Odwrócenie geomagnetyczne - Geomagnetic reversal

Polaryzacja geomagnetyczna w ciągu ostatnich 5 milionów lat ( pliocen i czwartorzęd , późny kenozoik ). Ciemne obszary oznaczają okresy, w których polaryzacja odpowiada dzisiejszej normalnej polaryzacji; jasne obszary oznaczają okresy, w których ta polaryzacja jest odwrócona.

Geomagnetyczne odwrócenie jest zmiana planety pola magnetycznego tak, że pozycje magnetycznej północy i południa magnetycznego są zamienione (nie mylić z północy geograficznej i południa geograficznego ). Pole ziemskie zmieniało się pomiędzy okresami o normalnej polaryzacji, w których dominujący kierunek pola był taki sam jak obecny kierunek, a odwrotną polaryzacją, w której było przeciwne. Okresy te nazywane są chronami .

Zdarzenia odwrócenia są statystycznie losowe. W ciągu ostatnich 83 milionów lat doszło do 183 odwróceń (średnio raz na ~ 450 000 lat). Ostatnie, odwrócenie Brunhes-Matuyama , miało miejsce 780 000 lat temu, przy bardzo różnych szacunkach, jak szybko to nastąpiło. Inne źródła szacują, że czas potrzebny do zakończenia odwrócenia wynosi średnio około 7000 lat dla czterech ostatnich odwróceń. Clement (2004) sugeruje, że ten czas trwania zależy od szerokości geograficznej, z krótszymi czasami na niskich szerokościach geograficznych i dłuższymi na średnich i wysokich szerokościach geograficznych. Chociaż zmienny, czas trwania pełnego odwrócenia wynosi zwykle od 2000 do 12 000 lat.

Chociaż zdarzały się okresy, w których pole ulegało globalnemu odwróceniu (takie jak wyprawa Laschampa ) przez kilkaset lat, zdarzenia te są klasyfikowane raczej jako wycieczki niż pełne odwrócenie geomagnetyczne. Chrony stabilnej polaryzacji często pokazują duże, szybkie odchylenia kierunkowe, które występują częściej niż odwrócenia i mogą być postrzegane jako nieudane odwrócenia. Podczas takiego wyskoku pole odwraca się w ciekłym jądrze zewnętrznym , ale nie w stałym rdzeniu wewnętrznym . Dyfuzja w płynnym jądrze zewnętrznym trwa 500 lat lub mniej, podczas gdy w stałym jądrze wewnętrznym jest dłuższa, około 3000 lat.

Historia

Na początku XX wieku geolodzy tacy jak Bernard Brunhes po raz pierwszy zauważyli, że niektóre skały wulkaniczne zostały namagnesowane w kierunku przeciwnym do kierunku lokalnego pola ziemskiego. Pierwsze oszacowanie czasu odwróceń magnetycznych zostało dokonane przez Motonori Matuyama w latach dwudziestych; zauważył, że skały z odwróconymi polami były wszystkie z wczesnego plejstocenu lub starsze. W tamtych czasach polaryzacja Ziemi była słabo rozumiana, a możliwość odwrócenia nie wzbudzała większego zainteresowania.

Trzy dekady później, kiedy lepiej zrozumiano pole magnetyczne Ziemi, rozwinięto teorie sugerujące, że pole Ziemi mogło ulec odwróceniu w odległej przeszłości. Większość badań paleomagnetycznych pod koniec lat pięćdziesiątych obejmowała badanie wędrówek biegunów i dryfu kontynentów . Chociaż odkryto, że niektóre skały odwracają swoje pole magnetyczne podczas chłodzenia, stało się jasne, że większość namagnesowanych skał wulkanicznych zachowała ślady pola magnetycznego Ziemi w czasie, gdy skały ostygły. Wobec braku wiarygodnych metod określania wieku bezwzględnego skał uważano, że odwrócenia zachodziły w przybliżeniu co milion lat.

