintă cu atît mai bine cîmpul real, cu tot mai multe detalii și particularități, cu cît se consideră un număr mai mare de termeni. S-a constatat, însă, că numărul de termeni efectiv necesari pentru o bună reprezentare a cîmpului geomagnetic principal nu este prea mare — vreo 16 ar ajunge —, căci ei descresc relativ repede și începînd de la un anumit ordin contribuția lor la determinarea valorii cîmpului este mai mică decît eroarea cu care se cunoaște cîmpul real, așa că luarea în considerare a termenilor următori este lipsită de sens. Termenii de ordinul I ai desfășurării în serie de armonice sferice a cîmpului geomagnetic principal (în număr de trei), care definesc ca mărime și ca orientare dipolul magnetic terestru, reprezintă aproximativ patru cincimi din întregul cîmp. Aceasta arată atît ce înseamnă a face abstracție de neregularități evidente (a neglija termenii de ordin superior din desfășurarea în serie, în acest caz termenii de ordinul II și mai mare), cît și gradul de aproximare a cîmpului geomagnetic principal prin cel dipolic.

Cîmpul dipolic, reprezentînd așadar 80% din cîmpul principal, este bine determinat prin dubla condiție, aparent inconsistentă intrinsec, de a se face o reprezentare matematică prin funcții armonice sferice, care să corespundă cît mai bine cazului real, și de a se reține apoi din ea numai termenii de ordinul I. Acești termeni, cu coeficienți numerici rezultați din ansamblul măsurătorilor geomagnetice reale, definesc fără ambiguitate și cu bună precizie dipolul considerat ca sursă ideală a cîmpului, indicînd atît mărimea momemtului lui magnetic cît și orientarea axei lui.

Cîmpul „generat” de acest dipol imaginar — totul se petrece ca și cînd am avea un dipol —, cîmp pentru a cărui desemnare se folosesc în mod echivalent termenii de cîmp geomagnetic regulat, analitic, dipolic, al magnetizării uniforme sau al lui Gauss, conturează precis, cantitativ, noțiunile despre care s-a vorbit mai sus: axă geomagnetică, poli geomagnetici, ecuator geomagnetic, emisfere geomagnetice etc. (Amintim aici că adjectivul „geomagnetic” este utilizat preferențial pentru a desemna noțiunile de acest fel legate de cîmpul ideal, pentru cele corespunzătoare legate de cîmpul real obișnuindu-se a se folosi adjectivul „magnetic”.) Caracterul regulat al cîmpului dipolic este pus în evidență, în particular, de faptul că polii geomagnetici reprezintă extremitățile unui diametru terestru, așa cum sînt și polii geografici, și că ecuatorul geomagnetic este un cerc mare al sferei terestre.

Spre deosebire de acest cîmp ideal, cîmpul geomagnetic real este caracterizat prin cîteva abateri de la regularitățile lui, abateri neglijabile numai într-o primă aproximație. Mai întîi, polii magnetici reali, definiți local prin condiția fizică a verticalității cîmpului și prin unele particularități ale reprezentării cartografice a lui, despre care va fi vorba mai încolo, nu numai că nu coincid cu polii geomagnetici ideali — de exemplu, polul magnetic real se găsește în nordul Canadei, la nord-est de țara lui Baffin, pe cînd polul geomagnetic al dipolului este amplasat în vestul Groenlandei, în regiunea strîmtorii Smith — dar nici nu se găsesc la extremitățile unui aceluiași diametru terestru: dreapta care unește polul magnetic boreal cu polul magnetic austral trece la o distanță de circa 1100 de kilometri de centrul Pămîntului. În al doilea rînd, ecuatorul magnetic real nu este un cerc mare pe sfera de aproximare a suprafeței terestre și are un traseu cu multe neregularități. Mai mult chiar: dacă el poate fi definit cu ajutorul distribuției valorilor componentei verticale sau ale inclinației, el nu mai poate fi definit, în schimb, folosind pe aceea a valorilor componentei orizontale.

În această ordine de idei, atît pentru justificarea unei asemenea afirmații cît și pentru a putea indica în termeni mai intuitivi cîteva particularități semnificative ale cîmpului geomagnetic principal real, este poate bine să amintim aici că, pe lîngă reprezentarea matematică prin funcții sferice, cu ajutorul cărora se definește — cum am văzut — cîmpul dipolic, mai există o posibilitate de reprezentare sintetică a cîmpului: cea cartografică. Putînd fi utilizată, în principiu, și pentru cîmpul dipolic, această reprezentare sintetică este recomandată (și este efectiv aplicată) pentru vizualizarea distribuției geografice a cîmpului real.

Procedeul pe care se bazează reprezentarea cartografică a cîmpului geomagnetic, real sau ideal, foarte eficace ca putere de sintetizare și aplicabil la orice scară — locală, regională sau planetară —, constă în a pune în evidență repartiția geografică a valorilor diverselor elemente geomagnetice, într-o anumită regiune sau pe întregul Glob, unind prin linii continue pe harta respectivă sau pe planiglob punctele în care un anumit element geomagnetic are aceleași valori. Se obțin, astfel, hărți cu linii izomagnetice (izogone pentru declinația D, izocline pentru inclinația I și izodiname pentru intensitatea totală a cîmpului geomagnetic T sau pentru diversele ei componente: H, X, Y, Z), la scările reprezentării cartografice corespunzătoare și cu „echidistanțele” adecvate lor. De obicei, la scară planetară izoliniile sînt reprezentate pe hărți cuprinzînd zonele pînă la circa 80° latitudine; pentru regiunile polare se adaugă porțiuni de planiglob avînd în centru proiecția polului respectiv.

În reprezentarea cartografică, imaginea simplificatoare a cîmpului ideal dipolic are cîteva caracteristici, de altfel ușor de întrevăzut, importante ca termeni de comparație pentru cîmpul real. Ele au jucat un rol care nu este de neglijat în prevederea distribuției geografice a elementelor cîmpului geomagnetic real și în orientarea organizării măsurării lor precum și în înțelegerea aspectului reprezentării cartografice a acestei distribuții prin linii izomagnetice.

Mai întîi, pe harta declinației ideale, la scară mondială, apar două izogone D = 0°, unind polul geomagnetic boreal B cu polul geografic sud S, respectiv polul geografic nord N cu polul geomagnetic austral A. Cu numele de agone, de o justificare evidentă, aceste izogone speciale, care sînt meridiane geomagnetice, împart suprafața Pămîntului în două emisfere: în cea situată la est de agona BS declinațiile sînt negative (vestice), iar în cealaltă ele sînt pozitive (estice). Se înțelege că, în conformitate cu definiția declinației, atît polii geomagnetici cît și cei geografici apar ca puncte nodale pe harta mondială a izogonelor, fiind uniți în regiunile polare prin izogone cu valoarea maximă de 180°: B cu N în emisfera boreală și A cu S în cea australă. În al doilea rînd, hărțile mondiale cu izocline I și cu izodiname T, H și Z pun în evidență regularități corespunzînd caracterului de paralele geomagnetice pe care-l au toate aceste izolinii magnetice. În particular, izoclina I = 0° și izodinamele Tminim = Hmaxim, respectiv Z = 0 definesc, în perfectă concordanță, ecuatorul geomagnetic, care separă emisfera geomagnetică boreală de cea australă. Elementele I și Z sînt pozitive în prima regiune și negative în a doua, pe cînd T și H sînt, evident, pozitive în orice punct de pe Glob.

