IV. EL MAGNETISMO EN LA NATURALEZA: SUS MANIFESTACIONES EN LO INANIMADO Y EN LOS SERES VIVOS
RECORDEMOS que hace aproximadamente 2000 a�os el hombre observ�
en la naturaleza el primer fen�meno magn�tico: una piedra, el im�n, que tra�a
pedazos de hierro. Pasar�an muchos a�os para aprender que todos los materiales
tienen alg�n tipo de comportamiento magn�tico. El im�n, cuyo nombre cient�fico
es magnetita, pertenece al tipo de material que tiene un ordenamiento magn�tico
espont�neo. Es apenas en nuestro siglo que empezamos a entender el origen microsc�pico
del magnetismo y que podemos decir algo sobre esta misteriosa piedra que despert�
el esp�ritu investigador de nuestros antepasados.
Actualmente sabemos que la materia est� formada por �tomos. Como ya vimos, el �tomo y aun los electrones, tambi�n pueden considerarse como peque�os imanes. Los �tomos est�n distribuidos en el espacio en alg�n tipo de arreglo que recibe el nombre de red y que, en el caso de los materiales cristalinos, es peri�dica. Esto es, basta con conocer la colocaci�n de los �tomos en una cierta celda unitaria, ya que �sta se repite igual en el espacio: su traslaci�n genera el s�lido. En la mayor�a de los materiales, los peque�os imanes est�n orientados al azar y el material no manifiesta magnetizaci�n neta. En el caso de los materiales ferromagn�ticos, esquematizados en la figura 23(a) en dos dimensiones, los imanes se alinean en una cierta direcci�n. En el orden antiferromagn�tico, figura 23(b), la magnetizaci�n neta vuelve a ser cero como en el caso al azar, a pesar de que s� existe un orden. Finalmente, en la figura 23(c) se muestra el tercer tipo de orden magn�tico: ferrimagnetismo, que es intermedio entre los otros dos. Existe pues un orden alternado pero con imanes distintos, dando como resultado una magnetizaci�n total diferente de cero.
El im�n o magnetita es un material ferrimagn�tico de las llamadas "ferritas"
u "�xidos ferrimagn�ticos", Fe3O4 que son materiales aislantes
con muchas aplicaciones industriales. Desde luego que su primera aplicaci�n
tecnol�gica fue la br�jula. El modelo m�s sencillo para explicar el ferrimagnetismo
consiste en considerar dos subredes magn�ticas intercaladas, como se ve en la
figura 23 c. Fue N�el quien extendi� a dos subredes el modelo que Weiss hab�a
ideado con gran �xito para explicar los materiales ferromagn�ticos. La magnetita
es un caso m�s complicado y hace falta considerar tres subredes magn�ticas,
como se puede observar en la figura 24, en la que se muestra un plano del material.
A esta estructura se le conoce como espinela, donde los ox�genos rodean al hierro,
bien en forma tetra�drica o bien en forma octa�drica. En una subred magn�tica
los imanes o, por qu� no llamarlos con el lenguaje moderno, los espines, tienen
la misma direcci�n y sentido, pertenecen al mismo i�n y presentan periodicidad
en el espacio.
Figura 23. Modelos para materiales magn�ticos: (a) Ferromagneto. b) Antiferromagneto. (c) Ferrimagneto.
Figura 24. Plano de cuatro celdas de magnetita.
El descubrimiento de la br�jula llev� al hombre al segundo gran fen�meno magn�tico: el comportamiento de la Tierra como un gran im�n. Sin embargo, el por qu� de este comportamiento fue un misterio durante muchos a�os.
Fue Gauss el primero en describir el campo magn�tico terrestre. Public� la obra Intensitas vis magnetical terrestris ad memsuram absolutam revocata en 1832. Como resultado de sus estudios concluy� que m�s del 97% de la fuerza magn�tica que se observa en la superficie de la Tierra se origina en su interior. Un campo magn�tico puede ser producido por un im�n permanente o por corrientes el�ctricas, y alguna de esas dos causas debe ser la responsable. El n�cleo de la Tierra parece estar compuesto principalmente de hierro y n�quel, que son materiales ferromagn�ticos a temperaturas ordinarias. Sin embargo, la temperatura del n�cleo terrestre es sin duda superior a la cr�tica, arriba de la cual los ferromagnetos dejan de presentar un orden magn�tico. No puede suponerse, por lo tanto, que dentro de la Tierra hay un im�n permanente. La explicaci�n del magnetismo terrestre tendr�a que estar relacionada, por tanto, con las corrientes el�ctricas que se generan en su n�cleo.
En 1948, Bullard propuso una hip�tesis que se ha llamado de "d�namo autoexcitado"; la figura 25 muestra un modelo sencillo para ilustrarlo.