Kolejny duży postęp w zrozumieniu odwróceń nastąpił, gdy w latach 50. XX wieku udoskonalono techniki datowania radiometrycznego . Allan Cox i Richard Doell z United States Geological Survey chcieli wiedzieć, czy odwrócenia występują w regularnych odstępach czasu, i zaprosili geochronologa Brenta Dalrymple'a do przyłączenia się do ich grupy. Opracowali pierwszą skalę czasu biegunowości magnetycznej w 1959 roku. Gromadząc dane, kontynuowali udoskonalanie tej skali, konkurując z Donem Tarlingiem i Ianem McDougallem z Australian National University . Grupa kierowana przez Neila Opdyke'a z Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty wykazała, że ​​ten sam wzór odwrócenia został zarejestrowany w osadach z rdzeni głębinowych.

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych informacje o zmianach pola magnetycznego Ziemi gromadzono głównie za pomocą statków badawczych, ale skomplikowane trasy rejsów oceanicznych utrudniały powiązanie danych nawigacyjnych z odczytami magnetometru . Dopiero gdy dane zostały naniesione na mapę, stało się jasne, że na dnie oceanu pojawiły się niezwykle regularne i ciągłe paski magnetyczne.

W 1963 roku Frederick Vine i Drummond Matthews przedstawili proste wyjaśnienie, łącząc teorię rozprzestrzeniania się dna morskiego Harry'ego Hessa ze znaną skalą czasową odwróceń: nowe dno morskie jest namagnesowane w kierunku ówczesnego pola. W ten sposób dno morskie rozciągające się od środkowej grani będzie wytwarzać pary pasków magnetycznych równoległych do grani. Kanadyjski LW Morley niezależnie zaproponował podobne wyjaśnienie w styczniu 1963 roku, ale jego praca została odrzucona przez czasopisma naukowe Nature i Journal of Geophysical Research i pozostała niepublikowana do 1967 roku, kiedy ukazała się w magazynie literackim Saturday Review . Hipoteza Morley-Vine-Matthews był pierwszy klucz Test naukowy ekspansja dna oceanicznego teorię dryfu kontynentów.

Począwszy od 1966 roku naukowcy z Obserwatorium Geologicznego Lamont-Doherty odkryli, że profile magnetyczne wzdłuż grzbietu Pacyfiku i Antarktyki były symetryczne i odpowiadały wzorcowi w grani Reykjanes na północnym Atlantyku . Te same anomalie magnetyczne znaleziono w większości oceanów na świecie, co pozwoliło oszacować, kiedy rozwinęła się większość skorupy oceanicznej.

Obserwując przeszłe pola

Polaryzacja geomagnetyczna od środkowej jury . Ciemne obszary oznaczają okresy, w których polaryzacja jest zgodna z dzisiejszą polaryzacją, podczas gdy jasne obszary oznaczają okresy, w których ta polaryzacja jest odwrócona. Kredy Normal superchron jest widoczny jako szerokim, czarnym nieprzerwanego pasma koło na środku obrazu.

Przeszłe odwrócenia pola mogą być i były rejestrowane w „zamrożonych” ferromagnetycznych (a dokładniej ferrimagnetycznych ) minerałach skonsolidowanych osadów lub ochłodzonych przepływów wulkanicznych na lądzie.

Przeszłe zapisy odwróceń geomagnetycznych zostały po raz pierwszy zauważone przez obserwację „anomalii” paska magnetycznego na dnie oceanu . Lawrence W. Morley , Frederick John Vine i Drummond Hoyle Matthews dokonali związku z rozprzestrzenianiem się dna morskiego w hipotezie Morley-Vine-Matthews, która wkrótce doprowadziła do opracowania teorii tektoniki płyt . Względnie stałe tempo rozprzestrzeniania się dna morskiego powoduje powstawanie „pasków” podłoża, z których można wywnioskować przeszłą polaryzację pola magnetycznego na podstawie danych zebranych podczas holowania magnetometru wzdłuż dna morskiego.