Pe hărțile mondiale ale izoclinelor și ale izodinamelor T, H și Z polii geomagnetici A și B apar ca puncte în jurul cărora aceste linii izomagnetice se închid, pe cînd polii geografici nu se manifestă cu nimic, definiția elementelor geomagnetice respective fiind independentă de rotația Pămîntului, adică de axa ei NS. În schimb, ca și în harta cu izogone — izolinii care converg atît spre A și B cît și spre N și S —, hărțile cu izodiname X și Y prezintă puncte nodale în cei patru poli A, B, N și S, aceste elemente geomagnetice fiind proiecții ale cîmpului geomagnetic total pe direcțiile nord și est, legate de rotația Pămîntului.

Cîmpul geomagnetic principal real are, în reprezentarea cartografică, o imagine cu multe abateri de la cea ideală, ale cărei principale trăsături au fost schițate în cele ce preced. Deși există două agone, ele nu prezintă aspectul regulat de „meridiane” geomagnetice: dacă agona BS are un traseu relativ liniștit peste cele două Americi, agona NA prezintă un mers cu totul neregulat peste Lumea veche, punînd în evidență o mare anomalie magnetică continentală. Dintre celelalte abateri, foarte numeroase, ale cîmpului geomagnetic real de la cel dipolic, nu vom mai aminti aici decît pe aceea prezentată de izodinama reală H = maxim care, în loc să înconjure Pămîntul ca ecuator magnetic, se închide în jurul unui punct situat în sud-estul Asiei, punct spre care apare ca deplasat „dipolul” corespunzător cîmpului magnetic real al Pămîntului. Imposibil de definit cu ajutorul componentei orizontale, ecuatorul magnetic este, totuși, determinat clar de izoclina I = 0° (numită aclină) și de izodinama Z = 0, fără, însă, ca aceste izolinii coincidente să prezinte mersul regulat al ecuatorului geomagnetic.

Deși ar mai fi multe de adăugat pentru caracterizarea cîmpului geomagnetic principal real, ne vom limita la cele spuse mai sus, suficiente pentru scoaterea în relief a semnificației acestui cîmp ca mesaj al Pămîntului, purtător de informații asupra interiorului acestuia. Înainte de a discuta acest aspect al problemelor geomagnetice, nu este, poate, lipsit de interes să amintim că existența declinației magnetice și variațiile ei de la un loc la altul au jucat un rol important în utilizarea busolei ca mijloc de orientare, împrejurare de care Thellier leagă — în citatul din fruntea acestui capitol — notorietatea publică a magnetismului terestru, atîta cîtă este.

Adeseori i se atribuie lui Columb descoperirea faptului că acul busolei nu indică direcția nord adevărată și că abaterea lui de la această direcție, adică declinația, este diferită în diferite puncte de pe suprafața Pămîntului. Această părere își are originea în cîteva observații, formulate destul de confuz, în jurnalul ținut de Columb și transmise, nu fără deformări, de alți autori. Ea nu pare a fi justificată. Ceea ce rezultă, totuși, clar din jurnalul lui Columb este faptul că una din busolele cu care el a plecat în a doua sa expediție spre America era construită în așa fel încît indicatorul de pe roza vînturilor cu care se repera direcția nord să arate spre nordul adevărat. Aceasta înseamnă că acul magnetic era rotit cu unghiul și în sensul corespunzător pentru eliminarea influenței declinației, din locul în care fusese construită busola, asupra indicației ei, ceea ce se și întîmplase în acel loc dar nu mai era valabil pentru locuri cu valori foarte diferite ale declinației, cum erau cele din America, spre care se îndrepta Columb.

Astfel de „corectări” ale indicațiilor busolei erau necesare în special pentru valori mari ale declinației și nu reprezentau operații excepționale, cum rezultă dintr-o pagină din Rabelais. În capitolul privitor la felul în care Gargantua a fost instruit de către Pantocrates, Rabelais înșiră numeroasele activități și operații a căror deprindere era obligatorie pentru formarea unui om educat, de fapt considerat ca atare, în acele vremuri, și nu uită să menționeze că Gargantua „regla busola”, adică potrivea, corespunzător valorii declinației, decalajul dintre indicatorul și acul busolei, așa ca orientarea spre nord să fie corectă.

Pentru a examina cîmpul geomagnetic principal sub aspectul de mesaj al Pămîntului și pentru a încerca, acum după expunerea relativ amănunțită a modului în care acest mesaj este detectat, să schițăm căile de descifrare a lui, vom face în prealabil constatarea că, deși fără o justificare fizică evidentă, reprezentarea matematică prin funcții armonice sferice s-a dovedit extrem de utilă în această privință. Așa cum am arătat mai înainte, utilizarea funcțiilor sferice a permis nu numai o reprezentare sintetică adecvată a bogatului material de observație privitor la distribuția geografică a cîmpului geomagnetic principal — material reprezentat de valorile numerice ale elementelor geomagnetice în zeci de mii de puncte de observație de pe întreg Globul — ci și stabilirea originii interne a acestui cîmp și chiar determinarea proporției în care el poate fi asimilat cu un cîmp regulat de tip dipolic.

Acești primi pași spre descifrarea mesajului complex reprezentat de cîmpul geomagnetic principal fiind făcuți, urma să se treacă la imaginarea mecanismului fizic în stare să dea naștere părții regulate a cîmpului și la explicarea substratului fenomenologic al părții neregulate a lui. În ambele privințe s-au obținut rezultate interesante și informații prețioase. Totuși, încă nu se poate vorbi de o descifrare satisfăcatoare a celor două categorii de semnale care intră în alcătuirea mesajului geomagnetic al cîmpului principal: partea dipolică și partea neregulată, reprezentată de diferența dintre cîmpul observat și cel regulat, dipolic.

Figura 1

1. Patru descifrări diferite, principial posibile, ale aceluiași mesaj: cîmpul geomagnetic principal.

Distribuția regulată în exteriorul Pămîntului a părții dipolice a cîmpului geomagnetic principal fiind cea descrisă mai înainte și reprezentată grafic în figura 1 (în exteriorul oricăruia dintre cercurile care reprezintă meridiane geomagnetice), pentru natura fizică a cauzei lui se oferă principial cel puțin patru imagini: (a) prezența unui dipol magnetic în centrul Pămîntului, caz în care termenul de „dipolic” ar fi într-adevăr potrivit pentru a desemna cîmpul astfel produs, (b) magnetizarea uniformă a nucleului presupus metalic al Pămîntului, (c) magnetizarea uniformă, evident cu o intensitate mai redusă decît în cazul anterior, a întregului Glob terestru (în ambele cazuri imediat precedente fiind deci adecvată caracterizarea cîmpului produs drept „cîmp al magnetizării uniforme”) și (d) existența în nucleul terestru, bun conducător de electricitate, a unor curenți electrici circulînd de la est spre vest, la limita dintre nucleu și manta, cu o densitate de curent satisfăcînd o anumită lege de variație cu latitidinea.

S-ar putea comenta pe larg fiecare din cele patru descifrări principial posibile ale distribuției date a cîmpului geomagnetic din interiorul Pămîntului. Nu o vom face însă, căci aceasta ar depăși cadrul pe care ni l-am impus prin limitarea descifrărilor mesajelor terestre la cele actuale. De altfel, eliminarea primelor trei posibilități este relativ ușoară, pentru motive de incompatibilitate a mecanismului, pe care ele îl sugerează, cu alte informații geofizice asupra condițiilor din interiorul Globului. Nici existența unui dipol permanent și nici magnetizarea uniformă permanentă, fie numai în nucleu fie și în mantaua terestră, nu se împacă cu temperaturile ridicate din interiorul Pămîntului iar ordinul de mărime a cîmpului ar implica valori ale momentului magnetic al dipolului, respectiv ale intensităților de magnetizare, inconsistente cu proprietățile cunoscute ale materiei, chiar admițînd o eventuală variație a acestor proprietăți, studiate și determinate în laborator, în condițiile termodinamice diferite existente în adîncul planetei noastre.