Figura 25. Esquema del modelo simple que ilustra el principio de la d�namo de disco autoexitante.
Un disco (D) gira sobre su eje (CC') en direcci�n contraria a las manecillas del reloj, en presencia de un peque�o campo magn�tico H paralelo a CC'. De acuerdo con la ley de inducci�n de Faraday, se induce una fuerza electromotriz que depende de la velocidad de giro y del campo magn�tico. En la figura, el borde del disco est� en contacto con un solenoide circular (S) que tambi�n gira en torno a CC'. La otra terminal del solenoide est� conectada con el eje de rotaci�n. Supongamos ahora que todo el dispositivo est� hecho de metales que son buenos conductores de la electricidad, como de hecho lo son el hierro y el n�quel. Debido a la fuerza electromotriz inducida, se producen corrientes el�ctricas a trav�s de D, y posteriormente S, CC' y D forman un circuito el�ctrico cerrado. La corriente que fluye por el solenoide (S) produce un campo magn�tico paralelo al original H, increment�ndolo. Este nuevo campo induce a su vez una fuerza mayor y el proceso anterior se repite. As�, un campo magn�tico peque�o, generado aun por casualidad, es mantenido e incrementado por este d�namo autoexcitado. Por supuesto que este proceso no puede hacer crecer el campo magn�tico indefinidamente, ya que hay p�rdidas continuas de la corriente el�ctrica debido a la resistencia de los materiales. Llega un momento en que el campo magn�tico alcanza un nivel estacionario, que es cuando las p�rdidas compensan los incrementos. Si en el n�cleo terrestre existiera un mecanismo semejante al d�namo descrito, el campo magn�tico terrestre se mantendr�a tal y como sabemos que sucede.
El modelo descrito es seguramente demasiado simplificado dada la complejidad de la situaci�n. Ha habido muchos modelos que, basados en el mismo mecanismo, describen situaciones m�s complicadas, con combinaciones de varios tipos de d�namos. La presencia de varios de ellos involucra la dificultad de c�mo acoplarlos, adem�s de que los c�lculos num�ricos son de una gran dificultad. Sin embargo, el modelo de d�namo permanente ha sido ampliamente apoyado por expertos en geomagnetismo.
Hace m�s de 130 a�os que fueron medidas en forma sistem�tica la magnitud y la direcci�n del campo magn�tico terrestre. En la actualidad se usan aviones especiales para este prop�sito, adem�s de sat�lites artificiales. Puede decirse ahora que la descripci�n es casi perfecta. Con base en los an�lisis de estos resultados se ha demostrado que el campo observado puede presentarse en forma aproximada como el producido por un im�n hipot�tico cuyo eje se inclina ligeramente con respecto al eje de rotaci�n, como aparece en la figura 5. Sin embargo, la intensidad, ubicaci�n y direcci�n de este im�n hipot�tico han cambiado apreciablemente.
Los datos han llevado a la conclusi�n de que el campo magn�tico terrestre es sumamente variable. Existe una indicaci�n para estimar la intensidad del campo magn�tico terrestre que fue descubierta ya hace algunos a�os. En 1853, Melloni, en Italia, descubri� que las rocas volc�nicas tienen una magnetizaci�n permanente bastante fuerte. Supuso que este magnetismo se deb�a a la acci�n que sobre ellas tuvo el campo magn�tico terrestre en el momento en que se enfriaban. Esta suposici�n fue posteriormente comprobada: la fuerte magnetizaci�n remanente de las rocas volc�nicas recientes puede ser reproducida exactamente mediante el enfriamiento desde una temperatura alta, en presencia del campo magn�tico de la Tierra, resultando que la intensidad de la magnetizaci�n remanente adquirida es proporcional a la intensidad del campo magn�tico aplicado.
Las rocas �gneas se componen principalmente de magnetita con algo de �xido de titanio. Como ya lo hemos discutido al hablar de materiales ferromagn�ticos, la magnetizaci�n de la magnetita y de las rocas que la contienen disminuye con el incremento de la temperatura y desaparece a una temperatura cr�tica llamada de Curie. Las part�culas magn�ticas en las rocas pueden ser magnetizadas f�cilmente aun en presencia de un campo relativamente d�bil, a una temperatura justo por debajo del punto de Curie. Con un descenso en la temperatura se incrementa la intensidad de esta magnetizaci�n adquirida y a temperatura ordinaria se produce una magnetizaci�n estable y fuerte. En la figura 26 se muestra un resumen de las medidas de la intensidad del campo magn�tico de los �ltimos 9 000 a�os, a partir de estudios en ladrillos, cer�micas y lavas volc�nicas. Comparado con datos actuales, se puede concluir que el campo magn�tico ha fluctuado desde el pasado alrededor de valores semejante a los de hoy.
