Den vending af Jordens magnetfelt (også kaldet det geomagnetiske felt) er en tilbagevendende fænomen i Jordens geologiske historie , den magnetiske nordpol flytter til den geografiske sydpol , og omvendt. Det er resultatet af en forstyrrelse af stabiliteten i jordens kerne . Det geomagnetiske felt får derefter panik i en kort periode (1.000 til 10.000 år), hvor de magnetiske poler bevæger sig hurtigt over hele jordoverfladen eller forsvinder afhængigt af teorierne.
Under denne overgang er intensiteten af det geomagnetiske felt meget svag, og planetens overflade kan udsættes for solvinden , der potentielt er farlig for levende organismer . Hvis dette skulle ske i dag, kunne mange teknologier, der bruger det geomagnetiske felt, også blive påvirket.
Ved afslutningen af denne overgangsperiode vender enten magnetpolerne tilbage til deres udgangspositioner, det er da kun et spørgsmål om en geomagnetisk udflugt, eller de tillader, og man taler derefter om inversion.
Jordens mark er vendt omkring 300 gange i de sidste 200 millioner år. Den sidste tilbageførsel fandt sted for 780.000 år siden, og den sidste udflugt for 33.000 år siden, ingen ved, hvornår den næste vil finde sted.
Det var i 1905, at Bernard Brunhes viste, at visse vulkanske klipper blev magnetiseret i den modsatte retning af det lokale jordbaserede magnetfelt ; han konkluderer, at marken kan vendes.
Det første skøn over tidspunktet for magnetiske tilbageførsler er lavet i 1920'erne af Motonori Matuyama , der bemærker, at klipper med omvendte felter alle stammer fra det tidlige Pleistocæn eller tidligere. På det tidspunkt var polariteten på jordens felt dårligt forstået, og muligheden for tilbageførsler vakte ringe interesse.
Men 30 år senere, når Jordens magnetfelt er bedre forstået, antyder mere avancerede teorier, at Jordens felt måske er vendt i den fjerne fortid. Meget af den paleomagnetiske forskning i slutningen af 1950'erne inkluderer en undersøgelse af polvandring og kontinentaldrift . Selvom det er blevet opdaget, at nogle klipper vender deres magnetfelt under køling, bliver det tydeligt, at de fleste magnetiserede vulkanske klipper bevarer spor af Jordens magnetfelt, når klippen er afkølet. I mangel af pålidelige metoder til nøjagtig datering af klipper antages det, at inversioner sker ca. en gang hver million år.
De radiometriske dateringsteknikker udviklet i 1950'erne tillader et stort fremskridt i forståelsen af magnetiske inversioner. Allan Cox og Richard Doell, ved United States Geological Survey , ønskede at vide, om vendingerne var sket med jævne mellemrum, og opfordrede geokronolog Brent Dalrymple til at slutte sig til deres gruppe. De designede den første skala af magnetisk polaritet i 1959 . Da dataene blev akkumuleret, fortsatte de med at forfine denne skala og konkurrerede med Don Tarling og Ian McDougall fra Australian National University . En gruppe ledet af Neil Opdyke ved Lamont-Doherty Geological Observatory viste, at det samme mønster af tilbageførsler registreres i sedimenter opsamlet fra hjertet af dybt vand.
I løbet af 1950'erne og 1960'erne blev oplysninger om variationer i jordens magnetfelt primært indsamlet fra oceanografiske skibe . Men de komplekse ruter for søveje gør det vanskeligt at knytte navigationsdata til magnetometeraflæsninger . Det var først, da dataene blev plottet på et kort, at bemærkelsesværdigt regelmæssige og kontinuerlige magnetbånd dukkede op på havbunden.
I 1963 fremlagde Frederick Vine og Drummond Matthews en simpel forklaring ved at kombinere Harry Hess ' teori om ekspansion af havbunden med den kendte tidsplan for inversioner: hvis en ny havbund magnetiseres i retning af marken, vil den ændre sin polaritet, når felt er omvendt. Således vil ekspansionen af havbunden fra en central højderyg producere magnetiske bånd parallelt med højderyggen.
De Canadiens LW Morley tilbud uafhængigt en lignende forklaringJanuar 1963, men hans arbejde blev afvist af de videnskabelige tidsskrifter Nature and Journal of Geophysical Research og forblev upubliceret indtil 1967 , da det optrådte i det litterære tidsskrift Saturday Review . Morley-Vine-Matthews-hypotesen er det første afgørende videnskabelige trin i teorien om havbundsekspansion og kontinentaldrift.
Begyndende i 1966 fandt forskere ved Lamont-Doherty Geological Observatory , at de magnetiske profiler på Pacific Crest Trail var symmetriske og matchede dem på højderygge på Reykjanes Ridge i Nordatlanten. De samme magnetiske anomalier findes i de fleste af verdenshavene, hvilket giver et skøn over, hvornår det meste af havskorpen udviklede sig.
I 2017 formåede forskere fra Grenoble at modellere turbulensen i den ydre kerne af jorden, hvilket hjælper med at forstå geomagnetiske ændringer.
Ifølge den nuværende teori er Jordens kerne , ligesom andre planeter, en gigantisk magnetohydrodynamisk dynamo, der genererer Jordens magnetfelt . Dette fænomen skyldtes bevægelser af den ydre kerne , der består af legeringer af jern og smeltet nikkel , og de elektriske strømme induceret i forhold til den indre (faste) kerne .
I simuleringerne observeres det, at magnetfeltlinjerne undertiden kan blive uorganiserede og sammenfiltrede på grund af de kaotiske bevægelser af det flydende metal i jordens kerne .
Gary Glatzmaier og hans samarbejdspartner Paul Roberts fra University of California i Los Angeles har simuleret Jordens magnetfelt i mere end 40.000 år, og der er observeret en inversion. Der er også observeret uregelmæssige inversioner i laboratoriet under eksperimenter med flydende metal ( VKS-eksperiment ).
I disse simuleringer vender magnetfeltet spontant som et resultat af ustabilitet i kernen. Dette scenario understøttes af observationer af solmagnetfeltet , som gennemgår spontane tilbageførsler hvert 9-12 år eller deromkring. Imidlertid observeres det, at den magnetiske solintensitet stiger betydeligt før en inversion, mens det på jorden ser ud til, at inversioner sker i perioder med lav feltstyrke.
Det antages generelt, at den jordbaserede dynamo stopper, enten spontant eller efter en udløsende begivenhed, og at den efter en overgangsperiode (fra 1000 til 10.000 år) sætter af sted igen med polen magnetisk nord op eller ned. Når nord igen vises i den modsatte retning, er det en inversion; når det vender tilbage til sin oprindelige position, er det en geomagnetisk udflugt .
En anden teori foreslås af et team af franske forskere. I henhold til denne overgang, i henhold til det paleomagnetiske arbejde, de har udført, bevæger sig nordpolen, krydser ækvator (når undertiden Antarktis ) og kører derefter mod øst, inden han vender tilbage til sand nord i henhold til en stor sløjfe skitseret med uret; nogle gange finder udflugten sted i den modsatte retning, men følger den samme rute. I alle tilfælde ledsages denne bevægelse af en markant svækkelse af feltets værdi.
Denne lighed mellem banerne får disse forskere til at antage, at Jordens magnetfelt består af to forskellige felter, det for frøet (indre kerne), der består af solidt metal, og det for den ydre kerne. Frøet udgør en slags "magnetisk reservoir", der akkumulerer dette ydre felt.
Når magnetfeltet i den ydre kerne af en eller anden ukendt årsag vender, kan frøets magnetfelt muligvis ikke følge denne bevægelse, afhængigt af dens størrelse: hvis de to felter skifter, opnås en total vending; hvis frøfeltet modstår, vender feltet til den ydre kerne tilbage til sin oprindelige orientering, er det en udflugt.
Da orienteringen af polerne forbliver den samme efter en geomagnetisk udflugt, er det vanskeligt at genkende dem i de naturlige geologiske optegnelser. Der er derfor kun få data om dem.
En anden hypotese som følge af korrelerede målinger er, at der er en forbindelse mellem jordbaserede magnetiske ændringer og ændringer i tyngdefelter induceret af ændringer i strømmen inden for jordens kerne , og årsagen til virkningen skal stadig bevises og den teoretiske model skal bevises. at bygge.
Hypotese af den udløsende begivenhedNogle forskere, som Richard A. Muller , mener, at geomagnetiske tilbageførsler udløses af begivenheder, der forstyrrer strømmen af jordens kerne . Disse begivenheder kan være af ekstern oprindelse, ligesom virkningen af en komet , eller intern, som indgangen af kontinentale plader i kappen ved hjælp af pladetektonik eller opstrømning af lava ved kanten af kappen. Kerne-kappe grænse.
Tilhængere af denne teori hævder, at nogen af disse begivenheder kan føre til en stor forstyrrelse af dynamoen, der fuldstændigt slukker det geomagnetiske felt. Da magnetfeltet er stabilt både med den nuværende nord-syd-orientering og i omvendt orientering, foreslår de, at det efter overgangen spontant vælger en retning, og at der er en til to chance for, at en vending sker.
Imidlertid ser den foreslåede mekanisme ikke ud til at fungere kvantitativt , og stratigrafiske beviser for en sammenhæng mellem inversioner og kosmisk påvirkning er svage. Mere slående er der ingen beviser for en kosmisk tilbageførsel, der forårsagede kridt-tertiær udryddelse .
Magnetfeltet forsvinder muligvis ikke helt, idet mange poler dannes kaotisk forskellige steder, indtil reverseringen stabiliseres igen. En NASA-model (modsat) viser, at magnetfeltets akse i denne periode skifter ekstremt hurtigt, indtil den vendes helt.
Generelt anslås varigheden af en polaritetsovergang at være mellem 1.000 og 10.000 år. Imidlertid blev der observeret flere hurtigere overgange:
Ifølge en teori er overgangen kun det andet af tre stadier af tilbageførslen, der hver gennemsnitligt varer 2.000 år. Den første er den såkaldte forløberfase: polerne bevæger sig mod den jordbaserede ækvator og vender derefter tilbage til deres oprindelige position; efter overgangen bringer en tredje fase, reboundet, polerne tilbage til ækvator, før de vipper definitivt.
Under denne overgang er magnetfeltets styrke meget svag, og planetens overflade kan udsættes for solstråling . Mange teknologier, der bruger magnetfeltet, kan også blive påvirket.
Solstråling og vindFlere forskere har spekuleret i, at hvis magnetfeltets styrke falder kraftigt, kunne de højenergipartikler, der er fanget i Van Allen-bæltet, frigøres og bombardere Jorden.
En anden hypotese om McCormac og Evans antager, at det jordbaserede felt helt ville forsvinde under inversioner. De hævder, at Mars atmosfære måske er blevet udhulet af solvinden, fordi den manglede et magnetfelt for at beskytte det.
Imidlertid viser paleointensitetsmålinger gennem de sidste 800.000 år, at magnetfeltet aldrig forsvinder helt. Den magnetopause altid forbliver på en anslået afstand på omkring tre Earth stråler under Brunhes-Matuyama vending .
Hvis magnetfeltet svækkes kraftigt eller forsvinder, kan solvindens påvirkning fremkalde et tilstrækkeligt magnetfelt i ionosfæren til at beskytte overfladen af de energiske partikler , men denne kollision ville generere en sekundær stråling af type 10 Be eller 36 Cl, som enten under udflugter eller under inversioner.
Elektromagnetiske forstyrrelserVisse effekter kan vise sig at være meget skadelige for vores moderne samfund, forstyrrelser af elektromagnetiske signaler , elektroniske enheder , for tidlig korrosion af rørledninger , op til massive strømafbrydelser som i 1989 i Quebec , konsekvenserne er utallige.
Mindre solstorme opstod i 2003 , hvilket fik det svenske elnet til at lukke . I 1859 havde en række solstråler fået nordlyset til at nå de caribiske øer . En fuldstændig vending af magnetfeltet kunne føre til udryddelse af alle elektriske apparater på planeten, "hvilket ville koste økonomien titusindvis af milliarder dollars om dagen" .
UdryddelseKort efter, at den første tidshorisont for geomagnetisk polaritet blev produceret, begyndte forskere at stille spørgsmålstegn ved, om polaritetshændelser kunne være forbundet med udryddelse.
Korrelationstest mellem udryddelse og tilbageførsel er vanskelige af flere årsager. Store dyr er for sjældne i den fossile rekord til god statistik. Selv mikrofossile data kan være tvivlsomme, da fossile optegnelser grundlæggende ikke er komplette. Det kan virke som om der er sket en udryddelse i slutningen af et polaritetsinterval, når vi simpelthen ikke har opdaget nogen data om resten af dette polaritetsinterval.
Der er også fremsat hypoteser, der knytter tilbageførsler til masseudryddelse. De fleste af disse argumenter var baseret på en tilsyneladende periodicitet af tilbageførsler. Men nærmere analyser viser, at tilbageførselshastigheden ikke er konstant. Det er dog muligt, at enderne af superkronerne oplevede en kraftig konvektion, der førte til meget omfattende vulkanisme , og asken, der blev frigivet i luften, forårsagede udryddelse.
I 2010 argumenterede to franske forskere fra INSU for, at svækkelsen af det magnetiske skjold gjorde det muligt for protoner, der udsendes af solen, at trænge dybere ind i lagene i atmosfæren, hvor de derefter genererer kaskadekemiske reaktioner, som især resulterer i dannelsen af nitrogenoxid , et stof, der ødelægger ozonlaget . Levende ting skal derefter klare en øget produktion af UV-B i lang tid med betydelige toppe under solblus . Disse effekter er blevet undersøgt i Sydamerika på grund af den sydatlantiske magnetiske anomali . Imidlertid antyder statistisk analyse ikke nogen sammenhæng mellem tilbageførsler og udryddelse.
Undersøgelsen af magnetitten til stede i gammelt keramik gør det muligt at måle intensiteten af det jordbaserede magnetfelt på tidspunktet for oprettelsen af objektet. Denne teknik giver os mulighed for at sige, at intensiteten af jordens felt er faldende i 1.500 år. Målinger udført over hele kloden bekræfter, at intensiteten er faldet med 10% på 50 år.
Den Jordens magnetiske nordpol er flyttet fra det nordlige Canada til Sibirien (1.100 km ) med et aktuelt stigende hastighed. I 1970 flyttede den 10 km om året mod 40 km i 2003 og har siden da kun accelereret. I det sidste årti har magnetisk nord bevæget sig omkring en grad hvert femte år.
I 2013 lancerede Den Europæiske Rumorganisation SWARM- missionen , hvor et af målene er at forudsige datoen for den næste vending.
I en artikel, der blev offentliggjort i 2017 om The Conversation , forklarer to forskere fra University of Leeds , at en ny vending af Jordens magnetiske poler kunne forekomme inden for 2000 år.
Ingen er dog sikre på, at reduktionen i marken fortsætter i fremtiden. Da ingen nogensinde har observeret disse inversioner, og da mekanismen til dannelse af magnetfeltet stadig ikke er godt forstået, er det vanskeligt at sige, om de observerede variationer er tegn på en ny inversion eller en geomagnetisk udflugt.
Faldshastigheden og strømintensiteten ligger inden for det normale variationsområde, som det fremgår af de tidligere variationer, der er præget i klippen, af magnetfeltet.
Naturen på Jordens magnetfelt er en af de heteroscedastiske udsving . En øjeblikkelig måling af marken eller flere målinger af den i årtier eller århundreder er ikke tilstrækkelig til at ekstrapolere en generel tendens i feltstyrke. Det er gået op og ned tidligere uden nogen åbenbar grund. Derudover er det ikke tilstrækkeligt at bemærke dipolfeltets lokale intensitet (eller dets udsving) til at karakterisere jordens magnetfelt som helhed, fordi det ikke er strengt dipolært. Dipolelementet i jordens felt kan falde, selvom det samlede magnetiske felt forbliver det samme eller øges.
Gennem analysen af magnetiske anomalier på havbunden og dateringen af inversionssekvenser på jorden har paleomagnetikere udviklet en tidsskala for geomagnetisk polaritet (TAG). Tidsintervallet mellem to inversioner kaldes polaritetsintervallet . Den aktuelle tidsplan indeholder 184 i de sidste 83 millioner år.
Polarintervallerne er klassificeret efter deres varighed:
Polaritetsintervaller, der varer mindre end 30.000 år, kaldes kryptokroner , fordi nuværende teknikker ikke kan skelne dem fra geomagnetiske udflugter.
Jordens felt er vendt omkring 300 gange i de sidste 200 millioner år. Den sidste tilbageførsel fandt sted for 780.000 år siden.
SuperchronsDer er to veletablerede superkroner, Cretaceous Normal og Kiaman . En tredje kandidat, Moyero , er mere kontroversiel. Den Jurassic Stille Zone blev engang betragtet som en superchron, men er nu tilskrives andre årsager.
Visse områder af havbunden, over 160 Ma , udviser magnetiske anomalier med lav amplitude, som er vanskelige at fortolke. De findes på østkysten af Nordamerika , Afrikas nordvestkyst og i det vestlige Stillehav . Det blev oprindeligt anset for at være en superkron kaldet Jurassic Quiet Zone , men magnetiske anomalier, der fandt sted i løbet af denne tid, er blevet opdaget. Det geomagnetiske felt vides at have haft en lav intensitet mellem ca. 170 Ma og 130 Ma ANE, og disse dele af havbunden er særlig dybe, hvilket dæmper signalet mellem havbunden og overfladen.
Den frekvens af Jordens magnetfelt tilbageførsler har varieret betydeligt over tid.
Disse perioder, hvori inversionen ofte er, skifter med nogle få superkroner.
Vi giver normalt en udflugt navnet på det sted, hvor den blev opdaget:
Alle disse udflugter fandt sted under den aktuelle krønike, det vil sige efter den sidste vending til dato . Andre ældre udflugter er blevet opdaget som Cobb Mountain , der fandt sted for 1,2 år siden .
