Wirujące wokół stałego wewnętrznego jądra naszej planety, ponad 1800 mil pod powierzchnią, gorące płynne żelazo generuje pole magnetyczne, które rozciąga się poza atmosferę. To pole zapewnia nam wszystko, od kierunków kompasu po ochronę przed promieniami kosmicznymi, więc nic dziwnego, że naukowcy byli zaniepokojeni na początku tego roku, gdy zauważyli, że północny biegun magnetyczny szybko dryfuje w kierunku Syberii. Podczas gdy geofizycy starali się wypuścić zaktualizowany model ziemskiego pola magnetycznego przed pięcioletnim harmonogramem, migrujący biegun postawił pilne pytanie: czy pole magnetyczne Ziemi przygotowuje się do odwrócenia?
Stan magnetyczny naszego świata nieustannie się zmienia, a magnetyczne bieguny północny i południowy wędrują o kilka stopni co około stulecia. Czasami pole magnetyczne ulega całkowitemu odwróceniu biegunowości, co powoduje, że magnetyczne bieguny północny i południowy zamieniają się miejscami, chociaż nikt nie wie dokładnie, co powoduje to zawrócenie. (W rzeczywistości biegun północny planety jest obecnie magnetycznym biegunem południowym, ale nadal jest określany jako „północ magnetyczna”, co odpowiada naszym pomiarom geograficznym).
W badaniu opublikowanym dzisiaj w Science Advances badacze podają nową szacunkową oś czasu ostatniego odwrócenia biegunowości, nazwaną odwróceniem Brunhesa-Matuyamy, która miała miejsce około 780 000 lat temu. Korzystając z kombinacji próbek lawy, osadów oceanicznych i rdzeni lodowych, byli w stanie śledzić postęp tego odwrócenia i wykazać, że jego wzór był dłuższy i bardziej złożony niż sugerowały poprzednie modele. Odkrycia mogą umożliwić lepsze zrozumienie ewolucji środowiska magnetycznego naszej planety i, miejmy nadzieję, pokierują prognozami dotyczącymi następnych poważnych zakłóceń.
„[Odwrócenie biegunowości] jest jednym z niewielu zjawisk geofizycznych, które są naprawdę globalne”, mówi Brad Singer, profesor geologii na University of Wisconsin-Madison i główny autor badania. „Jest to proces, który rozpoczyna się w najgłębszych częściach Ziemi, ale objawia się w skałach na całej powierzchni planety i wpływa na atmosferę w dość ważny sposób. … Jeśli uda nam się ustalić chronologię czasu odwrócenia, mamy znaczniki, których możemy używać do datowania skał na całej planecie i znamy wspólne punkty czasowe na całej Ziemi. ”
Generowanie ziemskiego pola magnetycznego rozpoczyna się w jego samym centrum. Ciepło ze stałego wewnętrznego rdzenia wytwarzanego przez rozpad radioaktywny ogrzewa otaczające płynne żelazo, powodując jego cyrkulację jak naczynie z wodą na płycie kuchennej. Ruch płynu lub konwekcja żelaza wytwarza prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne. Gdy Ziemia się obraca, pole magnetyczne z grubsza wyrównuje się z osią obrotu, tworząc magnetyczne bieguny północny i południowy.
W ciągu ostatnich 2, 6 miliona lat pole magnetyczne Ziemi obróciło się 10 razy, a prawie ponad 20 razy podczas wydarzeń zwanych wycieczkami. Niektórzy badacze uważają, że odwrócenie polaryzacji jest spowodowane zaburzeniem równowagi między obrotem Ziemi a temperaturą w rdzeniu, co zmienia ruch płynnego ciekłego żelaza, ale dokładny proces pozostaje tajemnicą.
Schematyczna ilustracja niewidzialnych linii pola magnetycznego generowanych przez Ziemię, reprezentowana jako dipolowe pole magnetyczne. W rzeczywistości nasza tarcza magnetyczna jest ściśnięta bliżej Ziemi po stronie Słońca i wyjątkowo wydłużona po stronie nocy z powodu wiatru słonecznego. (Peter Reid / NASA) Piosenkarz i koledzy uzyskali bardziej precyzyjne szacunki chronologiczne dla ostatniego odwrócenia biegunowości, stosując nowe techniki datowania zestalonej lawy. Lawa bazaltowa, która wybucha około 1100 stopni Celsjusza (2012 stopni Fahrenheita), zawiera magnetyt, tlenek żelaza, którego najbardziej oddalone elektrony ustawiają się wzdłuż pola magnetycznego Ziemi. Kiedy lawa ochładza się do 550 stopni Celsjusza (1022 stopni Fahrenheita), „kierunek magnesowania zostaje zablokowany, dosłownie wypalony w strumieniu”, mówi Singer. W rezultacie historia pola magnetycznego zostaje wbita w zestaloną lawę, którą Singer i jego zespół mogli odczytać za pomocą specjalistycznego procesu pomiaru izotopów argonu w rozpadających się próbach lawy.
Na nieszczęście dla geologów (ale na szczęście dla reszty z nas) wulkany nie wybuchają cały czas, przez co lawa jest nierównym rekordzistą ewolucji pola magnetycznego. Aby zszyć brakujące daty, zespół badawczy połączył nowe pomiary z siedmiu różnych źródeł lawy na całym świecie z wcześniejszymi zapisami magnetyzowanych pierwiastków w osadach oceanicznych i lodowych rdzeniach Antarktydy. W przeciwieństwie do lawy, ocean zapewnia ciągły zapis magnetyzacji, ponieważ ziarna materiału magnetycznego stale osiadają na dnie morskim i wyrównują się z polem planety. „Ale te rekordy wygładzają się i deformują przez zagęszczenie, a na dnie dna morskiego żyje wiele stworzeń… więc płyta trochę się niszczy” - mówi Singer.