Figura 26. Movimiento del momento magn�tico de la Tierra (M) expresado en t�rminos de su valor diario (Mo) a lo largo de los �ltimos nueve mil a�os.
Al estudio de la intensidad y la direcci�n del campo magn�tico de la Tierra
en el pasado, por medio de rocas naturales, para determinar as� sus cambios
durante largos periodos de tiempo, se le conoce como paleomagnetismo. El desarrollo
del paleomagnetismo llev� a un resultado sorprendente: el campo magn�tico ha
sufrido diferentes inversiones en el pasado. Claramente la antig�edad de la
lava aumenta con la profundidad. La direcci�n de la magnetizaci�n remanente
de dos capas superiores (3.62 y 3.68 millones de a�os), as� como de una muy
profunda (4.5 millones de a�os) es pr�cticamente paralela a la del campo magn�tico
terrestre actual.
Figura 27. Relaciones entre el viento solar y el campo magn�tico de la tierra.
a) La relaci�n entre el viento solar y el campo magn�tico se puede simular en el laboratorio haciendo incidir un flujo de plasma de electrones y de iones de helio sobre una esfera que contiene un electromagneto. El chorro de plasma es desviado en forma an�loga a como sucede en la tierra cuando llega el viento solar.
b) Diagrama construido con base en los datos recopilados por sat�lites artificiales ilustrando la relaci�n real entre el viento solar y el campo magn�tico de la Tierra. Los puntos en la figura representan el flujo de part�culas que llega del Sol. Las l�neas de fuerza del campo magn�tico est�n aplastadas del lado opuesto. A este fen�meno se le llama magnet�sfera.
Sin embargo, la magnetizaci�n remanente de todas las capas intermedias est� orientada en forma antiparalela a la actual. Se piensa que una inversi�n completa del campo magn�tico de la Tierra toma de 1 000 a 10 000 a�os. No se sabe a ciencia cierta el motivo de estas inversiones, pero s� se ha podido predecir estos resultados mediante un modelo de los d�namos acoplados electromagn�ticamente, extendiendo el modelo original descrito unos p�rrafos atr�s. Se ha probado que, bajo condiciones apropiadas, un acoplamiento entre dos sistemas de d�namos autoexcitantes puede causar inversiones repetidas del campo magn�tico. Sin embargo, el problema de la inversi�n del campo sigue estando abierto, as� como la discusi�n de las implicaciones que este fen�meno posee.
Una importante utilidad del campo magn�tico terrestre es que nos protege del viento solar. El viento solar es un plasma, gas de hidr�geno casi perfectamente ionizado, que emana del Sol, habiendo sido parte de la corona solar. La velocidad del flujo del plasma es de 300 a 400 km/seg en condiciones normales y puede llegar a 800 km/seg en una tormenta. En la figura 27 se muestra un ejemplo de una simulaci�n de la interacci�n entre el viento solar y el campo magn�tico. Cuando el modelo de la Tierra no tiene campo, el plasma hace impacto directo con la superficie.
En cambio, cuando se le conecta un fuerte im�n, el plasma se desv�a y se forma una cavidad alrededor del modelo de la Tierra. La enorme cavidad natural en torno a la Tierra es conocida actualmente como la magnet�sfera y su larga cola debida al viento solar en direcci�n opuesta al Sol es llamada cola geomagn�tica. Las part�culas cargadas, principalmente electrones y protones, quedan atrapadas en diferentes ''cinturones'' de energ�a llamados cinturones Van Allen. Sus �rbitas est�n confinadas en un plano ecuatorial alrededor de la Tierra debido al campo magn�tico. Hay dos cinturones de electrones, aproximadamente a 2 000-5 000 y 13 000-19 000 kil�metros sobre la superficie de la Tierra, y los protones parecen estar distribuidos en capas intermedias. Las part�culas en las capas externas provienen principalmente del viento solar, pero dos de las capas internas est�n formadas por rayos c�smicos.
As� pues, el campo magn�tico terrestre constituye una defensa para la Tierra de las part�culas cargadas que permanecen en �rbitas que oscilan de norte a sur del ecuador magn�tico en los cinturones Van Allen.
�Qu� suceder�a durante una inversi�n de la direcci�n del campo como la que hemos mencionado? Necesariamente habr�a un periodo grande de a�os en que el campo magn�tico ser�a muy peque�o o nulo y las radiaciones sobre la superficie muy intensas. Ha habido muchas especulaciones sobre esto, unidas a la evoluci�n de las especies. Tal vez la radiaci�n intensa al penetrar en las c�lulas logre alterar las mol�culas de ADN de los cromosomas, modificando las caracter�sticas hereditarias de los seres vivos. Tal vez puedan desaparecer unas especies y aparecer otras. Ciertamente, �ste no podr�a ser considerado como el mecanismo �nico para la evoluci�n, pero podr�a colaborar a entender la s�bita aparici�n o extinci�n simult�nea de algunas especies en todo el mundo, en sitios donde los argumentos de adaptaci�n al medio no son v�lidos por tratarse de medios muy variados. La verificaci�n de estas hip�tesis est� en proceso y requiere de muchas observaciones en lugares adecuados en donde se pueda afirmar que el magnetismo original no ha sido alterado.
