“Orientação magnética em animais: das bactérias até as vacas” 0. Introdução “Orientação magnética em animais: das bactérias até as vacas” IX Escola do CBPF 2012

O grupo de Biofísica do CBPF Dra. Darci Esquivel (darci@cbpf.br) Dra. Eliane Wajnberg (elianew@cbpf.br) Dr. Henrique Lins de Barros (hlins@cbpf.br) Dr. Daniel Acosta-Avalos (dacosta@cbpf.br) Dr. Odivaldo Cambraia (UFF) Dra. Leida Abraçado (Pos-doutoranda)

O grupo de Biofísica do CBPF

O grupo de Biofísica do CBPF Linhas de pesquisa: Propriedades magnéticas de bactérias magnéticas Comportamento de procariotos magnetotacticos multicelulares Comportamento de insetos sociais em ambientes com campo magnético local alterado Propriedades magnéticas do corpo de insetos sociais

Biofísica Entendemos a biofísica como o estudo de problemas biológicos através de técnicas próprias da física. Atualmente esta de moda a biofísica molecular ( física biológica). No caso da dupla magnetismo - biologia existem duas áreas: o biomagnetismo e a magnetobiologia.

Biomagnetismo ou Magnetobiologia? Biomagnetismo: Estudo dos campos magnéticos gerados por um organismo. Exemplo: magnetoencefalografia com SQUID Magnetobiologia: Estuda a resposta a - ou detecção de - campos magnéticos pelos organismos. Exemplo: efeitos de ondas RF na saúde humana. Neste curso ambos estão misturados!!

“Orientação magnética em animais: das bactérias até as vacas” 1. O Campo Geomagnético “Orientação magnética em animais: das bactérias até as vacas” IX Escola do CBPF 2012

O que é o campo magnético? Força elétrica: interação entre cargas elétricas Força magnética: interação entre correntes elétricas Corrente elétrica: cargas em movimento Forças elétricas e magnéticas: unidas na força eletromagnética As duas estão unificadas através da Teoria da Relatividade Especial

O que é o campo magnético? Fonte da força elétrica: a carga elétrica Existem fontes de força magnética? Não no sentido de uma carga. Não existem cargas magnéticas isoladas!!! Recentemente (2009) foram observadas em “gelos de spin” quasiparticulas semelhantes com monopolos magnéticos

O que é o campo magnético? O conceito de campo aparece como uma abstração da interação a distancia entre corpos. Um corpo A interage com outro corpo B através de “algo” que existe em volta de B e que interage com alguma propriedade do corpo A. Este “algo” em B existe independente de A e é chamado de campo.

O que é o campo magnético? Linhas de campo magnético em volta de um imã

O que é o campo magnético?

O que é o campo magnético? As correntes elétricas geram campos magnéticos!!!!

O que é o campo magnético? E o que acontece nos imãs?? A observação dos imãs e a equação de Maxwell permite concluir que: Não existem os monopolos magnéticos A menor unidade de fonte do campo magnético é o dipolo magnético

O que é o campo magnético? Mesmo assim: qual a origem do magnetismo nos imãs? Origem quântica: relação entre o momento angular (spin) e o momento magnético de uma partícula isolada ou sistema (átomo ou molécula)

O que é o campo magnético? Para átomos com elétrons desemparelhados observamos que o momento magnético pode ser escrito quanticamente como: mB é o magneton de Bohr

O que é o campo magnético? J é o momento angular total e é a soma do momento angular orbital L e do momento angular de spin S. g é a divisão entre o momento magnético e o momento total → razão giromagnética g → fator de deslocamento espectroscópico ou fator g

O que é o campo magnético? Elétron livre: g = 2,0023 No átomo livre: g é calculado através da equação de Lande: O magneton de Bohr tem quase o mesmo valor do momento magnético de spin do elétron livre.

