Swirling omkring den faste indre kerne af vores planet, mere end 1.800 miles under overfladen, genererer varmt flydende jern et magnetfelt, der strækker sig ud over atmosfæren. Dette felt giver os alt fra kompasretninger til beskyttelse mod kosmiske stråler, så det er ingen overraskelse, at forskere blev skræmt tidligere i år, da de bemærkede, at den nordlige magnetpol hurtigt drev mod Sibirien. Mens geofysikere skrumpede for at frigive en opdateret model af Jordens magnetfelt forud for dens fem-årige tidsplan, stillede den vandrende pol et presserende spørgsmål: Forbereder Jordens magnetfelt sig til at vende?
Vores verdens magnetiske tilstand ændrer sig konstant med de magnetiske nord- og sydpoler vandrende med et par grader hvert århundrede eller deromkring. Lejlighedsvis oplever magnetfeltet en komplet reversering af polaritet, hvilket får de magnetiske nord- og sydpoler til at skifte plads, selvom ingen ved nøjagtigt, hvad der forårsager denne drejning. (Faktisk er planetens nordpol en magnetisk sydpol lige nu, men det kaldes stadig "magnetisk nord" for at svare til vores geografiske målinger.)
I en undersøgelse, der blev offentliggjort i dag i Science Advances, rapporterer forskere en ny estimeret tidslinje for den sidste polaritetsvending, kaldet Brunhes-Matuyama-reversering, som skete for omkring 780.000 år siden. Ved hjælp af en kombination af lavaprøver, havsedimenter og iskerner var de i stand til at spore udviklingen af denne vending og demonstrere, at dens mønster var længere og mere komplekst end antydet af tidligere modeller. Resultaterne kunne muliggøre bedre forståelse af, hvordan vores planetes magnetiske miljø udvikler sig og forhåbentlig vejlede forudsigelser for den næste store forstyrrelse.
”[Polaritetsvending] er et af de få geofysiske fænomener, der virkelig er global, ” siger Brad Singer, professor i geovidenskab ved University of Wisconsin – Madison og hovedforfatter af undersøgelsen. ”Det er en proces, der kommer i gang i de dybeste dele af Jorden, men den manifesterer sig i klipper over hele planetens overflade og påvirker atmosfæren på temmelig vigtige måder. ... Hvis vi kan etablere kronologi for tidspunktet for vendinger, har vi markører, som vi kan bruge til at datere klipper over hele planeten og kender fælles tidspunkter omkring hele Jorden. ”
Genereringen af Jordens magnetfelt starter lige i centrum. Varme fra den faste indre kerne produceret ved radioaktivt henfald varmer det omgivende flydende jern, hvilket får det til at cirkulere som en gryde med vand på en komfur. Jernets væskebevægelse eller konvektion skaber en elektrisk strøm, der genererer et magnetfelt. Når Jorden drejer, justeres det magnetiske felt nogenlunde med rotationsaksen, hvilket skaber de magnetiske nord- og sydpoler.
I løbet af de sidste 2, 6 millioner år vendte Jordens magnetiske felt 10 gange og næsten vippede mere end 20 gange under begivenheder kaldet udflugter. Nogle forskere mener, at polaritetsvendringer er forårsaget af en forstyrrelse i balancen mellem Jordens rotation og temperaturen i kernen, hvilket ændrer væskejernets fluidbevægelse, men den nøjagtige proces er stadig et mysterium.
Skematisk illustration af de usynlige magnetfeltlinjer genereret af Jorden, repræsenteret som et dipolmagnetfelt. I virkeligheden er vores magnetiske skjold presset tættere på Jorden på den solvendte side og ekstremt langstrakt på nattsiden på grund af solvinden. (Peter Reid / NASA) Sanger og kolleger opnåede mere præcise kronologiske skøn for den sidste polaritetsvending ved hjælp af nye teknikker til datering af størknet lava. Basaltisk lava, der opstår omkring 1.100 grader celsius (2.012 grader Fahrenheit), indeholder magnetit, et jernoxid, hvis yderste elektroner orienterer sig langs Jordens magnetfelt. Når lavaen køler ned til 550 grader Celsius (1022 grader Fahrenheit), "magnetiseres retningen fast, bogstaveligt talt bagt i strømmen, " siger Singer. Som et resultat er magnetfeltets historie stemplet i den størknede lava, som Singer og hans team kunne læse ved hjælp af en specialiseret proces til at måle argon-isotoper fra de forfaldne lavaprøver.
Desværre for geologer (men heldigvis for resten af os) bryder vulkanerne ikke ud hele tiden, hvilket gør lava til en plettet rekordholder for magnetfeltets udvikling. For at sy sammen de manglende datoer kombinerede forskerteamet de nye målinger fra syv forskellige lavakilder rundt om i verden med fortidens optegnelser over magnetiserede elementer i havsedimenter og antarktiske iskerner. I modsætning til lava giver havet en kontinuerlig fortegnelse over magnetisering, da korn af magnetisk materiale konstant sætter sig på havbunden og stemmer overens med planetens felt. ”Men disse poster bliver jævn og deformeret af komprimering, og der er en masse critters, der lever i bunden af havbunden ... så pladen bliver ødelagt en smule, ” siger Singer.
Antarktis is tilbyder en tredje måde at løse historien på Jordens magnetfelt, da den indeholder prøver af en berylliumisotop, der dannes, når kosmisk stråling stærkt interagerer med den øvre atmosfære - netop hvad der sker, når magnetfeltet svækkes under en udflugt eller reversering.
Ved at kombinere alle disse tre kilder lappede forskerne sammen en grundig historie for, hvordan magnetfeltet udviklede sig under sin sidste vending. Mens tidligere undersøgelser antydede, at alle reverseringer gennemgår tre faser i en tidsperiode på ikke længere end 9.000 år, opdagede Singers team en meget mere kompleks reverseringsproces, der tog over 22.000 år at gennemføre.
”Vi kan se meget mere nuancer af voksning og aftagelse af styrker og retningsadfærd i denne periode på 22.000 år end nogensinde før, ” siger Singer. ”Og det stemmer ikke overens med [trefaset] mønster ... så jeg tror, de bliver nødt til at vende tilbage til tegnebrættet.”
Resultaterne sætter spørgsmålstegn ved, om fremtidige feltomvendinger vil udvise lignende vanskeligheder og varigheder. "Dette er en vigtig opgave, da den dokumenterer nye vulkanske data og samler vulkanske og sedimentære poster vedrørende ustabilitet i det geomagnetiske felt inden den sidste polaritetsvending, " siger James Channell, en geofysiker fra University of Florida, der ikke var involveret i den nye forskning, i en e-mail. ”Er denne ustabilitet før reversering et kendetegn ved alle polaritetsomvendinger? Der er endnu ikke noget, der tyder på dette fra ældre tilbagefald. ”
Undersøg medforfatter Rob Coe og Trevor Duarte orienterende kerner fra et lavastrømningssted, der registrerer Matuyama-Brunhes magnetiske polaritetsvending i Haleakala National Park, Hawaii, i 2015. (Brad Singer) Selv med de tre målesæt forbliver et spørgsmål om, hvorvidt den sammenlagte historie giver tilstrækkelig information om, hvor lang tid en reversering tager, og nøjagtigt, hvilken tilstand feltet er i, når sådanne flips opstår. ”Så længe ingen fuldstændig registrering viser bevis for den komplekse rækkefølge af begivenheder, der er afbildet af forfatterne, er jeg ikke overbevist om, at usikkerhederne i tidspunkter giver os mulighed for at skelne mere end to forskellige faser, ” siger Jean-Pierre Valet, en geofysiker fra Paris Institute of Earth Physics, som ikke var involveret i forskningen, i en e-mail. Betjent drager også spørgsmålstegn ved varigheden af tilbageførslen og argumenterer for, at usikkerheder i dataene antyder, at hele processen kunne have spændt fra 13.000 år til 40.000 år - stadig længere end tidligere skøn.
At lære mere om de processer, der fører til reversering af polaritet, kan være kritisk for fremtidige civilisationer, da det skiftende magnetfelt kan have vidtrækkende virkninger på planeten.
”Når det [magnetiske] felt er svagt, hvilket er under reversering, kollapser hoveddipolfeltet til noget i størrelsesordenen ti procent af dets normale styrke, ” siger Singer. Dette sammenbrud kunne stave problemer for livet på Jorden, da magnetfeltet stabiliserer ozonmolekyler og beskytter planeten mod ultraviolet stråling. Singer påpeger, at nyere arbejde antyder moderne mennesker tilpasset til at have beskyttende gener, efter at neandertalerne led af stråling under en udflugt, der forværrede magnetfeltet.
”Det er blevet diskuteret i et stykke tid, om magnetiske vendinger har indflydelse på biota på jordoverfladen, ” siger han. ”De fleste af de tidlige påstande er slags uhøflige, fordi kronologien ikke var god nok til at vide, at opdagelsen af fossile af neandertalere, for eksempel, var korrelerende med en udflugt. Men nu ved vi disse timinger meget bedre. ”
I de sidste 200 år eller mere er Jordens magnetfelt henfaldende i en hastighed på fem procent hvert århundrede. Hvis denne svækkelse og den nylige migration af den nordlige magnetpol er tegn på en truende feltomvendelse, kan det have alvorlige konsekvenser for teknologier, der er afhængige af satellitter, der kan blive beskadiget af kosmisk stråling. Singer advarer imidlertid om, at en tilbageførsel ikke forventes at ske i de næste par årtusinder.
”Det, vi ser nu, når nordpolen bevæger sig hurtigt, det er faktisk helt normalt, ” siger Singer. ”Der er papirer, der er offentliggjort derude, der er baseret på langt dårligere poster end dem, vi arbejder med, der antyder, at en tilbageførsel kan finde sted inden for mindre end en menneskelig levetid, og det understøttes bare ikke af langt de fleste poster. ... Den faktiske tilbageførsel, den endelige tilbageføring, tager flere tusinde år. ”
Det burde købe menneskeheden nogen tid for bedre at beskytte sine teknologier mod stråling ved den næste tilbageføring. Indtil da skal du ikke blive bange, hvis dit kompas skifter efter en grad eller to.
