Magnetometro: che cos’è e quali sono i campi di applicazione

Il magnetometro  serve a calcolare l’intensità e la direzione del campo magnetico in prossimità dello strumento. Solitamente i magnetometri vengono utilizzati nelle indagini geofisiche per individuare corpi metallici, proprio perché sono in grado di misurare le variazioni che questi causano nel campo magnetico terrestre.

Le indagini magnetometriche sono un metodo passivo che si basa sulla misurazione delle perturbazioni locali del campo magnetico terrestre, causate dalla geologia locale, ma anche dalla presenza di materiale ferroso come tubature, cavi, fusti, ordigni bellici, etc.

Il campo magnetico terrestre ha origine nel nucleo del nostro pianeta e rende a tutti gli effetti la Terra un grosso dipolo, una grossa calamita. Il campo magnetico terrestre non è omogeneo su tutta la superficie terrestre, ma ha variazioni sia a scala regionale che a scala locale. Misurare il campo magnetico e le sue variazione è possibile tramite l’utilizzo di un magnetometro.

Sono molti gli oggetti, le rocce e i manufatti che hanno la capacità di influenzare a scala locale il naturale andamento del campo magnetico terrestre. Per questo il magnetometro, che è lo strumento di primaria utilità per misurare le variazioni del campo, trova applicazione in innumerevoli settori: da quello medico fino alla geologia. Nelle indagini non distruttive, rappresenta la tecnologica più utile per rilevare strutture e oggetti sepolti come tubature, cavi, barili, ordigni bellici inesplosi e costruzioni archeologiche. In ambito geologico è indispensabile per identificare corpi magmatici intrusivi e, nelle giuste condizioni, per effettuare studi di strutture geologiche come faglie, dicchi e bedrock.

Le principali tipologie di magnetometri

I magnetometri si dividono in due categorie principali: vettoriali, che sono utilizzati per misurare l’intensità e la direzione di un campo magnetico, e scalari che sono usati per misurare il valore dell’intensità del flusso magnetico. All’interno di queste famiglie, in oltre 100 anni di Ricerca e Sviluppo di questi sistemi, ne sono stati sviluppati svariati, con enormi differenze in termini di ingombri, accuratezze dei risultati e costi. Ad oggi i magnetometri più comuni si possono dividere in 2 famiglie: i Fluxgate, sviluppati intorno al 1940 e in grado di restituire letture istantanee del campo magnetico terrestre, ma solitamente con dei rumori di fondo alti, (± 1 nT), valori che non rendono questi strumenti adatti a tutti i tipi di indagini, specialmente sconsigliati per le più minuziose. La seconda famiglia è quella dei magnetometri otticamente pompati, ad esempio quelli ai vapori di Cesio, che utilizzano degli alcali per rilevare in maniera istantanea e accurata le variazioni del campo magnetico terrestre grazie al loro rumore di fondo che è mediamente 1000 volte più basso di quello dei fluxgate. Rappresentano oggi gli strumenti più diffusi per rilievi non distruttivi nel campo delle scienze della terra.

Per applicazioni di ricerca è richiesta una notevole sensibilità e velocità di campionamento per rilevare anomalie molto piccole e concentrate. La difformità di campo magnetico creata da un oggetto o una struttura sepolta è sempre proporzionale alla dimensione, al peso e alla forma dell’oggetto stesso, mentre la sua intensità diminuisce con il cubo della distanza. I magnetometri ai vapori di cesio offrono una sensibilità di 0.004nT/sq-rt Hz; quindi, 3 volte superiore a qualsiasi altra tecnologia e la frequenza di Larmor del Cesio è di bn 200.000 Hz, quindi 100 volte superiore a magnetometri a protoni o Overhouser.  Queste due caratteristiche fanno sì che i magnetometri ai vapori di cesio siano capaci di spingersi fino a 40 campioni al secondo mantenendo una straordinaria sensibilità e identificando minime anomalie anche a velocità di rilievo sostenute.