Rămîne, astfel, în picioare numai a patra modalitate de descifrare, cea care identifică partea regulată a cîmpului geomagnetic principal cu cîmpul produs de curenți electrici care circulă în nucleu. Limitată la acești termeni, descifrarea este nesatisfăcătoare, ea fiind cu totul incompletă. Ea nu face decît să deplaseze partea cifrată a mesajului de la nivelul producerii cîmpului magnetic la acela al generării curenților electrici cărora el le este atribuit, ridicînd o problemă deloc mai simplă: care este mecanismul producerii și menținerii acestor curenți? Mai mult, întrucît s-a stabilit că în trecutul Pămîntului au avut loc inversări ale sensului cîmpului, cu păstrarea în linii mari a direcției lui, se pune și întrebarea privitoare la mecanismul inversării sensului curenților care îi dau naștere. Este o legătură între acești curenți, deci și între cîmpul magnetic produs de ei, și rotația terestră? Pe de altă parte, care este cauza variației seculare a cîmpului geomagnetic principal? Apoi, trecînd de la cîmpul dipolic la cel real — mesajul autentic al Pămîntului —, se ridică chestiunea părții neregulate, nedipolice, a lui.

Reprezentat de termenii de ordin superior ordinului I din desfășurarea în serie de funcții armonice sferice a cîmpului geomagnetic, cîmpul nedipolic, numit și cîmp neregulat sau cîmp al lui Bauer, a fost considerat, pînă nu demult, ca datorit magnetizării neuniforme a crustei terestre; a și fost numit, ca atare, cîmp crustal. Cercetări recente, bazate în particular pe măsurători efectuate cu aparate transportate de rachete și sateliți artificiali ai Pămîntului, au arătat că sediul cauzelor acestui cîmp este situat și el foarte adînc, probabil tot în nucleu așa încît tot curenților responsabili de producerea părții dipolice a cîmpului geomagnetic ar trebui să li atribuie și abaterile de la regularitățile ei care constituie partea nedipolică a cîmpului. De asemenea s-a stabilit că, independent de natura sa fizică, variația seculară geomagnetică este datorită unui mecanism al cărui substrat fenomenologic trebuie să-și aibă sediul în nucleu sau cel puțin în mantaua inferioară.

Imaginea aceasta, care deja nu mai este simplă, devine și mai complicată dacă se ține seama de diverse particularități continentale și regionale ale cîmpului geomagnetic principal și ale variației lui seculare, în mod evident semnificative și cunoscute acum nu numai în distribuția lor geografică actuală ci și într-un vast complex spațio-temporal tetradimensional. Cu alte cuvinte, problema pe care trebuie s-o rezolve descifrarea mesajului geomagnetic reprezentat de cîmpul magnetic principal al Pămîntului este la ora actuală aceea a explicării diverselor caracteristici ale distribuției acestui cîmp în spațiul din jurul Pămîntului, nu numai la suprafața terestră, și a evoluției lor în timp, nu numai la un moment dat.

Departe de a fi rezolvat această problemă, cercetările întreprinse și conduse cu asiduitate în scopul elucidării ei au deschis, totuși, perspective promițătoare. Liniile mari ale mecanismului de producere a cîmpului geomagnetic principal sînt deja schițate și ceea ce rămîne de făcut — desigur încă mult — este în special să se elaboreze bazele cantitative ale descifrării și să i se finiseze unele aspecte mai de detaliu, care sînt, totuși, semnificative pentru înlănțuirea fenomenelor.

În esență, descifrarea, spre a cărei desăvîrșire se merge în prezent, are loc în cadru magnetohidrodinamic, adică producerea cîmpului geomagnetic principal este atribuită unor fenomene legate de deplasarea în cîmp magnetic a unor medii fluide și cu conductibilitate electrică. Concepțiile actuale, bazate pe cercetări teoretice și pe experiențe în condiții cel puțin comparabile cu cele din interiorul Globului, oferă perspectiva explicării celor mai multe dintre „constrîngerile” indicate mai înainte, adică a caracteristicilor și a principalelor particularități ale distribuției spațio-temporale a cîmpului geomagnetic principal. Ele abordează chiar și problema, deloc simplă, a explicării deplasărilor polilor magnetici tereștri în raport cu cei de rotație, cu care nu numai că sînt compatibile dar chiar le cer cu necesitate. Apoi, spre deosebire de alte concepții — ca, de exemplu, cele bazate pe existența unor curenți termoelectrici legați de eterogenități de constituție și de temperatură, la a căror producere și menținere ar contribui curenții de convecție și dezintegrările radioactive din interiorul Pămîntului —, concepțiile magnetohidrodinamice furnizează și o explicație rezonabilă a schimbărilor relativ rapide ale părților nedipolice ale cîmpului geomagnetic principal, atribuindu-le turbulenței din zonele exterioare ale nucleului terestru. Mai mult, încă: aceste concepții sînt compatibile — chiar dacă încă nu conduc la explicații perfect coerente — cu inversări ale polarității cîmpului geomagnetic, în decursul timpului.

Oprindu-ne aici — cam în punctul în care se opresc azi înseși imaginile calitative ale descifrărilor despre care este vorba —, să amintim, măcar în treacăt, și niște prelungiri ale studiului cîmpului geomagnetic principal în complexul spațio-temporal tetradimensional care prezintă importanță nu numai pentru cunoașterea evoluției acestui cîmp și a unor caracteristici semnificative ale lui — deci și pentru descifrările de mesaj amintite mai sus — ci și pentru problema pe care o vom discuta în ultimul capitol al acestei scrieri: imaginea dinamică a structurii Pămîntului. Este vorba de informațiile ce se obțin cu privire la cîmpul geomagnetic din trecut, pe baza studiului magnetizării unor roci și chiar a unor obiecte artificiale, ca vase arse sau cărămizi, de vîrstă cunoscută. Cercetările întreprinse, pe această cale, cu privire la cîmpul geomagnetic din trecut — dacă este vorba de trecutul preistoric sau istoric ele se numesc arheomagnetice, iar în cazul trecutului geologic se utilizează termenul de paleomagnetism — se bazează pe premisa că probele studiate s-au magnetizat în condițiile existente în momentul „formării” lor și că au păstrat nealterată pînă astăzi această magnetizare. Ceea ce se studiază astăzi, pe baza măsurării direcției și intensității magnetizării acestor probe, reprezentate de roci sau obiecte de pămînt ars, ar corespunde, deci, cîmpului geomagnetic din epoca „formării” probelor. Aceasta înseamnă momentul răcirii sub punctul Curie — temperatura începînd de la care în jos are loc magnetizarea — pentru rocile eruptive, respectiv al cimentării particulelor magnetice care, înainte de depunere, se orientează în direcția cîmpului geomagnetic, în cazul rocilor sedimentare, și momentul răcirii, după ardere, a obiectelor artificiale amintite.

În cadrul unor ipoteze rezonabile, privind mecanismul și stabilitatea magnetizării inițiale și caracterul dipolic al cîmpului geomagnetic principal în tot trecutul Pămîntului, foarte numeroase cercetări paleomagnetice — cele arheomagnetice privesc intervale de timp foarte scurte și prea apropiate de prezent pentru a avea o însemnătate de ordin gnoseologic, avînd totuși una de natură metodologică, importantă pentru justificarea ipotezelor admise — au condus la stabilirea cîtorva fapte de valoare deosebită pentru descifrarea mesajelor geomagnetice. Dintre acestea menționăm, ca avînd semnificație specială la scară planetară: inversarea repetată a polarității cîmpului geomagnetic în trecut, migrarea polilor magnetici și deriva continentelor.