Sistemas de unidades Sistema Internacional B = m0H + M Indução magnética B → N / Am ou Wb / m2 Intensidade campo magnético H → A / m Nos últimos anos: N / Am ou Wb / m2 = Tesla (T) Sistema CGS Indução magnética B → Gauss (G) Intensidade campo magnético H → Oersted (Oe)

Sistemas de unidades Para campos muito fracos: SI → nT (10-9 T) CGS → gamma () Relações: 1 G = 10-4 T = 10-4 Wb / m2 1  = 10-5 G = 1 nT

Sistemas de unidades Intensidade do campo magnético originado por fontes diferentes ou detectado por diferentes detectores. Observe que a escala é logarítmica.

História do descobrimento e de seu uso Magneto → deriva de Magnésia, lugar da Macedônia onde existia muito material magnético Platão escreveu sobre a atração observada entre estes tipos de rochas, fenômeno conhecido pelos gregos por volta de 400 a. C. Porém.....as primeiras referências ao conhecimento destas pedras e sua interação com alguma força misteriosa na Terra → registros chineses entre 300 e 200 a. C.

História do descobrimento e de seu uso O nome deste artefato é Si Nan e funciona da seguinte forma: O cabo da colher aponta para o Sul enquanto a concha aponta para o Norte.... Identificado pela estrela Polaris através da constelação Ursa major. Magia???

História do descobrimento e de seu uso

História do descobrimento e de seu uso O eixo da Terra precessa. Completa uma volta em 25770 anos. Em 13000 anos o eixo vai apontar para a estrela Vega, na constelação de Lira.

História do descobrimento e de seu uso BUSSOLA Primeiras referências... Shen Kua em 1088 100 anos depois...primeira descrição da bússola para navegação na Europa pelo Alexander Neckham de St. Albans Chu Yu, autor Cantones de 1117, descreveu pilotos de navios chineses usando bússolas para guiar as naves em condições de céu nublado

História do descobrimento e de seu uso Comerciantes árabes introduzem a bússola na Europa e deram o nome de Loadstone ou Lode-stone (pedra que guia) para o imã natural. Pierre de Maricourt (Padre Peregrinus) pesquisa as propriedades dos imãs com forma de agulha e esfera, e descreve os seus resultados em 1269. Descreveu a localização dos pólos, que pólos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem, e que eles sempre ocorrem em pares de sinais opostos e nunca isolados.

História do descobrimento e de seu uso Declinação Magnética Já tinha sido descrita pelos chineses....porém o primeiro relato sobre este fenômeno na Europa só acontece com Cristóvão Colombo na sua viagem às Américas, em 1492.

História do descobrimento e de seu uso

História do descobrimento e de seu uso Em 1600, William Gilbert desenvolve o primeiro trabalho científico da história, estudando as propriedades magnéticas da Terra. Comparou o que era conhecido do campo magnético na superfície da Terra com o campo magnético de um imã de forma esférica, concluindo que a Terra se comporta como um grande imã e que sua origem está no interior da mesma....

História do descobrimento e de seu uso Magnus magnes ipse est globus terrestris William Gilbert, 1600

História do descobrimento e de seu uso Depois, o grande matemático alemão C.F.Gauss, por volta de 1839, usando a teoria do potencial mostrou que o campo magnético da Terra pode ser aproximado a primeira ordem por um campo dipolar (componente ou parte principal), chamando o resto do campo de parte irregular. Ele mostrou que ambas partes têm sua origem no interior da Terra, igual conclusão que a de Gilbert.....200 anos depois...

História do descobrimento e de seu uso

História do descobrimento e de seu uso

História do descobrimento e de seu uso Magnétismo no mundo pre-hispanico Olmecas: uma das civilizações mais antigas do continente americano. Surgiu na Centro América e no México

História do descobrimento e de seu uso Olmecas: cabeças colossais

História do descobrimento e de seu uso Olmecas: Era uma cultura muito antiga com conhecimentos em varias ciências. A escultura ao lado é uma das mais antigas representações do coração humano

História do descobrimento e de seu uso Olmecas: eles usaram materiais magnéticos em objetos ornamentais Estátua com disco de hematita Espelho de magnetita

História do descobrimento e de seu uso Olmecas: Os arqueólogos utilizam métodos de mapeamento magnético para encontrar restos arqueológicos em sítios olmecas.