Ponieważ żadne istniejące dno morskie bez subdukcji (lub dno morskie napierające na płyty kontynentalne ) nie ma więcej niż 180 milionów lat ( Ma ), inne metody są niezbędne do wykrywania starszych odwróceń. Większość skał osadowych zawiera niewielkie ilości minerałów bogatych w żelazo , których orientacja zależy od pola magnetycznego otoczenia w czasie ich powstawania. Skały te mogą zachować zapis pola, jeśli nie zostanie on później wymazany przez zmiany chemiczne, fizyczne lub biologiczne .

Ponieważ pole magnetyczne jest globalnie spójne, podobne wzorce zmian magnetycznych w różnych miejscach można wykorzystać do skorelowania wieku w różnych lokalizacjach. W ciągu ostatnich czterech dekad zebrano wiele danych paleomagnetycznych na temat wieku dna morskiego (do ~ 250 Ma ), które są przydatne do szacowania wieku przekrojów geologicznych. Nie jest to niezależna metoda datowania, ale polega na „bezwzględnych” metodach datowania wieku, takich jak systemy radioizotopowe, w celu uzyskania liczbowego wieku. Stała się szczególnie przydatna dla geologów metamorficznych i magmowych, gdzie skamieniałości przewodnie są rzadko dostępne.

Skala czasu polaryzacji geomagnetycznej

Poprzez analizę anomalii magnetycznych dna morskiego i datowanie sekwencji odwróconych na lądzie, paleomagnetycy opracowali geomagnetyczną skalę czasu polaryzacji (GPTS). Obecna skala czasu zawiera 184 interwały polaryzacji w ciągu ostatnich 83  milionów lat (a zatem 183 odwrócenia).

Zmiana częstotliwości w czasie

Tempo odwróceń w polu magnetycznym Ziemi zmieniało się znacznie w czasie. 72 miliony lat temu (Ma) pole odwróciło się 5 razy w ciągu miliona lat. W okresie 4 milionów lat skoncentrowanym na 54 Ma , nastąpiło 10 odwróceń; na około 42 Ma , 17 odwrócenie nastąpiło w przeciągu 3  milionów lat. W okresie 3  milionów lat, skupiając się na 24 Ma , nastąpiło 13 odwróceń. Nie mniej niż 51 odwróceń miało miejsce w okresie 12 milionów lat, koncentrując się na 15  milionach lat temu . Na przestrzeni 50 000 lat nastąpiły dwa odwrócenia. Te epoki częstych odwróceń zostały zrównoważone kilkoma „superchronami” – długimi okresami, kiedy żadne odwrócenia nie miały miejsca.

Superchrony

Superchron jest przerwa trwająca polaryzacja przynajmniej 10  milionów lat. Istnieją dwa dobrze znane superchrony, kredowy normalny i Kiaman. Trzeci kandydat, Moyero, jest bardziej kontrowersyjny. Kiedyś uważano, że jurajska cicha strefa w anomaliach magnetycznych oceanu reprezentuje superchron, ale teraz przypisuje się ją innym przyczynom.

Kredy Normalny (zwany również kredy Superchron lub C34) trwała prawie 40  milionów lat, od około 120 do 83 milionów lat temu , w tym etapów kredowego okresie od apt przez santonie . Częstotliwość odwróceń magnetycznych stale spadała przed okresem, osiągając swój najniższy punkt (brak odwróceń) w tym okresie. Między kredą normalną a teraźniejszością częstotliwość generalnie wzrastała powoli.

Kiaman Odwrócona Superchron trwał od około późnego karbonu do późnego permu , lub ponad 50  milionów lat, od około 312 do 262 milionów lat temu . Pole magnetyczne miało odwróconą polaryzację. Nazwa „Kiaman” wywodzi się od australijskiej wioski Kiama , gdzie w 1925 r. znaleziono jedne z pierwszych geologicznych dowodów superchronu.

