Sirkler rundt den solide indre kjernen av planeten vår, mer enn 1800 mil under overflaten, genererer varmt flytende jern et magnetfelt som strekker seg utenfor atmosfæren. Dette feltet gir oss alt fra kompassretninger til beskyttelse mot kosmiske stråler, så det er ingen overraskelse at forskere ble skremt tidligere i år da de la merke til at den nordlige magnetpolen raskt drev mot Sibir. Mens geofysikere snublet for å frigjøre en oppdatert modell av jordas magnetfelt i forkant av femårsplanen, stilte den vandrende pol et presserende spørsmål: Forbereder jordas magnetfelt seg til å snu?
Den magnetiske tilstanden til vår verden endres kontinuerlig, med de magnetiske nord- og sørpolene vandrende noen få grader hvert århundre. Noen ganger opplever magnetfeltet en fullstendig polaritets reversering, noe som får magnetiske nord- og sørpolene til å bytte plass, selv om ingen vet nøyaktig hva som forårsaker denne turnusen. (Faktisk er planetens nordpol en magnetisk sørpol akkurat nå, men det er fortsatt referert til som "magnetisk nord" for å samsvare med våre geografiske målinger.)
I en studie publisert i dag i Science Advances, rapporterer forskere en ny estimert tidslinje for den siste polaritets reverseringen, kalt Brunhes-Matuyama-reverseringen, som skjedde for rundt 780 000 år siden. Ved å bruke en kombinasjon av lavaprøver, havsedimenter og iskjerner, var de i stand til å spore utviklingen av denne reverseringen og demonstrere at mønsteret var lengre og mer komplekst enn antydet av tidligere modeller. Funnene kan muliggjøre bedre forståelse av hvordan planetens magnetiske miljø utvikler seg og forhåpentligvis lede spådommer for den neste store forstyrrelsen.
"[Polarity reversal] er et av få geofysiske fenomener som virkelig er globale, " sier Brad Singer, professor i geovitenskap ved University of Wisconsin – Madison og hovedforfatter av studien. “Det er en prosess som kommer i gang i de dypeste delene av jorden, men den manifesterer seg i bergarter over hele overflaten av planeten og påvirker atmosfæren på ganske viktige måter. ... Hvis vi kan etablere kronologi for tidspunktet for tilbakeføringer, har vi markører som vi kan bruke til å datere bergarter over hele planeten og kjenner til felles tidspunkter rundt hele jorden. ”
Generasjonen av jordas magnetfelt starter helt i sentrum. Varme fra den faste indre kjernen produsert ved radioaktivt forfall varmer det omkringliggende flytende jernet, og får det til å sirkulere som en gryte med vann på en komfyr. Jernets væskebevegelse, eller konveksjon, skaper en elektrisk strøm, som genererer et magnetfelt. Når jorden snurrer, justeres magnetfeltet omtrent med rotasjonsaksen, og skaper de magnetiske nord- og sørpolene.
I løpet av de siste 2, 6 millioner årene snudde jordas magnetfelt 10 ganger og nesten snudd mer enn 20 ganger under hendelser som ble kalt utflukter. Noen forskere mener reversering av polaritet er forårsaket av en forstyrrelse i balansen mellom jordens rotasjon og temperaturen i kjernen, noe som endrer væskebevegelsens væskebevegelse, men den nøyaktige prosessen er fortsatt et mysterium.
Skjematisk illustrasjon av de usynlige magnetfeltlinjene generert av jorden, representert som et dipolmagnetfelt. I virkeligheten blir vårt magnetiske skjold presset inn nærmere Jorden på den solvendte siden og ekstremt langstrakt på nattsiden på grunn av solvinden. (Peter Reid / NASA) Sanger og kolleger oppnådde mer presise kronologiske estimater for den siste polaritets reverseringen ved å bruke nye teknikker for datering av størknet lava. Basaltisk lava, som utbryter rundt 1.100 grader celsius (2.012 grader Fahrenheit), inneholder magnetitt, et jernoksid hvis ytterste elektroner orienterer seg langs jordas magnetfelt. Når lavaen kjøles ned til 550 grader Celsius (1022 grader Fahrenheit), "blir magnetiseringsretningen låst, bokstavelig talt bakt inn i strømmen, " sier Singer. Som et resultat blir magnetfeltets historie stemplet i den størknede lavaen, som Singer og teamet hans kunne lese ved hjelp av en spesialisert prosess for å måle argonisotoper fra de forfalne lavaprøvene.
Dessverre for geologer (men heldigvis for resten av oss), bryter vulkaner ikke ut hele tiden, noe som gjør lava til en spottet rekordholder for magnetfeltets utvikling. For å sy sammen de manglende datoene, kombinerte forskerteamet de nye målingene fra syv forskjellige lavakilder rundt om i verden med fortidens registreringer av magnetiserte elementer i havsedimenter og Antarktiske iskjerner. I motsetning til lava gir havet en kontinuerlig registrering av magnetisering, siden korn av magnetisk materiale konstant legger seg på havbunnen og stemmer overens med planetens felt. "Men disse postene blir jevn og deformert av komprimering, og det er mange critters som bor i bunnen av havbunnen ... så rekorden blir ødelagt litt, " sier Singer.