Bine datate, prin determinări de vîrstă relativă și absolută, numeroase probe de roci, din diverse amplasamente de pe Glob, au arătat, pentru diverse vîrste, magnetizări cînd normale — adică în sensul cîmpului geomagnetic de astăzi —, cînd inverse. Reciproc compatibile atît în cazul determinărilor făcute pe lave solidificate în diverse epoci, pentru timpuri mai recente, cît și în cazul celor efectuate pe probe de roci sedimentare, de asemenea de diverse vîrste, pentru timpuri îndepărtate, rezultatele paleomagnetice au pus lămurit în evidență generalitatea inversării sensului cîmpului geomagnetic principal, pentru întregul Glob, deci și inversarea curenților electrici din nucleu responsabili de producerea lui.

Pe de altă parte, studiul paleomagnetic foarte îngrijit al unor roci sedimentare din aceeași regiune dar de vîrste diferite, bine cunoscute, a condus — în cadrul imaginii distribuției dipolice a cîmpului —, la amplasări diferite ale polilor magnetici ai Pămîntului, în decursul timpului geologic, deci la migrația polilor. Astfel de determinări făcute pentru roci reprezentînd o lungă serie de vîrste dar provenind dintr-o regiune de dimensiuni relativ reduse — un asemenea caz este, de exemplu, cel al Angliei — au permis chiar trasarea curbei descrise de polul geomagnetic de-a lungul timpului.

În fine, informații obținute cu probe de aceeași vîrstă, luate din locuri diferite, împrăștiate pe întregul Glob, cu privire la amplasarea polilor magnetici într-o aceeași epocă geologică n-au putut fi puse de acord decît admițîndu-se o deplasare relativă a locurilor respective, situate pe continente diferite, deci postulînd deriva continentală. Semnificative din acest punct de vedere sînt rezultatele determinărilor paleomagnetice efectuate asupra unor probe de roci de aceeași vîrstă din America de Nord, din Anglia și din India, rezultate care devin intrinsec compatibile numai dacă se admite o anumită distribuție geografică relativă a punctelor de luare a probelor, diferită de cea de astăzi.

Figura 2

2. Descifrarea unui mesaj enigmatic: direcții paleomagnetice aparent discordante.

Pentru ilustrarea unui aspect particular pe care-l prezintă descifrarea unui mesaj paleomagnetic și pentru aprecierea plauzibilității ipotezei privitoare la stabilitatea magnetizării „paleomagnetice”, este schițat în figura 2 un caz special dar real de asemenea magnetizare. Două probe de rocă, bine identificate petrografic și stratigrafic ca aparținînd aceleiași formațiuni geologice, luate în punctele A și B (figura 2a), prezintă direcții de magnetizare cu totul diferite: orizontală în punctul A și verticală în B. Aceste direcții sînt imposibil de explicat în cadrul conceptual admis, atît din punctul de vedere al compatibilității lor mutuale cît și din acela al acordului cu imaginea distribuției dipolice a cîmpului geomagnetic, care ar implica amplasarea, în epoca magnetizării, la ecuatorul magnetic pentru punctul A și la polul magnetic boreal pentru punctul B. Punîndu-se, însă, în evidență structura formațiunii din care s-au extras cele două probe și faptul că ele au fost luate, respectiv, de pe cele două flancuri ale cutei anticlinale prezentate de formațiunea respectivă (figura 2b), enigma a fost lămurită prin constatarea că este vorba de o aceeași direcție a magnetizării în epoca în care a avut loc fenomenul: o direcție înclinată în raport cu orizontala locului, dar pentru poziția nedeformată, orizontală, a întregului strat sedimentar, înaintea cutării lui.

Exemplul este deosebit de elocvent atît pentru stabilitatea magnetizării, care nu a fost afectată de procesul de cutare, cît și pentru caracterul dipolic al cîmpului din epoca „formării” rocii, care a produs magnetizarea. Simultan, acest exemplu de descifrare a unui mesaj enigmatic, la prima vedere, sugerează posibilități promițătoare de valorificare pe plan geologic a datelor paleomagnetice.

Încheind această lungă și, totuși, incompletă trecere în revistă a problemelor descifrării actuale a mesajului „variat și complicat” constituit de cîmpul geomagnetic principal și diversele lui caracteristici și particularități, vom sublinia, o dată mai mult, bogăția de informații care rezultă din această operație, doar schematic prezentată în cele ce preced: situarea sediului cauzelor care produc acest cîmp în interiorul Pămîntului; precizarea mai de aproape a localizării lor, anume în apropierea discontinuității care separă nucleul terestru de manta; prezența unei conductibilități electrice ridicate în zona corespunzătoare; natura magnetohidrodinamică a fenomenelor responsabile de generarea cîmpului geomagnetic principal; desfășurarea unor procese asociate, de turbulență, de care sînt legate unele variații relativ rapide ale acestui cîmp; particularități ale mecanismului care provoacă variația seculară și partea nedipolică a cîmpului; inversări ale cîmpului geomagnetic principal în trecut, cu menținerea orientării axei dipolului imaginar; migrația polilor geomagnetici; deriva continentelor; etc. Dacă ar fi numai aceste informații privitoare la Pămînt care ar rezulta din descifrarea mesajului al cărui purtător este cîmpul geomagnetic principal, și încă magnetismul terestru ar contribui cu o pondere însemnată la documentarea geofizică pe care se bazează cunoașterea și înțelegerea anatomiei și fiziologiei planetei noastre. Mai sînt, însă, și cele două cîmpuri ale schimbărilor tranzitorii geomagnetice, cu alte substraturi fizice și cu alte posibilități de a contribui la formarea unei imagini coerente despre Pămînt și viața lui.

Pentru aprecierea potențialităților de mesaj al Pămîntului pe care le prezintă cîmpul geomagnetic al variațiilor calme, este indicată o examinare, fie cît de sumară, a principalelor lui caracteristici. O vom face pe baza manifestărilor morfologice ale acestor caracteristici, așa cum apar ele în înregistrările continue de la observatoarele geomagnetice în intervalele de „calm magnetic”; vom utiliza, pe lîngă aceasta, și cîteva indicații rezultate din tratamente statistice ale datelor de înregistrare.

Am anticipat deja că starea de calm magnetic nu înseamnă absența de schimbări în cîmpul geomagnetic, ea implică, însă, un caracter lent și regulat al lor, fapt pentru care au și fost numite variații calme. Evoluția în timp a oricăruia dintre elementele geomagnetice înregistrate — de regulă D, H și Z — este redată pe magnetograme, în epocile de calm al cîmpului geomagnetic, printr-o curbă cu un mers monoton, fără particularități neregulate, prezentînd totuși abateri de la o linie dreaptă. Ceea ce atrage atenția în magnetograma unei zile calme din punct de vedere magnetic este apariția, în cele trei curbe care reprezintă variația elementelor geomagnetice înregistrate, a unei unde de variație, cu aspecte diferite pentru cele trei elemente dar manifestîndu-se numai în porțiunea de zi în care Soarele se găsește deasupra orizontului la locul de înregistrare. În timpul nopții, curbele au un mers aproape rectiliniu, în direcția efectuării înregistrării, adică paralel cu axa timpului, ceea ce arată cvaziconstanța cîmpului geomagnetic în acest interval, deci absența variațiilor.