História do descobrimento e de seu uso Olmecas: Escultura de uma cabeça de tartaruga. A bússola mostra que ela esta magnetizada, com um dos pólos magnéticos no bico do focinho.

História do descobrimento e de seu uso Olmecas Barra de 3,5 cm de magnetita. O momento magnético está orientado ao longo de seu comprimento. Ao ser colocada numa rola flutuando em água, ela fica orientada com o campo geomagnético, e o sulco fica orientado no eixo N-S magnético. Possivelmente foi usado num artefato semelhante a uma bússola de navegação.

História do descobrimento e de seu uso Olmecas: Descobriram o magnetismo antes dos Chineses ou houve intercâmbio de conhecimentos entre ambos povos?? As evidências mostram que os olmecas conheciam as propriedades magnéticas dos minerais, e que possivelmente usavam estas propriedades na navegação ou na orientação de prédios. Ainda faltam mais estudos para que seja descoberto se realmente os Olmecas usaram o magnetismo da Terra em tarefas de orientação antes do que outras culturas.

Definição dos parâmetros necessários para a descrição do campo geomagnético Campo geomagnético: definições

Definição dos parâmetros necessários para a descrição do campo geomagnético Campo magnético → F Componente horizontal → H H pode ser observada com a bússola Ângulo entre H e o norte geográfico: declinação magnética ou variação (D) D é + (-) quando H aponta para o Leste (Oeste) do Norte Ângulo entre F e H: inclinação magnética (I) I é + (-) quando F aponta para baixo (cima)

Mapas IGRF Mapas dos componentes do campo geomagnético World Magnetic Survey: compilação dos dados adquiridos entre 1961 e 1967 Geração dos mapas internacionais de referência do campo geomagnético (IGRF)

Mapas IGRF Maiores valores: no pólo Norte magnético na Antártica, no pólo Sul magnético no Círculo Polar Ártico e na região da Sibéria (anomalia magnética). Valores aproximadamente de 0,68 G Menores valores: América do Sul (anomalia do Atlântico Sul). Valores aproximadamente de 0,22 G

Mapas IGRF O ângulo entre a direção do campo horizontal e o norte geográfico muda com a região do planeta. A bússola nunca aponta para o mesmo ponto!! Linhas agônicas: D = 0 Duas linhas agônicas: uma atravessa o continente americano e a outra atravessa o continente Europeu e metade da África.

Mapas IGRF Hemisfério Norte: linhas de campo dirigidas para baixo (I>0) na maior parte. Hemisfério Sul: linhas de campo dirigidas para cima (I<0) na maior parte. Pólo Norte: I = +90º – Pólo Sul: I = -90º Equador geomagnético: I = 0º 1965: PNM = 75,5ºN e 101ºW; Ilha de Bathurst, Canadá – Círculo Polar Ártico PSM = 65,5ºS e 140,3ºE; Costa de Adelaide, Antártica (Fora do Círculo Antártico)

Mapas IGRF Linhas agônicas: definem rotas migratórias dentro do continente americano e europeu e entre a Europa e a África. Direção da inclinação: permite distinguir o hemisfério Linhas isodinâmicas (igual intensidade) se estendem na direção Leste-Oeste: permitem uma determinação aproximada da latitude em cada hemisfério Linhas isoclínicas (igual inclinação) e linhas isogônicas (igual declinação) definem uma malha sobre o globo terrestre, permitindo a localização de pontos na superfície através de coordenadas magnéticas.

Mapas IGRF Campo principal: variações temporais muito lentas, da ordem de centenas de anos. Variações rápidas: provocadas por fontes externas. Tempo de variação de várias horas à alguns minutos ou segundos.

Mapas IGRF Variações temporais lentas

Mapas IGRF Variações temporais lentas

Mapas IGRF Variações temporais rápidas

Mapas IGRF Variações temporais rápidas Elas são provocadas pelas tormentas geomagnéticas, que estão associadas com picos intensos de vento solar. O vento solar é composto de partículas ionizadas de alta energia ejetadas da superfície do Sol. A atividade solar é cíclica, com período médio de aproximadamente 11 anos. O último ocorreu em 2001.

Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético A idéia aqui é modelar o campo principal que é basicamente estático. Numa região como a atmosfera terrestre, onde não existem correntes elétricas nem material magnético: de onde:

gmn, hmn, cmn, smn são os coeficientes de Gauss Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético Solução da Eq. de Laplace em coordenadas esféricas: r é a distância a partir da origem q é a colatitude j é a longitude P( q ) são os polinômios de Lagrange RE é o radio da Terra gmn, hmn, cmn, smn são os coeficientes de Gauss

A modelagem IGRF usa os coeficientes de Gauss gmn e hmn Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético Solução da Eq. de Laplace em coordenadas esféricas: Termo das fontes internas Termo das fontes externas A modelagem IGRF usa os coeficientes de Gauss gmn e hmn

Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético Cada 5 anos, observatórios geomagnéticos reunem as medições do vetor de campo geomagnético para criar o mapa IGRF. Estes valores são usados na solução de V em coordenadas polares. Gauss já havia mostrado que os componentes que mais contribuem na solução são g e h, ou seja, aqueles das fontes internas do planeta Terra.

Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético Na tabela aparecem os valores IGRF para os coeficientes g e h. Os valores dos coeficientes para anos passados são revisados e corrigidos. Eles são chamados de DGRF ou Campo Geomagnético de Referência Definitiva. Também aparece a estimativa para a variação secular (SV).

Mapas IGRF

geomagnéticos e magnéticos Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético Relação entre os pólos geográficos, geomagnéticos e magnéticos Geomagnético: a partir do IGRF Magnético: experimental

Mapas IGRF Teoria do potencial no campo geomagnético A teoria do potencial permite pensar que a fonte principal do campo geomagnético vem de um dipolo inclinado no centro da Terra, como mostrado na figura anterior. Se tem uma melhor aproximação se o dipolo estiver deslocado do centro da Terra por uns centos de km. Porém, não existe nenhuma realidade física nesta fonte dipolar. Ela é simplesmente uma forma fácil de visualizar e entender o grosso do campo geomagnético.

Modelos sobre a origem do campo geomagnético O campo geomagnético é originado por material magnético no interior? Cálculos mostram que numa profundidade de 25 km a temperatura estaria próxima dos 750o C (minas mais profundas aproximadamente de 3 km ), e nesta temperatura nenhum mineral permanece magnético. Assim, teria que ser material magnético na crosta terrestre. Porém, uma revisão sobre os tipos e a quantidade de material magnético na crosta da Terra mostrou que eles produzem uma magnetização insuficiente para criar o campo geomagnético como ele é.

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Indução magnética no centro da Terra: Neste modelo, correntes elétricas circulando no centro líquido da Terra induziriam um campo magnético parcialmente alinhado com o eixo de rotação do planeta. Porém, num circuito resistivo uma corrente decai exponencialmente com o tempo, e o tempo de decaimento no caso da Terra é da ordem de 15 000 anos. Mas o campo da Terra tem aproximadamente 3500 milhões de anos, então.......

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Para que um modelo explique o campo geomagnético ele tem que levar em consideração a geração e a manutenção de correntes elétricas no interior da Terra. Modelo do Dínamo......

Modelos sobre a origem do campo geomagnético O dínamo funciona através do princípio da indução eletromagnética: uma bobina de material condutor movimentando-se na presença de um campo magnético uniforme é capaz de gerar correntes elétricas, e vice-versa: correntes elétricas na bobina podem gerar campos magnéticos..... Porém, para o dínamo funcionar é preciso uma fonte externa de energia que mantenha a corrente circulando na bobina para gerar o campo magnético....

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Modelo dipolar ideal Interior da Terra a = 6400 km c = 3500 km b = 1200 km

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Para que o geodínamo funcione ele tem ser “automantido”, ou seja, tem que funcionar sem fontes externas de energia a partir de uma perturbação inicial. Os geofísicos acreditam que a fonte de energia interna que mantém as correntes no geodínamo se encontra nas reações químicas e nos processos dissipativos entre o núcleo interno e o externo.