Utilizzi e modelli di magnetometro

Lo sviluppo tecnologico ha consentilo la creazione di numerosi modelli che differiscono per configurazione, possibilità di rilievo, capacità di interfacciarsi con device o computer, nonché modalità di utilizzo e ambiente di indagine.

Tra i magnetometri terresti è possibile trovare un’ampia varietà di soluzioni utili a coprire un ventaglio davvero completo di applicazioni di ricerca, di necessità di rilevamento e di investimento. Si parte da modelli a sensore singolo con tecnologia a protoni fino ad arrivare a strumenti complessi a più sensori magnetici ai vapori di cesio. La quantità di sensori che lavorano in simultanea dà la possibilità di rilevare contemporaneamente un’area più ampia, mentre il singolo sensore può diventare una stazione base utile a rilevare la deriva diurna del campo magnetico terrestre a scala locale, dato di fondamentale importanza per apportare le opportune correzioni in fase di elaborazione dei dati. I magnetometri sono posizionabili su un carrello amagnetico e acquisire dati e mappare grandi aree senza interruzioni. Oppure possono essere indossati con zainetti e cinghie ergonomiche per indagini su rilievi e terreni non pianeggianti. Alcuni modelli possono essere affiancati da un tablet geolocalizzato con cui delineare le rotte da seguire sul campo, in modo da aumentare produttività ed efficacia e ridurre i tempi di preparazione dell’area da esplorare. Come sempre con le indagini geofisiche, un dato senza accurato posizionamento è inutile, quindi tutti questi sistemi possono, forse meglio dire devono, essere interfacciati a un sistema di posizionamento accurato per restituire con precisione la posizione delle anomalie.

I sensori possono essere inseriti in una struttura aerodinamica e resistente per essere trainati in una posizione stabile sopra il fondale. I magnetometri marini sono indispensabili per il rilevamento e la mappatura di oggetti ferrosi che si trovano sott’acqua come ancore, catene, cavi, condutture, pietre di zavorra e altri detriti sparsi di relitti. In campo militare riesce a identificare munizioni di tutte le dimensioni, motori o altri oggetti che riescono a interferire con il campo magnetico. Negli studi geologici sono insostituibili per mappare su grandi distanze la geologia del fondale. Impostazioni e numero dei sensori sono configurabili in base alle esigenze e si può affiancare a un side-scan sonar in configurazione a tandem per associare l’immagine bidimensionale del fondale alla mappa dell’anomalia magnetica rilevata.

Tra i magnetometri aerei è doveroso introdurre 2 sottocategorie:

• Magnetometri da aerei o elicotteri

Magnetometri installati su aerei o elicotteri sono di vitale importanza per studi geologici a scala globale. Utilizzati principalmente nel settore minerario e nella ricerca, hanno dalla loro la capacità di coprire enormi aree in pochissimo tempo, necessitano di strumentazione molto accurata e dettagliatamente compensata oltre che di velivoli appositamente modificati (persino le viti dovranno essere amagnetiche). In questo caso spesso si associano i magnetometri a gravimetri per ottenere il massimo dai dati acquisiti.

• Magnetometri da UAV

Grazie all’utilizzo dei magnetometri installati su droni, è possibile coprire aree estese e magari di difficile accesso efficacemente e in poco tempo rilevando il dato in grande dettaglio e a bassa quota. Oltre alla leggerezza e al basso consumo, un sensore per rilevazioni aeree deve, al tempo stesso, essere in grado di fornire alte prestazioni per quanto riguarda velocità e frequenza di campionamento. Le indagini tramite drone sono indispensabili in tutti quei casi in cui l’accesso di un operatore è complesso, pericoloso o può arrecare dei danni come nelle zone umide, le aree fortemente vegetate, i terreni accidentati o protetti e dove sono presenti ordigni inesplosi oppure nei siti archeologici delicati o molto estesi.

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