Prin intermediul înregistrării elementelor geomagnetice, se pune, astfel, în evidență o variație a cîmpului care, din punct de vedere morfologic, este calmă iar ca desfășurare în timp este periodică, repetîndu-se în fiecare interval de timp de 24 de ore care reprezintă o zi solară (dar putînd fi mascată de perturbații, în epocile de mare agitație geomagnetică).

Numită variație diurnă solară calmă, ea se recunoaște de la prima vedere pe magnetograme, în zilele de calm magnetic, reprezentînd singura abatere, în înregistrări, de la monotonia totală a liniilor drepte care ar indica absența oricăror variații. Pe lîngă această variație manifestă, s-a reușit să se pună în evidență — prin procedee statistice adecvate — existența unei variații cu o amplitudine mult mai mică (circa o zecime din a celei precedente) și de aceea nedetectabilă direct chiar în intervale de calm magnetic. Ea are perioada de 24 de ore și 50 de minute, care reprezintă intervalul de timp dintre două treceri succesive ale Lunii la meridianul locului, adică ziua lunară, și este numită în consecință variație diurnă lunară.

Ambele variații diurne prezintă o variație anuală a amplitudinii lor, mai mare în timpul verii și mai mică în timpul iernii, cu valori evident intermediare în anotimpurile echinocțiale. În afară de aceasta, simpla succesiune a valorilor medii lunare — adică luate pentru un interval de o lună — ale elementelor geomagnetice pune în evidență, într-un loc dat (de obicei un observator geomagnetic, căci acolo se dispune de datele de observație necesare pentru un asemenea scop), un mers care arată o variație anuală a cîmpului geomagnetic.

Prelucrări statistice folosind în esență metoda mediilor mobile în timp — o mediere efectuată pentru un același interval de timp, centrat, însă, pe diferite „epoci” — au arătat că mai există o variație care se desfășoară în paralel cu activitatea solară, cu maxime ale valorilor medii ale elementelor geomagnetice în epocile de maxim de activitate solară și cu minime în epocile de minim ale acesteia. Fără a fi strict periodice, întrucît ciclul de activitate solară are o durată de 11 ani doar ca valoare medie — putînd fi, în realitate, ceva mai lung sau ceva mai scurt —, această variație este numită variație ciclică undecenală.

Pentru întregirea fizionomiei cîmpului variațiilor calme, trebuie să adăugăm cîteva informații privind unele caracteristici pe care le prezintă aceste variații în funcție de poziția pe Glob a locului de înregistrare. Mai întîi, este evident că, manifestîndu-se exclusiv în perioada de lumină a zilei, ele sînt legate, ca moment de aparitie și ca desfășurare ulterioară, de timpul local al amplasamentului observatorului, deci morfologic pot fi considerate ca fiind o funcție de acest timp, cu alte cuvinte de longitudinea locului. În al doilea rînd, pentru o aceeași zi, amplitudinea variațiilor geomagnetice calme depinde și de latitudinea punctului considerat: fără a fi vorba de o lege simplă de variație, amplitudinea scade, în general, cu creșterea latitudinii. În fine, aceste variații calme prezintă și unele particularități cu totul locale — de exemplu, accentuări relative ale variației componentei verticale a cîmpului sau inversări ale sensului variației ei —, care pun în evidență o influență a structurii mai mult sau mai puțin adînci a subsolului regiunii.

Toate aceste regularități ale distribuției geografice a variațiilor calme au fost stabilite pentru variația diurnă solară, cea de amplitudine mai mare și oarecum mai reprezentativă. De altfel, celelalte variații calme — cu excepția celei diurne lunare — rezultă din medieri care nu numai că nu înlătură contribuția variației diurne solare dar chiar vădesc evoluția amplitudinii acesteia în timpul unui an, respectiv într-un ciclu de activitate solară.

Toate variațiile geomagnetice calme: diurnă solară, diurnă lunară, anuală și undecenală sînt desemnate la un loc fie prin termenul de variații calme, care subliniază caracterul manifestării lor, directe sau indirecte, fie prin acela de variații periodice, care atrage atenția asupra regularității distribuției lor în timp. Deși denumirea de variații periodice este folosită mai frecvent pentru a le indica, ea nu le desemnează cu exclusivitate, căci — așa cum vom vedea mai încolo — există schimbări ale cîmpului geomagnetic cu caracter de perturbații, care nu sînt periodice. De aceea este de preferat denumirea de variații geomagnetice calme, respectiv aceea de cîmp geomagnetic al variațiilor calme.

Examinarea cîmpului variațiilor calme sub aspectul de mesaj terestru, purtător de informații asupra fenomenelor care-l generează, arată imediat că avem de a face cu un caz constituind un excelent exemplu de ceea ce înseamnă un mesaj al Pămîntului — în accepțiunea cuvîntului pe care am convenit s-o adoptăm — și de felul în care elementele lui componente pot fi utilizate pentru a i se efectua descifrarea. De aceea, în loc de a da, pur și simplu, rezultatele acestei descifrări, vom indica ceva mai pe larg, pentru acest caz, mecanismul și principalele etape ale obținerii lor.

Pentru început, facem observația că descifrarea desfășurării în timp a variației diurne solare se simplifică în mod sensibil dacă se utilizează o imagine care nu este o descifrare ci doar o transpunere într-un alt cifru a mesajului corespunzător: imaginea unui uriaș pol magnetic sud care s-ar deplasa, în emisfera boreală, la mare altitudine, de la est spre vest, în medie de-a lungul paralelului de 40°, cu meridianul orei 11. Această operație analoagă cu descrierea cîmpului geomagnetic principal drept cîmpul unui dipol central, prezintă avantajul că, în noul cifru, mesajul devine mai accesibil încercărilor de descifrare.

Constatîndu-se că, în linii mari, totul se petrece în desfășurarea variațiilor calme ca și cînd ar exista un asemenea pol magnetic — pentru emisfera australă imaginea corespunzătoare este aceea a unui pol magnetic nord —, într-a doua etapă urmează să se găsească echilibrul fenomenologic al acestor poli magnetici imaginari. Ar fi vorba de o înlănțuire de fenomene compatibile cu condițiile fizice reale din atmosfera înaltă, satisfăcînd, printr-un mecanism fizic plauzibil, caracteristicile principale ale variațiilor calme și oferind perspectiva explicării cît mai multor particularități ale lor.

Faptul că variațiile geomagnetice calme se manifestă precumpănitor în variația diurnă solară, că aceasta apare numai în intervalul luminat al zilei și că efectele evoluează odată cu înălțimea Soarelui deasupra orizontului locului furnizează trei prime elemente pentru tentativa de descifrare: intervenția, cu rol preponderent, a unui agent solar, propagarea lui în linie dreaptă de la Soare la Pămînt și dependența acțiunii lui de unghiul sub care are loc incidența pe Pămînt. Alte indicații prețioase pentru reușita acestei tentative rezultă din caracteristicile variației diurne lunare: participarea și a unui agent lunar la producerea fenomenelor care generează variațiile calme și dependența efectelor lui de poziția reciprocă a celor trei corpuri: Pămîntul, Luna și Soarele. În fine, și variația anuală și undecenală contribuie cu informații utile pentru descifrare: eficiența agentului solar determinant în producerea și desfășurarea fenomenelor-substrat variază cu poziția Pămîntului față de Soare în decursul unui an și cu intensitatea activității solare de-a lungul unui ciclu al acesteia.

Evident, trebuie să se țină seama și de sugestia dată de analiza armonică sferică și amintită mai înainte, anume că există și o parte internă a fenomenelor din a căror înlănțuire rezultă variațiile calme. Această sugestie este confirmată de existența particularităților locale ale variațiilor calme, legate în mod clar de structura și proprietățile subsolului.

Înainte de a prezenta rezultatul descifrării actuale a mesajului terestru reprezentat de cîmpul variațiilor geomagnetice calme, trebuie precizat că elementelor indicate mai înainte este necesar să li se adauge unul, care în epoca primelor încercări de descifrare — către sfîrșitul secolului trecut — era complet ipotetic dar a cărui realitate este astăzi un fapt pus direct în evidență: existența unor straturi bune conducătoare de electricitate în atmosfera înaltă.

Într-adevăr, polii magnetici imaginați ca mobili în aceste zone și reprezentînd o modalitate de ușurare a descrierii morfologiei variațiilor calme nu pot avea o existență reală. În schimb, funcțiunea lor poate fi îndeplinită perfect de un sistem de curenți electrici de caracteristici determinate, care ar circula în porțiunile superioare ale atmosferei terestre. Producerea și menținerea unor asemenea curenți este condiționată, însă, independent de mecanismul de asigurare a forței electromotrice necesare, de buna conductibilitate electrică a mediului, adică a straturilor atmosferei superioare.

Deși o asemenea concepție era în contradicție flagrantă cu tot ce se știa atunci despre proprietățile gazelor și, în particular, cu extrapolarea pentru altitudini mari a proprietăților atmosferei de la suprafața Pămîntului — chiar, sau mai ales, ținînd seama de scăderea densității cu înălțimea —, ea s-a impus. Astfel, pe baze geomagnetice, a fost postulată pentru prima dată existența ionsferei, care ulterior a fost demonstrată de la distanță prin particularități ale propagării undelor de radio, reflectate de ea, și prin sondaje electromagnetice ad hoc iar, recent, la fața locului, prin determinări efectuate cu ajutorul rachetelor și al sateliților artificiali ai Pămîntului. La ora actuală, ceea ce se numea, cu trei sferturi de secol în urmă, „stratul Kennelly-Heaviside”, imagine ipotetică necesară pentru a se explica nu numai producerea variațiilor geomagnetice calme ci și transmiterea — realizată de Marconi — a undelor de radio peste Atlantic, este o realitate bine demonstrată, cu o structură complicată.

Figura 3

3. Structura schematică a ionosferei.

O imagine suprasimplificată, în scopul descifrării de mesaj care ne interesează, este reprezentată în figura 3. La altitudini cuprinse între circa 100 și 400 de kilometri gazele care alcătuiesc atmosfera sînt ionizate și devin, astfel, bune conducătoare de electricitate, prezentînd o stratificare în această zonă a atmosferei înalte, numită ionosferă. În afară de un strat D de la partea inferioară a ionosferei, care nu este reprezentat în figură, există un strat E, continuu în partea luminată a Pămîntului dar prezentînd mari discontinuități în timpul nopții („stratul sporadic” Es) și un strat continuu peste tot F, care este afectat de o dedublare în timpul zilei, manifestîndu-se de fapt ca două straturi F1 și F2. Dacă ar apărea o forță electromotrice, este evident că aceste straturi ar deveni sediul unor curenți electrici, producători de cîmpuri magnetice.

Cu aceasta am ajuns la prezentarea imaginii coerente a ansamblului de fenomene la care conduce integrarea într-un sistem unitar a tuturor elementelor deduse din caracteristicile morfologice ale variațiilor geomagnetice calme și a celor adăugate ca postulate necesare, justificate ulterior. Ca descifrare actuală a ansamblului variațiilor calme ale cîmpului geomagnetic se consideră înlănțuirea complexă de fenomene schițată sumar în cele ce urmează.

Sub influența radiațiilor electromagnetice de lungimi de undă mici ale Soarelui — radiații ultraviolete UV și raze X —, se produce ionizarea gazelor din atmosfera superioară terestră, cu apariția straturilor care constituie ionosfera, bune conducătoare de electricitate. Deplasarea, sub acțiunea de maree exercitată de Soare și Lună, prin atracție gravitațională a acestor straturi în cîmpul geomagnetic principal, datorit cauzelor interne, provoacă apariția unor forțe electromotrice de inducție, care determină producerea unor curenți electrici în ionosferă, în partea „de zi” a ei. Acești curenți, variabili în timp, produc la rîndul lor, prin inducție în subsolul conductor, niște curenți electrici numiți curenți telurici. Cîmpurile magnetice suprapuse ale sistemelor de curenți electrici din ionosferă și ale curenților telurici formează ceea ce se înregistrează global ca variații geomagnetice calme.

Este simplu să se identifice, în termeni calitativi, în această imagine complexă — căreia îi corespund suporturi cantitative elaborate în cadrul unor dezvoltări matematice complicate și subtile — diversele elemente corespunzătoare caracteristicilor și particularităților din mesajul descifrat. Agentul solar principal, responsabil de producerea variațiilor calme este reprezentat de radiațiile solare electromagnetice UV și X, care se propagă în linie dreaptă de la Soare la Pămînt. Active, astfel, numai în timpul zilei, eficiența lor în procesul de ionizare pe care-l provoacă în atmosfera înaltă depinde de absorbția lor acolo și aceasta depinde de incidența radiațiilor, variabilă, în decursul unei zile, cu înălțimea Soarelui deasupra orizontului și, în decursul unui an, cu poziția Pămîntului față de Soare. Pe de altă parte, intensitatea radiațiilor UV și X emise de Soare este variabilă de-a lungul ciclului de activitate solară, de unde și variațiile corespunzătoare ale efectelor lor în cîmpul geomagnetic al variațiilor calme. În fine, particularitățile locale ale fenomenului sînt legate de conductibilitatea electrică a subsolului în care se induc curenții telurici, variabili ca densitate de curent — pentru o aceeași forță electromotrice — cu această conductibilitate. Curenții telurici reprezintă, astfel, treimea din cauzele variațiilor geomagnetice calme pe care analiza armonică sferică o atribuie interiorului Globului.

Se înțelege că ponderea mare în producerea variațiilor geomagnetice calme o are Soarele, care intervine atît în procesul determinant al ionizării cît și în provocarea fenomenului de flux și reflux al atmosferei superioare, pe cînd rolul Lunii este cu mult mai modest, limitat la intervenția ei în acest fenomen de maree atmosferice. Pămîntul însuși participă la acest fenomen prin cîmpul său magnetic principal.

Ca și în cazul pe care am terminat de a-l examina al variațiilor geomagnetice calme, este recomandabil ca, înainte de a schița descifrarea actuală a mesajului terestru al cîmpului perturbațiilor geomangetice, să facem o scurtă trecere în revistă a principalelor caracteristici morfologice ale fenomenului global pe care-l constituie aceste perturbații. Operația va trebui să fie completată, și pentru acest caz, cu aducerea cîtorva informații suplimentare. Acestea vor privi, însă, de astă dată, aspecte extrinsece fenomenului terestru propriu-zis, legate de activitatea solară.

Deși complexă prin aspectele morfologice ale manifestărilor ei ca și prin conținutul fenomenologic, noțiunea de perturbație geomagnetică este relativ ușor de definit, prin punerea în contrast cu aceea de calm magnetic. Vom caracteriza, astfel, în primul rînd, starea de perturbație (sau agitație) geomagnetică prin absența oricărei regularități vizibile în evoluția în timp a oricăruia dintre elementele geomagnetice urmărite prin înregistrările continue de la observatoarele magnetice.

Deosebiri esențiale între perturbațiile și variațiile calme ale cîmpului geomagnetic, din punctul de vedere al indicațiilor asupra substratului fizic al fenomenelor sînt prezentate, însă, în particular, de două caracteristici morfologice: izbucnirea și desfășurarea perturbațiilor în orice interval, luminat sau de întuneric, al duratei de 24 de ore a zilei și simultaneitatea apariției lor pe întreg Globul. Independente, în felul acesta, de longitudine, perturbațiile geomagnetice prezintă, totuși, o dependență, foarte complicată însă, de latitudine, efectele fiind, de astă dată, mai intense la latitudini mari.

O regularitate importantă se remarcă în desfășurarea în timp a perturbațiilor geomagnetice, în forma lor cu cel mai ridicat grad de agitație, cunoscută sub numele de furtună magnetică: independent de momentul apariției — care se poate situa la orice oră din zi sau din noapte —, în componenta orizontală are loc, mai întîi, brusc sau progresiv, o creștere (faza inițială), urmată de o scădere apreciabilă a valorii acestei componente (faza principală sau de paroxism), după care urmează o revenire lentă spre valoarea ei neperturbată (faza de relaxare sau de „convalescență”). O altă caracteristică semnificativă este creșterea pe care o prezintă componenta verticală a cîmpului geomagnetic în după-amiaza unei zile de perturbație. Este vorba de o manifestare periodică în desfășurarea perturbațiilor geomagnetice, care se numește perturbație diurnă.

Perioade bine marcate în evoluția în timp a perturbațiilor geomagnetice sînt intervalele de 1 an, reprezentînd durata revoluției terestre, și de 11 ani, corespunzînd ciclului de activitate solară. Prima nu se manifestă, însă, în intensitatea fenomenelor — cum era cazul pentru variațiile calme — ci numai în numărul lor: în anotimpul geomagnetic echinocțial (format din lunile martie-aprilie și septembrie-octombrie) perturbațiile sînt sensibil mai numeroase decît în timpul verii geomagnetice (formată din lunile mai, iunie, iulie și august) sau în timpul iernii geomagnetice (lunile noiembrie, decembrie, ianuarie și februarie), ambele comparabile din punctul de vedere al frecvenței de apariție a perturbațiilor geomagnetice. În privința perioadei undecenale, trebuie subliniat că ea se recunoaște atît în numărul de perturbații cît și în intensitatea lor, variabile în perfect paralelism cu activitatea solară, de-a lungul celor 11 ani ai ciclului acesteia. O perioadă interesantă — care se mai manifestă în evoluția în timp a perturbațiilor geomagnetice, fără a apărea în mersul variațiilor calme — este intervalul de timp de 27 de zile al rotației Soarelui în jurul axei proprii (valoare medie, corespunzătoare latitudinilor heliografice mijlocii): furtunile magnetice prezintă o tendință de repetare, cu intensități descrescînde, după acest interval. Există, în fine, multe particularități în desfășurarea oricărei perturbații geomagnetice, ca formă de prezentare și ca amplitudine, unele cu evidente manifestări locale, în acord cu indicațiile analizei armonice sferice, care atribuie și acestor schimbări în timp ale cîmpului geomagnetic o parte internă a cauzelor care le determină, așa cum am văzut mai înainte.

Legătura cu fenomenele solare fiind evidentă și în acest caz, faptul că perturbațiile pot apărea, și chiar apar frecvent, și în partea de noapte a Pămîntului arată că trebuie să intervină un agent solar capabil să se propage și pe traiectorii diferite de o linie dreaptă. Întrucît acest agent a fost identificat a fi radiația corpusculară a Soarelui, vom da aici cele cîteva informații care o privesc, anunțate deja ca extrinsece fenomenului terestru al perturbațiilor geomagnetice.

În urma unor procese a căror natură fizică este numai parțial explicată la ora actuală, Soarele emite în spațiul interplanetar, cu intensități foarte variabile, și o radiație corpusculară, indicată prescurtat, în mod obișnuit, prin litera K, formată dintr-un flux de atomi și de particule încărcate electric, ioni — în particular protoni — și electroni. Pe lîngă neuniformitatea temporală a emisiunii, radiația K este caracterizată și printr-o marcată neregularitate spațială, datorită repartiției cu totul întîmplătoare a surselor ei pe suprafața Soarelui, direcțiilor corespunzător capricioase în care e dirijată și înseși propagării ei intrinsec perturbante.

Ea pleacă din anumite regiuni ale Soarelui (numite de geomagneticieni regiuni M), legate de petele solare sau, poate, chiar reprezentate de acestea. Fluxul de radiații corpusculare, neutru în ansamblu, constituind deci o plasmă — numită și gaz solar sau, mai frecvent, vînt solar —, poate ajunge la Pămînt, dacă este dirijat spre el. Cîmpul magnetic principal al acestuia exercită o acțiune deviatoare asupra particulelor electric încărcate care alcătuiesc fluxul radiației K. De fapt, interacțiunea dintre cîmpul geomagnetic și vîntul solar este mult mai complexă — este vorba de o acțiune într-adevăr reciprocă, guvernată de legile magnetohidrodinamicii — și duce la formarea acelor porțiuni depărtate ale domeniului terestru exterior ionosferei, desemnat mai întîi ca exosferă și apoi, ținîndu-se seama de rolul determinant pe care-l are cîmpul magnetic în desfășurarea fenomenelor ce au loc acolo, cu numele de magnetosferă. Abătîndu-se cu mult mai mult decît ionosfera — destul de asimetrică și ea — de la simetria generală a celorlalte geosfere, care, cu excepția hidrosferei și a biosferei, sînt practic sfere concentrice, magnetosfera nu-și justifică deloc a doua jumătate a numelui.

Figura 5

4. Imaginile de ieri și de azi ale cîmpului geomagnetic extern.

Magnetosfera are forma indicată în figura 4, în care sînt reprezentate, în paralel, concepțiile despre distribuția spațială a cîmpului geomagnetic extern, valabile pentru lumea științifică în epocile 1950 și 1970. În opoziție cu simetria perfectă a distribuției dipolice a acestui cîmp, în ipoteza absenței complete a materiei în spațiul interplanetar, caracterizat ca vacuum, imagine admisă acum un sfert de secol (partea din stînga a figurii 4), se situează imaginea de azi, complet asimetrică, în care cîmpul geomagnetic apare ca distorsionat sub influența vîntului solar și limitat la zona care formează magnetosfera, în interiorul „tecii” acesteia.

De fapt, structura magnetosferei prezintă o complicație mult mai mare. Pentru problemele legate de perturbațiile geomagnetice, examinate aici sub aspectul de mesaj al Pămîntului, care urmează să fie descifrat doar în termeni calitativi, informațiile date pînă acum sînt, totuși, suficiente, furnizînd punctele de sprijin mai importante. Mai este, poate, bine să semnalăm și existența zonei aurorale, care coboară pînă în ionosfera inferioară, și a regiunii-capcană, în care sînt capturate particule ale vîntului solar, constituind așa-numitele centuri de radiație ale Pămîntului sau zonele lui Van Allen.