Antarktis is tilbyr en tredje måte å løse historien til jordas magnetfelt, siden den inneholder prøver av en berylliumisotop som dannes når kosmisk stråling sterkt samvirker med den øvre atmosfæren - nøyaktig hva som skjer når magnetfeltet svekkes under en utflukt eller reversering.
Ved å kombinere alle disse tre kildene lappet forskerne sammen en grundig historie for hvordan magnetfeltet utviklet seg under sin siste reversering. Mens tidligere studier antydet at alle reverseringer går gjennom tre faser i en tidsperiode på ikke mer enn 9 000 år, oppdaget Singers team en mye mer kompleks reverseringsprosess som tok over 22 000 år å fullføre.
"Vi kan se mye mer nyanser av voksing og avtakelse av styrker og retningsoppførsel i løpet av denne 22 000-årige perioden enn noen gang før, " sier Singer. "Og det stemmer ikke med [trefase] mønsteret ... så jeg tror de blir nødt til å gå tilbake til tegnebrettet."
Funnene stiller spørsmål ved om fremtidige felt reverseringer vil ha lignende vanskeligheter og varighet. "Dette er en viktig artikkel, siden den dokumenterer nye vulkanske data, og samler vulkanske og sedimentære poster som angår ustabilitet i det geomagnetiske feltet før den siste polaritets reverseringen, " sier James Channell, en geofysiker fra University of Florida som ikke var involvert. i den nye forskningen, i en e-post. “Er dette ustabilitet før reversering et kjennetegn på alle polaritets reverseringer? Foreløpig er det ingen bevis for dette fra eldre tilbakeføringer. ”
Studer medforfatter Rob Coe og Trevor Duarte som orienterer kjerner fra et lavastrømningssted som registrerer Matuyama-Brunhes magnetiske polaritets reversering i Haleakala nasjonalpark, Hawaii, i 2015. (Brad Singer) Selv med de tre målesettene, gjenstår det et spørsmål om hvorvidt den sammenlagte historien gir nok informasjon om hvor lang tid en reversering tar og nøyaktig hvilken tilstand feltet er i når slike flipper oppstår. "Så lenge ingen fullstendig oversikt viser bevis for den komplekse rekkefølgen av hendelser som er skildret av forfatterne, er jeg ikke overbevist om at usikkerhetene i tidene lar oss skille mer enn to distinkte faser, " sier Jean-Pierre Valet, en geofysiker fra Paris Institute of Earth Physics som ikke var involvert i forskningen, i en e-post. Betjent stiller også spørsmål ved varigheten av tilbakeføringen, og argumenterer for at usikkerhet i dataene antyder at hele prosessen kunne ha variert fra 13 000 år til 40 000 år - fortsatt lenger enn tidligere estimater.
Å lære mer om prosessene som fører til reversering av polaritet kan være kritisk for fremtidige sivilisasjoner, siden det skiftende magnetfeltet kan ha vidtrekkende effekter på planeten.
"Når [magnetisk] -feltet er svakt, som er under reversering, kollapser hoveddipolfeltet til noe i størrelsesorden ti prosent av dets normale styrke, " sier Singer. Denne kollapsen kan stave problemer for livet på jorden, siden magnetfeltet stabiliserer ozonmolekyler og beskytter planeten mot ultrafiolett stråling. Singer påpeker at nyere arbeid antyder at moderne mennesker er tilpasset å ha beskyttende gener etter at neandertalerne led av stråling under en utflukt som forverret magnetfeltet.
"Det har vært diskutert en god stund om magnetiske reverseringer har innvirkning på biota på jordoverflaten, " sier han. ”De fleste av de tidlige påstandene er litt av uposterøs, fordi kronologien ikke var god nok til å vite at oppdagelsen av fossiler av neandertalere, for eksempel, var korrelativ med en utflukt. Men nå vet vi at timingene er mye bedre. ”
I løpet av de siste 200 årene eller mer har jordas magnetfelt forfalt med en hastighet på fem prosent hvert århundre. Hvis denne svekkelsen og den nylige migrasjonen av den nordlige magnetpolen indikerer en reversering av felt, kan det ha alvorlige konsekvenser for teknologier som er avhengige av satellitter, som kan bli skadet av kosmisk stråling. Singer advarer imidlertid om at en tilbakeføring trolig ikke vil skje de neste par årtusenene.
"Det vi ser nå med nordpolen beveger seg raskt, det er faktisk ganske normalt, " sier Singer. "Det er publisert artikler der ute basert på mye dårligere poster enn de vi jobber med som antyder at en reversering kan skje på mindre enn en menneskelig levetid, og det støttes bare ikke av de aller fleste poster. ... Selve reverseringen, den endelige reverseringen, tar flere tusen år. ”
Det burde kjøpe menneskeheten litt tid for å bedre beskytte teknologiene mot stråling ved neste reversering. Inntil da, ikke bli skremt hvis kompasset ditt skifter med en grad eller to.