Flere undersøgelser har analyseret de statistiske egenskaber ved inversioner i håb om at lære noget om deres underliggende mekanisme. Den diskriminerende styrke ved statistiske tests er begrænset af det lille antal polaritetsintervaller. Ikke desto mindre er nogle generelle egenskaber veletablerede. Især modellen for inversioner er tilfældig . Der er ingen sammenhæng mellem længderne af polaritetsintervallerne. Der er ingen præference for normal eller omvendt polaritet og ingen statistisk forskel mellem fordelingen af disse polariteter. Denne mangel på bias er også en robust forudsigelse af dynamoteorien. Endelig, som nævnt ovenfor, varierer tilbageførselshastigheden over tid.
Tilfældigheden af inversionen er uforenelig med periodiciteten , men flere forfattere har hævdet at finde periodiciteten. Imidlertid er disse resultater sandsynligvis artefakter fra en analyse, der bruger glidende vinduesprotokoller til at bestemme inversionshastigheder.
De fleste statistiske inversionsmodeller analyserer dem som en Poisson-proces eller andre typer fornyelsesprocesser . En Poisson-proces ville i gennemsnit have en konstant inversionsrate, så det er almindeligt at bruge en ikke-stationær Poisson-proces. Sammenlignet med en Poisson-proces er der imidlertid en reduceret sandsynlighed for en inversion i titusinder af år efter en inversion. Dette kan skyldes en hæmning i den underliggende mekanisme eller kan bare betyde, at nogle kortere polaritetsintervaller er gået glip af. En tilfældig inversionsmodel med inhibering kan repræsenteres ved en gammaproces . I 2006 fandt et team af fysikere fra University of Calabria, at inversioner også kan svare til en Lévy-distribution , som beskriver stokastiske processer med langsigtede korrelationer mellem begivenheder over tid. Dataene er også kompatible med en deterministisk , men kaotisk proces.
Der er to discipliner afsat til undersøgelse og datering af begivenheder med geomagnetisk polaritet:
Paleomagnetisme er studiet af terrestriske geomagnetiske variationer.
Feltreverseringer, der allerede har fundet sted, er registreret ved størkning af ferromagnetiske (eller mere præcist, ferrimagnetiske ) mineraler indeholdt i konsoliderede sedimentære aflejringer eller i afkølede vulkanske strømme .
De geomagnetiske vendinger, der allerede har fundet sted, blev først bemærket ved at observere anomalierne i magnetbåndene på havbunden. Lawrence W. Morley , Frederick John Vine og Drummond Hoyle Matthews lavede forbindelsen med oceanisk ekspansion i Morley-Vine-Matthews- hypotesen, som hurtigt førte til udviklingen af teorien om pladetektonik . Den relativt konstante hastighed, hvormed havbunden spredes, skaber bånd i substratet, hvorfra polariteten af det tidligere magnetfelt kan udledes, herunder trækning af et magnetometer langs havbunden.
Da ingen subduktionszone (skub fra havbunden over kontinentale plader), der findes i dag, er mere end 190 millioner år gammel (Ma), er der behov for andre metoder til at opdage ældre inversioner. De fleste sedimentære klipper indeholder små mængder jernrige mineraler, hvis retning er påvirket af det omgivende magnetfelt på det tidspunkt, de blev dannet. Disse klipper kan bevare et register over marken, hvis det ikke slettes af en kemisk , fysisk eller biologisk ændring bagefter.
Da magnetfeltet er globalt, kan lignende mønstre af magnetiske variationer opnået forskellige steder bruges til at bekræfte dateringen. I løbet af de sidste fire årtier er der indsamlet en hel del paleomagnetiske data om havbundens alder (op til ~ 250 Ma ) og bruges til at estimere alderen på geologiske sektioner . Denne teknik afhænger af absolutte dateringsmetoder såsom radiometriske metoder til at bestemme datoen for en inversion. Det er blevet særligt nyttigt for metamorfe og magmatiske geologer, der har få stratigrafiske fossiler .
Arkæomagnetisme er studiet af variationer i jordens magnetfelt registreret af magnetiske mineraler til stede i ler og tillader undersøgelse af nylige magnetiske variationer (på skalaen af menneskets historie).
En anden skala for polaritetsinterval.
Bevægelsen af den magnetiske nordpol over det canadiske arktiske område, 1831-2001.
Struktur af magnetosfæren.
Dynamoprocessen ved oprindelsen af Jordens magnetfelt.
Magnetometre kan måle planeternes magnetfelt som meget følsomme kompasser.
Dimensioner og indre temperaturer på den jordiske klode.
Snitbillede af jorden.