Lód antarktyczny oferuje trzeci sposób rozwiązania historii ziemskiego pola magnetycznego, ponieważ zawiera próbki izotopu berylu, który powstaje, gdy promieniowanie kosmiczne silnie oddziałuje z górną atmosferą - dokładnie to, co dzieje się, gdy pole magnetyczne osłabnie podczas wycieczki lub odwrócenia.
Łącząc wszystkie trzy z tych źródeł, badacze opracowali szczegółową historię ewolucji pola magnetycznego podczas jego ostatniej zmiany. Podczas gdy wcześniejsze badania sugerowały, że wszystkie cofnięcia przechodzą trzy fazy w okresie nie dłuższym niż 9 000 lat, zespół Singera odkrył znacznie bardziej złożony proces cofania, którego ukończenie zajęło ponad 22 000 lat.
„Widzimy o wiele więcej niuansów związanych z powiększaniem się i zanikaniem mocnych stron i zachowaniem kierunkowym w ciągu tego 22 000 lat niż kiedykolwiek wcześniej”, mówi Singer. „I to nie pasuje do schematu [trójfazowego] ... więc myślę, że będą musieli wrócić do deski kreślarskiej.”
Odkrycia podają w wątpliwość, czy przyszłe odwrócenia pola będą wykazywać podobne zawiłości i czasy trwania. „Jest to ważny dokument, ponieważ dokumentuje nowe dane wulkaniczne i gromadzi zapisy wulkaniczne i osadowe dotyczące niestabilności pola geomagnetycznego przed ostatnim odwróceniem biegunowości”, mówi James Channell, geofizyk z University of Florida, który nie był zaangażowany w nowych badaniach, w wiadomości e-mail. „Czy ta niestabilność przed odwróceniem jest cechą wszystkich odwróceń biegunowości? Jak dotąd nie ma na to dowodów ze starszych zwrotów. ”
Studiuj współautora Roba Coe'a i Trevora Duarte z rdzeniem orientacyjnym z miejsca przepływu lawy rejestrującego odwrócenie polaryzacji magnetycznej Matuyama-Brunhes w Haleakala National Park na Hawajach w 2015 roku. (Brad Singer) Nawet w przypadku trzech zestawów pomiarów pozostaje pytanie, czy połatana historia zawiera wystarczającą ilość informacji o tym, jak długo trwa odwrócenie i jaki dokładnie jest stan pola w momencie wystąpienia takiego odwrócenia. „Dopóki nie ma pełnych danych na temat złożonej sekwencji wydarzeń przedstawionych przez autorów, nie jestem przekonany, że niepewność wieku pozwala nam rozróżnić więcej niż dwie odrębne fazy”, mówi Jean-Pierre Valet, geofizyk z paryskiego Instytutu Fizyki Ziemi, który nie był zaangażowany w badania, w wiadomości e-mail. Lokaj kwestionuje również czas trwania cofnięcia, argumentując, że niepewności w danych sugerują, że cały proces mógł wynosić od 13 000 do 40 000 lat - wciąż dłużej niż poprzednie szacunki.
Dowiedz się więcej o procesach prowadzących do zamiany biegunów może mieć kluczowe znaczenie dla przyszłych cywilizacji, ponieważ przesuwające się pole magnetyczne może mieć dalekosiężne skutki dla planety.
„Kiedy pole [magnetyczne] jest słabe, czyli podczas nawrotów, główne pole dipola zapada się na coś rzędu dziesięciu procent swojej normalnej siły”, mówi Singer. Ten upadek może oznaczać kłopoty dla życia na Ziemi, ponieważ pole magnetyczne stabilizuje cząsteczki ozonu, chroniąc planetę przed promieniowaniem ultrafioletowym. Singer wskazuje, że ostatnie prace sugerują, że współcześni ludzie przystosowali się do posiadania genów ochronnych po tym, jak neandertalczycy cierpieli na promieniowanie podczas wycieczki, która pogarszała pole magnetyczne.
„Od pewnego czasu dyskutuje się, czy odwrotności magnetyczne mają wpływ na faunę i flotę na powierzchni Ziemi”, mówi. „Większość wczesnych twierdzeń jest niedorzeczna, ponieważ chronologia nie była wystarczająco dobra, aby wiedzieć, że na przykład odkrycie skamielin neandertalczyków korelowało z wycieczką. Ale teraz znamy te czasy znacznie lepiej. ”
Przez ostatnie 200 lat lub więcej ziemskie pole magnetyczne zanikało w tempie pięciu procent każdego stulecia. Jeśli to osłabienie i niedawna migracja północnego bieguna magnetycznego wskazują na zbliżające się odwrócenie pola, może to mieć poważne implikacje dla technologii opartych na satelitach, które mogą zostać uszkodzone przez promieniowanie kosmiczne. Singer ostrzega jednak, że odwrócenie tej sytuacji prawdopodobnie nie nastąpi przez następne kilka tysiącleci.
„To, co widzimy teraz, gdy Biegun Północny porusza się szybko, to właściwie całkiem normalne” - mówi Singer. „Są tam publikowane artykuły oparte na znacznie gorszych zapisach niż te, nad którymi pracujemy, które sugerują, że cofnięcie może nastąpić w czasie krótszym niż ludzkie życie, a to po prostu nie jest poparte zdecydowaną większością zapisów. … Rzeczywiste odwrócenie, ostateczne odwrócenie, zajmuje kilka tysięcy lat. ”
To powinno dać ludzkości trochę czasu na lepszą ochronę jej technologii przed promieniowaniem do następnego odwrócenia. Do tego czasu nie przejmuj się, jeśli kompas przesunie się o stopień lub dwa.