Hace poco tiempo se descubri� una evidencia m�s directa que el mencionado efecto del magnetismo terrestre sobre los seres vivos. Se descubri�, en cierta medida en forma accidental, que existen bacterias que utilizan el geomagnetismo para orientarse. Se estaba estudiando una especie de bacterias que suelen habitar en el lodo marino y se observaron microorganismos que migraban muy r�pidamente hacia un lado de la gota de lodo. Primero se pens� que era un efecto debido a la luz proveniente de una ventana en el noroeste del laboratorio, pero pronto se dieron cuenta que la luz no pod�a ser la causa, pues siempre se mov�an en la misma direcci�n, aunque se cambiara la fuente luminosa. Se les ocurri� acercar peque�os imanes a la gota y la direcci�n del movimiento se alter� inmediatamente. Era el geomagnetismo el causante de la migraci�n de las bacterias.
Este tipo de microorganismos se encuentran en los sedimentos lodosos, tanto
salados como de agua dulce, de todo el mundo. Presentan cadenas de cristales
de magnetita del tama�o de un monodominio (Figura 28). Estas c�lulas hacen que
las bacterias tengan un momento magn�tico neto que se alinea con el campo magn�tico
terrestre. En los hemisferios norte y sur, donde el campo magn�tico terrestre
tiene una componente vertical mayor que la horizontal, su componente magn�tica
les sirve para dirigirse al fondo, hacia el sedimento y �reas anaer�bicas que
favorecen su crecimiento. Para comprobar esto se compararon bacterias crecidas
en el hemisferio norte, con crecidas en el hemisferio sur, y a�n m�s, con bacterias
del ecuador. Al llevar bacterias del sur al norte, �stas se dirig�an a la superficie
en lugar de al fondo (no hay que olvidar que la direcci�n del campo magn�tico
es opuesta en el norte y el sur). En el ecuador se encuentran bacterias de ambos
tipos, que podr�amos llamar tipo norte y tipo sur. Ah� el campo, por su direcci�n,
no ayuda a distinguir el fondo de la superficie, pues tiene una direcci�n pr�cticamente
paralela a la superficie. Hay otros microorganismos, como las algas, que presentan
comportamiento magn�tico, y por tanto se presenta la probabilidad de una nueva
taxonom�a basada en comportamientos magn�ticos.
Figura 28. Fotograf�a de microscopio electr�nico de una secci�n de bacteria magn�tica delgada. Se ven las cadenas de cristales magn�ticos. La barra mide 250 nm.
Si se cultivan estas bacterias en un medio sin hierro, se observa que no presentan propiedades magn�ticas, aunque se conserva la posici�n de las c�lulas magn�ticas.
Se han hecho diferentes pruebas que han mostrado que el hierro se encuentra en forma de magnetita, pero con cierto porcentaje de vacancias. Es importante se�alar el hecho de que el tama�o de los cristales de magnetita (40nm) corresponde al de un solo dominio y que es imposible producir tecnol�gicamente un cristal de ese tama�o. La respuesta de estos monodominios es directa, no por inducci�n. Son br�julas biol�gicas. Tambi�n se ha encontrado magnetita en el abdomen de abejas vivas y en el cr�neo de pichones, pero no se ha podido demostrar su relaci�n con su sentido de orientaci�n. Sin embargo, recientemente, al estudiar los mecanismos de migraci�n de peces, se encontraron respuestas condicionadas por el campo magn�tico terrestre en el at�n de aleta amarilla y se detectaron y caracterizaron cristales de magnetita provenientes de un tejido que se encuentra ligado a un hueso del cr�neo del at�n. Se llevaron a cabo gran n�mero de pruebas y se comprob� que la acumulaci�n de magnetita era com�n a la especie y similar a la forma en que se da en las mencionadas bacterias. Tambi�n confirmaron la conexi�n entre el material magn�tico y el sistema nervioso del pez, y por la forma en que las part�culas est�n organizadas, se concluye que el at�n probablemente tiene una navegaci�n muy precisa.
La orientaci�n animal ha sido uno de los grandes misterios de la naturaleza
y resulta apasionante la posibilidad, que empieza a confirmarse, de que la br�jula,
ya sea construida o natural, mueva a todos los seres vivos sobre la superficie
del planeta.