Să trecem acum la prezentarea imaginii care rezultă din descifrarea mesajului terestru al cîmpului perturbațiillor magnetice, în cadrul fixat de morfologia lor și de cunoștințele actuale privitoare la activitatea solară și la interacțiunea dintre vîntul solar și cîmpul geomagnetic. Vom începe prin a constata că, așa cum prevedeau vechile calcule ale lui Störmer și experiențele tot atît de vechi ale lui Birkeland cu o Terrella modernă, introdusă într-un spațiu cu aer rarefiat și supusă unui flux de raze catodice — unele și altele din primul sfert al secolului nostru —, particulele încărcate electric care constituie plasma solară, ajungînd în cîmpul geomagnetic, sînt deviate de acesta și se distribuie în planul ecuatorului geomagnetic, formînd un curent electric inelar, de rază egală cu cîteva raze terestre, și în două spirale deasupra regiunilor polare. Aceste spirale, răsucite în jurul axei geomagnetice, deci dipolice, și nu în raport cu axa magnetică reală a Pămîntului, pătrund relativ adînc în atmosferă și dau naștere fenomenelor luminoase cunoscute sub numele de aurore polare (boreale și australe).

Efectele magnetice ale curentului inelar și ale spiralelor polare constituie o parte a ceea ce observăm noi în înregistrări ca perturbații geomagnetice. O altă parte a acestor perturbații este datorită modificării conductibilității straturilor ionosferice de către particulele încărcate cu electricitate pătrunse în ele, ceea ce duce la deformarea sistemelor de curenți care provoacă variațiile calme diurne. Fenomene de natură magnetohidrodinamică — constînd în oscilații ale plasmei care capătă o rigiditate transversală față de liniile de cîmp ale cîmpului geomagnetic — se adaugă celorlalte categorii de procese. Inducția de curenți electrici în Pămînt, sub influența curenților variabili responsabili de producerea perturbațiilor — alții decît cei care produc variațiile geomagnetice calme — complică și ea fenomenele, cu efecte locale, determinate de conductibilitatea subsolului. Un mecanism imaginat în urma descoperirii centurilor de radiații din jurul Pămîntului atribuie, în fine, cel puțin o parte din perturbațiile geomagnetice efectelor magnetice ale particulelor solare care, pătrunzînd în cîmpul geomagnetic, sînt capturate de acesta și obligate să circule în zonele de radiație.

Din această schemă a substratului fizic al perturbațiilor geomagnetice, este de reținut complicația aproape inextricabilă a fenomenelor, în care neuniformitatea în timp a emisiunii radiației corpusculare solare este asociată cu neregularitățile distribuției ei spațiale, ca urmare a repartiției regiunilor M pe suprafața Soarelui. În cadrul acestei complicații — accentuate încă și mai mult de efectele rotației solare asupra orientării în spațiul interplanetar a fluxurilor de radiații K precum și de efectele deviatoare ale cîmpului magnetic principal al Pămîntului asupra particulelor încărcate electric care o constituie — trebuie considerat mecanismul suprasimplificat, prezentat mai sus, căruia i se atribuie originea fizică a cîmpului geomagnetic al perturbațiilor.

Informațiile furnizate de descifrarea mesajului terestru reprezentat de acest cîmp permit cîteva precizări privind fenomenele responsabile de generarea perturbațiilor al căror aspect morfologic a fost schițat mai înainte. Fazelor mai importante ale unei furtuni magnetice le corespund, astfel, luarea de contact a vîntului solar cu cîmpul geomagnetic principal — care poate avea caracterul brusc al unui șoc sau poate fi progresivă — (faza inițială), formarea curentului inelar în planul ecuatorului geomagnetic și circularea lui în acest plan cu intensitatea maximă (faza de paroxism), respectiv atenuarea treptată a curentului inelar (faza de convalescență). Se înțelege, apoi, că perturbația diurnă este legată de creșterea conductibilității electrice a straturilor ionosferice, a căror densitate de ioni este mărită prin adăugarea, la cei produși de radiațiile UV și X, a celor reprezentați de particulele încărcate din radiația K. Pe de altă parte, tendința de repetare a furtunilor magnetice după 27 de zile se explică și ea, în cadrul acestei descifrări a mesajului general al perturbațiilor geomagnetice: repetarea unei furtuni magnetice corespunde revenirii, după o rotație a Soarelui în jurul axei sale, a unor regiuni M în poziția favorabilă bombardării Pămîntului cu radiație K în stare să provoace furtuna, în general cu o intensitate mai redusă decît a celei anterioare, datorită slăbirii continue a emisiunii corpusculare. În fine, particularitățile locale ale perturbațiilor geomagnetice sînt corespondentele magnetice ale perturbațiilor curenților telurici, induși în subsolul cu conductibilitate electrică variabilă de la o regiune la alta.

Fără îndoială, imaginea extrem de schematică prezentată, lipsită și de suportul cantitativ al teoriei matematice a fenomenelor, lasă nelămurite multe dintre aspectele mai de detaliu ale numeroaselor probleme legate de cîmpul geomagnetic al perturbațiilor. Liniile generale, însă, ale descifrării actuale a mesajului Pămîntului pe care îl constituie acest cîmp, se pot recunoaște din prezentarea făcută, precum și natura și ponderea gnoseologică a informațiilor privitoare la planeta noastră, care rezultă din această descifrare.

Recunoscînd limitarea substanțială a celor trecute în revistă, nu numai în expunerea de pe urmă, privind cîmpul geomagnetic al perturbațiilor, dar în întreg acest capitol, în general, este recomandabil să subliniem și absența completă din prezentarea noastră a unor informații care se pot lega de problemele geomagnetice: date cu privire la fenomenele geoelectrice — n-am amintit decît cu totul în treacăt curenții telurici —, utilizarea fenomenelor geomagnetice la studiul structurii subsolului (prospecțiunile magnetice legate de anomaliile locale ale cîmpului principal ca și tehnicile sondajelor geomagnetice și magnetotelurice, care utilizează cîmpurile variațiilor calme și perturbațiilor), aplicații ale studiului ionosferei și magnetosferei în domeniul telecomunicațiilor, paralelizarea ansamblului fenomenelor legate de activitatea solară: furtuni geomagnetice, perturbații ionosferice, agitații în curenții telurici, apariții de aurore polare, dispariții în recepțiile radiofonice pe unde scurte, etc. Explicația este că, pe lîngă volumul limitat impus expunerii noastre, valoarea relativ redusă a informațiilor respective ca mesaje ale Pămîntului, la scara la care am considerat noi fenomenele, nu ne îndemna la cuprinderea lor în acest cadru.

Chiar cu aceste lacune — pe care le semnalăm și pentru a sublinia amploarea domeniului geomagnetismului, pe lîngă existența unor prelungiri care merg uneori foarte departe, în direcții cu totul neașteptate —, expunerea noastră, polarizată în jurul aspectelor pe care le ia cîmpul geomagnetic, prin părțile lui componente, ca mesaj terestru, este în măsură să dea o idee despre caracterul acestui mesaj și despre căile descifrării lui. Descifrarea însăși, prezentată în liniile ei esențiale și cu principalele rezultate la care a condus pînă la ora actuală contribuie și ea la scoaterea în relief a ceea ce anunțau cuvintele lui Thellier puse în fruntea acestui capitol, cu privire la cîmpul geomagnetic: caracter complicat și enigmatic, varietate în manifestări.

La aceste caracteristici, noi am adăuga, cu titlu de încheiere a capitolului, și vastitatea impresionantă a domeniului spațial în care se extind fenomenele legate de magnetismul terestru: de la nucleul Pămîntului (unde descifrarea actuală a mesajului complex al cîmpului geomagnetic principal situează sursa acestui cîmp) pînă la ionosfera și magnetosfera planetei noastre (unde ultimele descifrări ale celorlalte două mesaje, nu mai puțin complexe, ale variațiilor calme și ale perturbațiilor geomagnetice arată că se găsesc sediile cauzelor care produc cîmpurile respective).