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Até hoje não se sabe exatamente qual é o mecanismo do geodínamo. Ele tem que incluir características como as variações seculares e as inversões de polaridade periódicas..... Matematicamente o problema ainda é mais complicado, pois ele é governado pelas equações da magnetohidrodinâmica...

Modelos sobre a origem do campo geomagnético

Modelos sobre a origem do campo geomagnético

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Modelo alfa-omega: equilíbrio entre a força de Coriolis e a Força de Lorentz

Continuação..... Calculadora geomagnética online http://www.ngdc.noaa.gov/geomagmodels/IGRFWMM.jsp Modelos IGRF11 e WMM2010 Mapas IGRF http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/igrf/index.html

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Hipótese Gravi-magnética Relação entre o momento angular e o momento magnético do planeta. O quociente é uma constante.

Modelos sobre a origem do campo geomagnético A hipótese gravi-magnética propõe que uma massa rotando tem o mesmo efeito magnético que uma carga elétrica rotando. As constantes de força respectivas determinam esta relação.

Modelos sobre a origem do campo geomagnético P – momento magnético J – momento angular M – massa de uma esfera B– campo magnético gerado R – raio do corpo w – velocidade angular de giro G – constante gravitacional k – constante de Coulomb F – fator de densidade m – permeabilidade magnética

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Num gráfico poderia se observar se esta relação faz sentido, observando que o log da constante P/J é -10.37 O valor observado a partir dos dados dos planetas é -11.13 ± 0.42

Modelos sobre a origem do campo geomagnético Nature 278 (5 April 1979) 535-538

Outro dados.... O campo geomagnético tem aproximadamente 3,5 bilhões de anos.... O campo geomagnético tem invertido sua polaridade em diferentes épocas. Este processo se repete em média a cada 200.000 anos, porem o intervalo entre inversões é muito variável. A última inversão foi a 780.000 anos. Ninguém sabe como isso acontece. Modelos de hidrodinâmica para o geodínamo predizem o surgimento espontâneo de inversões de polaridade.

Inversão espontânea de polaridade

Outro dados.... A intensidade do campo geomagnético vem diminuindo nos últimos 2.000 anos Nos últimos 150 anos ele caiu 10% do seu valor. Estamos perto de uma nova inversão de polaridade?? Não se sabe quanto tempo demora uma inversão.... Possivelmente 1.000 ou 28.000 anos para o processo se completar.

Paleomagnetismo

Paleomagnetismo

Paleomagnetismo

Magnétismo interplanetario Int. Campo Mag Inclinação Mercúrio 0,0006 ~ Vênus <0,0004 Terra 1 10,80 Marte <0,0002 Júpiter 19.519 9,60 Saturno 578 <10 Urano 47,9 58,60 Neturno 27,0 470 Plutão 0,0

Magnétismo interplanetario Auroras na Terra Campo Magnético no Sol Auroras em Júpiter Auroras em Saturno

Contribuição para a origem da vida Anéis de van Allen: proteção contra o vento solar.

Contribuição para a origem da vida

Contribuição para a origem da vida

Contribuição para a origem da vida Linhas do campo geomagnético Aneis de Van Allen Não existiu sempre com a Terra (idade ≈4,54 bilhões de anos) A idade do campo geomagnético é de ≈3,5 bilhões de anos [Science 5/Março (2010)] Vida ≈3,5 bilhões de anos

Contribuição para a origem da vida Anéis de Van Allen Vento Solar Planeta Terra

Contribuição para a origem da vida Efeitos: auroras boreais

Contribuição para a origem da vida

Contribuição para a origem da vida Hipótese de Uffen: publicada na revista Nature de 1963, estabelece uma relação entre o surgimento da campo geomagnético, a formação dos anéis de van Allen e o favorecimento da vida na superfície do planeta. Ainda relacionou o surgimento e a extinção de espécies com as inversões de polaridade no campo geomagnético.

Contribuição para a origem da vida A Hipótese de Uffen foi muito discutida e rebatida, porém depois surgiram evidências geológicas sobre a extinção de organismos marinhos na mesma época das inversões de polaridade.......e até hoje é assunto de discussão.