Ordowiku podejrzewa się, że gospodarzem kolejnego superchron, zwany Moyero Odwrócona Superchron , trwający ponad 20  milionów lat (485 do 463  mln lat temu). Do tej pory ten możliwy superchron znaleziono tylko w odcinku rzeki Moyero na północ od koła podbiegunowego na Syberii. Co więcej, najlepsze dane z innych miejsc na świecie nie wskazują na istnienie tego superchronu.

Niektóre regiony dna oceanicznego, starsze niż 160 Ma , mają anomalie magnetyczne o niskiej amplitudzie, które są trudne do zinterpretowania. Występują u wschodnich wybrzeży Ameryki Północnej, północno-zachodniego wybrzeża Afryki i zachodniego Pacyfiku. Kiedyś uważano, że reprezentują superchron zwany cichą strefą jurajską , ale w tym okresie anomalie magnetyczne występują na lądzie. Wiadomo, że pole geomagnetyczne ma niską intensywność od około 130 Ma do 170 Ma , a te odcinki dna oceanu są szczególnie głębokie, co powoduje osłabienie sygnału geomagnetycznego między dnem morskim a powierzchnią.

Statystyczne własności odwróceń

W kilku badaniach przeanalizowano statystyczne właściwości odwróceń w nadziei, że dowiemy się czegoś o ich mechanizmie leżącym u podstaw. Moc dyskryminacyjna testów statystycznych jest ograniczona małą liczbą przedziałów polaryzacji. Niemniej jednak pewne ogólne cechy są dobrze ugruntowane. W szczególności wzór odwróceń jest losowy. Nie ma korelacji między długościami przedziałów polaryzacji. Nie ma preferencji dla normalnej lub odwróconej polaryzacji i nie ma statystycznej różnicy między rozkładami tych polaryzacji. Ten brak stronniczości jest również solidną prognozą teorii dynamo .

Nie ma wskaźnika odwróceń, ponieważ są one statystycznie losowe. Losowość odwróceń jest niezgodna z okresowością, ale kilku autorów twierdziło, że znajduje okresowość. Jednak wyniki te są prawdopodobnie artefaktami analizy wykorzystującej przesuwane okna do próby określenia szybkości odwrócenia.

Większość modeli statystycznych odwróceń przeanalizowała je pod kątem procesu Poissona lub innego rodzaju procesu odnowy . Proces Poissona miałby średnio stałą szybkość odwracania, dlatego często używa się niestacjonarnego procesu Poissona. Jednak w porównaniu z procesem Poissona prawdopodobieństwo odwrócenia jest mniejsze przez dziesiątki tysięcy lat po odwróceniu. Może to być spowodowane zahamowaniem podstawowego mechanizmu lub może to po prostu oznaczać, że pominięto niektóre krótsze przedziały polaryzacji. Losowy wzór odwrócenia z hamowaniem może być reprezentowany przez proces gamma . W 2006 roku zespół fizyków z Uniwersytetu Kalabrii odkrył, że odwrócenia są również zgodne z rozkładem Lévy'ego , który opisuje procesy stochastyczne z długoterminowymi korelacjami między zdarzeniami w czasie. Dane są również zgodne z deterministycznym, ale chaotycznym procesem.

Charakter przejść

Czas trwania

Większość szacunków dotyczących czasu trwania zmiany polaryzacji wynosi od 1000 do 10 000 lat, ale niektóre szacunki są tak szybkie, jak ludzkie życie. Badania nad strumieniami lawy sprzed 16,7 milionów lat na górze Steens w stanie Oregon wskazują, że ziemskie pole magnetyczne jest zdolne do przemieszczania się w tempie do 6 stopni dziennie. Początkowo spotkało się to ze sceptycyzmem ze strony paleomagnetyków. Nawet jeśli zmiany zachodzą tak szybko w rdzeniu, uważa się , że płaszcz, który jest półprzewodnikiem , usuwa zmiany z okresami krótszymi niż kilka miesięcy. Zaproponowano różne możliwe mechanizmy magnetyczne skał , które prowadziłyby do fałszywego sygnału. Jednak badania paleomagnetyczne innych sekcji z tego samego regionu (bazaltów powodziowych z płaskowyżu Oregon) dają spójne wyniki. Wygląda na to, że przejście polaryzacji odwróconej do normalnej, które wyznacza koniec Chron C5Cr ( 16,7  mln lat temu ), zawiera serię odwróceń i odchyleń . Ponadto geolodzy Scott Bogue z Occidental College i Jonathan Glen z US Geological Survey, badając przepływy lawy w Battle Mountain w stanie Nevada , znaleźli dowody na krótką, kilkuletnią przerwę podczas odwrócenia, gdy kierunek pola zmienił się o ponad 50 stopnie. Odwrócenie datuje się na około 15  milionów lat temu. W sierpniu 2018 roku naukowcy odnotowali odwrócenie trwające zaledwie 200 lat. Ale artykuł z 2019 roku oszacował, że ostatnie odwrócenie, 780 000 lat temu, trwało 22 000 lat.

Pole magnetyczne

Pole magnetyczne nie zniknie całkowicie, ale wiele biegunów może tworzyć się chaotycznie w różnych miejscach podczas odwrócenia, dopóki nie ustabilizuje się ponownie.

Powoduje

Symulacja komputerowa NASA z wykorzystaniem modelu Glatzmaiera i Robertsa. Rurki przedstawiają linie pola magnetycznego , niebieskie, gdy pole skierowane jest do środka, a żółte, gdy jest daleko. Oś obrotu Ziemi jest wyśrodkowana i pionowa. Gęste skupiska linii znajdują się w jądrze Ziemi.

Pole magnetyczne Ziemi i innych planet, które posiadają pola magnetyczne, jest generowane przez działanie dynama, w którym konwekcja stopionego żelaza w jądrze planety generuje prądy elektryczne, które z kolei powodują powstawanie pól magnetycznych. W symulacjach dynama planetarnego odwrócenia często wyłaniają się spontanicznie z podstawowej dynamiki. Na przykład Gary Glatzmaier i współpracownik Paul Roberts z UCLA opracowali numeryczny model sprzężenia między elektromagnetyzmem a dynamiką płynów we wnętrzu Ziemi. Ich symulacja odtworzyła kluczowe cechy pola magnetycznego przez ponad 40 000 lat symulowanego czasu, a wygenerowane komputerowo pole odwróciło się. Globalne odwrócenie pola w nieregularnych odstępach czasu zaobserwowano również w laboratoryjnym eksperymencie z ciekłym metalem „VKS2”.

W niektórych symulacjach prowadzi to do niestabilności, w której pole magnetyczne spontanicznie zmienia się w przeciwną orientację. Scenariusz ten potwierdzają obserwacje słonecznego pola magnetycznego , które co 9-12 lat ulega spontanicznemu odwróceniu . Jednak w przypadku Słońca obserwuje się, że intensywność magnetyczna Słońca znacznie wzrasta podczas odwrócenia, podczas gdy odwrócenie na Ziemi wydaje się występować w okresach niskiego natężenia pola.

Hipotetyczne wyzwalacze

Niektórzy naukowcy, tacy jak Richard A. Muller , uważają, że odwrócenia geomagnetyczne nie są spontanicznymi procesami, ale są raczej wywoływane przez zdarzenia zewnętrzne, które bezpośrednio zakłócają przepływ w jądrze Ziemi. Propozycje obejmują zdarzenia uderzeniowe lub zdarzenia wewnętrzne, takie jak przybycie płyt kontynentalnych sprowadzonych do płaszcza w wyniku działania tektoniki płyt w strefach subdukcji lub zapoczątkowanie nowych pióropuszy płaszcza z granicy rdzeń-płaszcz . Zwolennicy tej hipotezy utrzymują, że każde z tych zdarzeń może doprowadzić do zakłócenia działania dynama na dużą skalę, skutecznie wyłączając pole geomagnetyczne. Ponieważ pole magnetyczne jest stabilne zarówno w obecnej orientacji północ-południe, jak i w odwróconej orientacji, proponują, że gdy pole wraca do normy po takim zakłóceniu, spontanicznie wybiera jeden lub drugi stan, tak że połowa odzysków staje się odwrócona. Proponowany mechanizm nie wydaje się jednak działać w modelu ilościowym, a dane stratygraficzne na korelację między odwróceniami a zdarzeniami uderzeniowymi są słabe. Nie ma dowodów na odwrócenie związane ze zdarzeniem uderzeniowym, które spowodowało wymieranie kredowo-paleogeniczne .

Wpływ na biosferę

Wkrótce po opracowaniu pierwszych skal czasowych biegunowości geomagnetycznej naukowcy zaczęli badać możliwość, że odwrócenia mogą być powiązane z wymieraniem . Większość takich propozycji opiera się na założeniu, że pole magnetyczne Ziemi byłoby znacznie słabsze podczas odwrócenia. Prawdopodobnie pierwszą taką hipotezą było to, że wysokoenergetyczne cząstki uwięzione w pasie radiacyjnym Van Allena mogą zostać uwolnione i zbombardować Ziemię. Szczegółowe obliczenia potwierdzają, że gdyby pole dipolowe Ziemi całkowicie zniknęło (pozostawiając kwadrupolowe i wyższe składniki), większość atmosfery stałaby się dostępna dla cząstek wysokoenergetycznych, ale działałaby jako bariera dla nich, a zderzenia promieniowania kosmicznego wytworzyłyby promieniowanie wtórne z berylu-10 lub chlor-36 . Niemieckie badanie rdzeni lodowych Grenlandii z 2012 r. wykazało szczyt berylu-10 podczas krótkiego całkowitego odwrócenia 41 000 lat temu, co doprowadziło do spadku natężenia pola magnetycznego do około 5% normalnego podczas odwrócenia. Istnieją dowody na to, że dzieje się to zarówno podczas zmienności sekularnej, jak i podczas odwrócenia.

Inna hipoteza McCormaca i Evansa zakłada, że ​​pole Ziemi całkowicie znika podczas odwrócenia. Twierdzą, że atmosfera Marsa mogła zostać zniszczona przez wiatr słoneczny, ponieważ nie miał pola magnetycznego, które by ją chroniło. Przewidują, że jony zostaną usunięte z ziemskiej atmosfery powyżej 100 km. Jednak pomiary paleointensywności pokazują, że pole magnetyczne nie zniknęło podczas odwrócenia. Opierając się na danych paleointensywności z ostatnich 800 000 lat, nadal szacuje się , że magnetopauza wynosiła około trzech promieni Ziemi podczas odwrócenia Brunhes-Matuyama . Nawet jeśli wewnętrzne pole magnetyczne zniknie, wiatr słoneczny może wywołać w jonosferze Ziemi pole magnetyczne wystarczające do ochrony powierzchni przed cząstkami energetycznymi.

Hipotezy posunęły się również w kierunku powiązania odwróceń z masowymi wymieraniami . Wiele takich argumentów opierało się na widocznej okresowości tempa odwróceń, ale dokładniejsze analizy pokazują, że zapis odwrócenia nie jest okresowy. Możliwe jednak, że końce superchronów spowodowały energiczną konwekcję prowadzącą do rozległego wulkanizmu, a późniejszy popiół spowodował wyginięcie.

Testy korelacji między wymieraniem a odwróceniem są trudne z wielu powodów. Większych zwierząt jest zbyt mało w zapisie kopalnym, aby uzyskać dobre statystyki, dlatego paleontolodzy przeanalizowali wymieranie mikroskamieniałości. Nawet dane dotyczące mikroskamieniałości mogą być niewiarygodne, jeśli w zapisie kopalnym występują przerwy. Może się wydawać, że wymieranie następuje pod koniec przedziału polaryzacji, kiedy reszta tego przedziału polaryzacji została po prostu erodowana. Analiza statystyczna nie wykazuje dowodów na korelację między odwróceniem a wymieraniem.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki