Inversarea câmpului magnetic al Pământului (numit , de asemenea , campul geomagnetic) este un recurente fenomen în Pământului istoria geologică , la Polul Nord magnetic se deplasează spre geografic Polul Sud , și vice - versa. Este rezultatul unei perturbări a stabilității nucleului Pământului . Câmpul geomagnetic intră apoi în panică pentru o perioadă scurtă (1.000 până la 10.000 de ani) în timpul căreia polii magnetici se mișcă rapid pe întreaga suprafață a globului sau dispar, în funcție de teorii.
În timpul acestei tranziții, intensitatea câmpului geomagnetic este foarte slabă, iar suprafața planetei poate fi expusă vântului solar , potențial periculos pentru organismele vii . Dacă acest lucru s-ar întâmpla astăzi, multe tehnologii care utilizează câmpul geomagnetic ar putea fi afectate.
La sfârșitul acestei perioade de tranziție, fie polii magnetici revin la pozițiile lor inițiale, este doar o chestiune de excursie geomagnetică, fie aceștia permută și se vorbește apoi de inversare.
Câmpul pământului s-a inversat de aproximativ 300 de ori în ultimii 200 de milioane de ani. Ultima inversare a avut loc în urmă cu 780.000 de ani și ultima excursie în urmă cu 33.000 de ani, nimeni nu știe când va avea loc următoarea.
În anul 1905, Bernard Brunhes a arătat că anumite roci vulcanice erau magnetizate în direcția opusă celei a câmpului magnetic terestru local; el concluzionează că câmpul poate fi inversat.
Prima estimare a momentului inversărilor magnetice este făcută în anii 1920 de către Motonori Matuyama , care observă că rocile cu câmpuri inversate datează din Pleistocenul timpuriu sau mai devreme. La vremea respectivă, polaritatea câmpului terestru a fost slab înțeleasă și posibilitatea inversărilor nu a stârnit prea mult interes.
Dar 30 de ani mai târziu, când câmpul magnetic al Pământului este mai bine înțeles, teorii mai avansate sugerează că câmpul Pământului ar fi putut fi inversat în trecutul îndepărtat. O mare parte din cercetările paleomagnetice de la sfârșitul anilor 1950 includ o examinare a rătăcirii polului și a derivării continentale . Deși s-a descoperit că unele roci își inversează câmpul magnetic în timpul răcirii, devine evident că majoritatea rocilor vulcanice magnetizate păstrează urme ale câmpului magnetic al Pământului pe măsură ce roca s-a răcit. În absența unor metode fiabile pentru datarea precisă a rocilor, se crede că inversiunile au loc aproximativ o dată la milion de ani.
Cele Tehnicile de datare radiometrice dezvoltate în anii 1950 permit un progres major în înțelegerea inversiuni magnetice. Allan Cox și Richard Doell, de la United States Geological Survey , au vrut să știe dacă inversările s-au produs la intervale regulate și l-au invitat pe geocronologul Brent Dalrymple să se alăture grupului lor. Ei au proiectat prima scară de timp a polarității magnetice în 1959 . Pe măsură ce datele s-au acumulat, au continuat să rafineze această scară, concurând cu Don Tarling și Ian McDougall de la Universitatea Națională Australiană . Un grup condus de Neil Opdyke la Observatorul Geologic Lamont-Doherty a arătat că același tipar de inversare este înregistrat în sedimentele colectate din inima apelor adânci.
În anii 1950 și 1960 , informațiile despre variațiile câmpului magnetic al Pământului au fost colectate în principal de la navele oceanografice . Dar traseele complexe ale benzilor maritime fac dificilă asocierea datelor de navigație cu citirile magnetometrului . Abia când datele au fost trasate pe o hartă, au apărut benzi magnetice remarcabil de regulate și continue pe fundul oceanului.
În 1963 , Frederick Vine și Drummond Matthews au oferit o explicație simplă prin combinarea teoriei extinderii fundului oceanului a lui Harry Hess cu scara de timp cunoscută a inversiunilor: dacă un nou fond marin este magnetizat în direcția câmpului, atunci acesta își va schimba polaritatea atunci când câmpul este inversat. Astfel, extinderea fundului oceanului de pe o creastă centrală va produce benzi magnetice paralele cu creasta.
Cele Canadiens oferte LW Morley independent o o explicație similarăIanuarie 1963, dar lucrarea sa a fost respinsă de revistele științifice Nature și Journal of Geophysical Research și a rămas nepublicată până în 1967 , când a apărut în revista literară Saturday Review . Ipoteza Morley-Vine-Matthews este primul pas științific decisiv în teoria expansiunii fundului oceanului și a derivării continentale.
Începând din 1966 , oamenii de știință de la Observatorul Geologic Lamont-Doherty au descoperit că profilele magnetice ale traseului Pacific Crest Trail erau simetrice și se potriveau cu cele ale crestelor crestei Reykjanes din Atlanticul de Nord. Aceleași anomalii magnetice se găsesc în majoritatea oceanelor lumii, permițând o estimare a momentului în care s-a dezvoltat cea mai mare parte a scoarței oceanice.
În 2017, cercetătorii din Grenoble au reușit să modeleze turbulențele din miezul exterior al Pământului, ceea ce ajută la înțelegerea schimbărilor geomagnetice.
Conform teoriei actuale, miezul Pământului , ca și cea a altor planete, este un gigantic magnetohidrodinamice dinam care generează câmpul magnetic al Pământului . Acest fenomen ar datora mișcărilor de miezului exterior , compus din aliaje de fier și topit nichel , și a curenților electrici induși în raport interior (solid) miezului .
În simulări, se observă că liniile câmpului magnetic pot deveni uneori dezorganizate și încurcate din cauza mișcărilor haotice ale metalului lichid din miezul pământului .
Gary Glatzmaier și colaboratorul său Paul Roberts de la Universitatea din California din Los Angeles au simulat câmpul magnetic al Pământului de-a lungul a peste 40.000 de ani și s-a observat o inversare. Inversii neregulate au fost observate și în laborator în timpul experimentelor pe metal lichid ( experiment VKS ).
În aceste simulări, câmpul magnetic se inversează spontan ca urmare a instabilității în nucleu. Acest scenariu este susținut de observațiile câmpului magnetic solar , care suferă inversări spontane la fiecare 9-12 ani sau cam așa ceva. Cu toate acestea, se observă că intensitatea magnetică solară crește considerabil înainte de o inversare, în timp ce pe Pământ inversările par să aibă loc în perioade cu intensitate redusă a câmpului.
În general, se crede că dinamul terestru se oprește, fie spontan, fie în urma unui eveniment declanșator, și că, după o perioadă de tranziție (de la 1000 la 10 000 de ani), se declanșează din nou singur cu polul. Nord magnetic în sus sau în jos. Când nordul reapare în direcția opusă, este o inversiune; când revine la poziția inițială, este o excursie geomagnetică .
O altă teorie este propusă de o echipă de oameni de știință francezi. În timpul acestei tranziții, conform lucrărilor de paleomagnetism pe care le-au efectuat, polul nord se deplasează, traversează ecuatorul (uneori ajungând în Antarctica ), apoi se îndreaptă spre est înainte de a reveni în nordul adevărat conform unei bucle mari conturate în sensul acelor de ceasornic; uneori excursia are loc în direcția opusă, dar urmând același traseu. În toate cazurile, această mișcare este însoțită de o slăbire semnificativă a valorii câmpului.
Această similitudine a traiectoriilor îi determină pe acești oameni de știință să facă ipoteza că câmpul magnetic al Pământului este alcătuit din două câmpuri distincte, cel al sămânței (miezului interior), compus din metal solid și cel al miezului exterior. Sămânța constituie un fel de „rezervor magnetic” care acumulează acest câmp extern.
Când, dintr-un motiv necunoscut, câmpul magnetic al miezului exterior se inversează, câmpul magnetic al sămânței poate urma sau nu această mișcare, în funcție de magnitudinea sa: dacă cele două câmpuri se schimbă, se obține o inversare totală; dacă câmpul sămânței rezistă, câmpul nucleului exterior revine la orientarea sa inițială, este o excursie.
Deoarece orientarea polilor rămâne aceeași după o excursie geomagnetică, este dificil să le recunoaștem în înregistrările geologice naturale. Prin urmare, există puține date despre acestea.
O altă ipoteză care rezultă din măsurători corelate este aceea a unei legături între modificările magnetice terestre și modificările câmpurilor gravitaționale induse de modificările fluxului din miezul pământului , relația cauză-efect încă de dovedit și modelul teoretic de dovedit. a construi.
Ipoteza evenimentului declanșatorUnii oameni de știință, precum Richard A. Muller , cred că inversările geomagnetice sunt declanșate de evenimente care perturbă fluxul nucleului Pământului . Aceste evenimente ar putea fi de origine externă, cum ar fi impactul unei comete , sau interne, cum ar fi intrarea plăcilor continentale în manta prin acțiunea tectonică a plăcilor sau creșterea lava la marginea mantei.
Susținătorii acestei teorii susțin că oricare dintre aceste evenimente ar putea duce la o perturbare la scară largă a dinamului, stingând complet câmpul geomagnetic. Deoarece câmpul magnetic este stabil atât cu orientarea nord-sud curentă, cât și cu orientarea inversă, ele sugerează că, după tranziție, alege în mod spontan o direcție și că există una din două șanse ca să se întâmple o inversare.
Cu toate acestea, mecanismul propus nu pare să funcționeze cantitativ , iar dovezile stratigrafice pentru o corelație între inversiuni și impactul cosmic sunt slabe. Mai frapant, nu există dovezi ale unei inversări a impactului cosmic care să fi provocat dispariția Cretacic-Terțiar .
Este posibil ca câmpul magnetic să nu dispară complet, cu mulți poli care se formează haotic în diferite locuri, până când inversarea se stabilizează din nou. Un model NASA (opus) arată că în această perioadă axa câmpului magnetic se schimbă extrem de repede până când este complet inversată.
În general, durata unei tranziții de polaritate este estimată a fi între 1.000 și 10.000 de ani. Cu toate acestea, au fost observate câteva tranziții mai rapide:
Conform unei teorii, tranziția este doar a doua din cele trei etape ale inversării, fiecare durând în medie 2.000 de ani. Prima este așa-numita fază precursor: polii se deplasează spre ecuatorul terestru apoi se întorc la poziția lor inițială; după tranziție, o a treia fază, revenirea, aduce polii înapoi la ecuator înainte de a se înclina definitiv.
În timpul acestei tranziții, puterea câmpului magnetic este foarte slabă, iar suprafața planetei poate fi expusă radiației solare . Multe tehnologii care utilizează câmpul magnetic ar putea fi, de asemenea, afectate.
Radiații solare și vânturiMai mulți oameni de știință au speculat că, dacă puterea câmpului magnetic scade brusc, particulele de mare energie prinse în centura Van Allen ar putea fi eliberate și bombardate Pământul.
O altă ipoteză a lui McCormac și Evans presupune că câmpul terestru ar dispărea în întregime în timpul inversiunilor. Ei susțin că atmosfera lui Marte ar fi putut fi erodată de vântul solar, deoarece nu avea un câmp magnetic care să-l protejeze.
Cu toate acestea, măsurătorile paleointensității din ultimii 800.000 de ani arată că câmpul magnetic nu dispare niciodată complet. În timpul inversării Brunhes-Matuyama, magnetopauza rămâne întotdeauna la o distanță estimată de aproximativ trei raze ale Pământului .
Dacă câmpul magnetic slăbește puternic sau dispare, impactul vântului solar poate induce un câmp magnetic suficient în ionosferă pentru a proteja suprafața particulelor energetice , dar această coliziune ar genera o radiație secundară de tip 10 Be sau 36 Cl care fie în timpul excursiilor sau în timpul inversiunilor.
Tulburări electromagneticeAnumite efecte s-ar putea dovedi foarte dăunătoare pentru societățile noastre moderne, perturbări ale semnalelor electromagnetice , dispozitive electronice , coroziune prematură a conductelor , până la întreruperi masive de curent electric ca în 1989 în Quebec , consecințele sunt nenumărate.
Furtuni solare minore au avut loc în 2003 , provocând închiderea rețelei electrice suedeze . În 1859 , o serie de rachete solare au determinat Lumina Nordică să ajungă în Insulele Caraibe . O inversare completă a câmpului magnetic ar putea duce la dispariția tuturor dispozitivelor electrice de pe planetă, „care ar costa economia zeci de miliarde de dolari pe zi” .
ExtinctiiLa scurt timp după ce a fost produsă prima scară de timp a polarității geomagnetice, oamenii de știință au început să se întrebe dacă evenimentele de polaritate ar putea fi legate de dispariții.
Testele de corelație dintre stingeri și inversări sunt dificile din mai multe motive. Animalele mari sunt prea rare în înregistrările fosile pentru statistici bune. Chiar și datele privind microfosilele pot fi discutabile, deoarece înregistrarea fosilelor nu este în principiu fundamentală. S-ar putea părea că o dispariție a avut loc la sfârșitul unui interval de polaritate atunci când pur și simplu nu am descoperit nicio dată despre restul acelui interval de polaritate.
S-au propus, de asemenea, ipoteze care leagă inversările de disparițiile în masă. Majoritatea acestor argumente s-au bazat pe o periodicitate aparentă a inversărilor. Dar analize mai atente arată că rata inversărilor nu este constantă. Cu toate acestea, este posibil ca capetele supracronelor să aibă o convecție puternică care să ducă la un vulcanism foarte extins, iar cenușa eliberată în aer a provocat dispariții.
În 2010, doi oameni de știință francezi de la INSU au susținut că slăbirea scutului magnetic a permis protonilor emiși de soare să pătrundă mai adânc în straturile atmosferei, unde generează apoi reacții chimice în cascadă care au ca rezultat în special formarea de oxid nitric , o substanță care distruge stratul de ozon . Ființele vii trebuie să facă față unei producții crescute de UV-B pentru o lungă perioadă de timp, cu vârfuri semnificative în timpul erupțiilor solare . Aceste efecte au fost studiate în America de Sud datorită Anomaliei Magnetice din Atlanticul de Sud . Cu toate acestea, analiza statistică nu sugerează nicio corelație între inversări și dispariții.
Studiul magnetitei prezente în ceramica antică face posibilă măsurarea intensității câmpului magnetic terestru la momentul creării obiectului. Această tehnică ne permite să spunem că intensitatea câmpului pământului a scăzut de 1.500 de ani. Măsurătorile efectuate pe tot globul confirmă faptul că intensitatea a scăzut cu 10% în 50 de ani.
Pământului Polul Nord magnetic sa mutat din nordul Canadei la Siberia (1,100 de km ) , cu o viteză de creștere în prezent. În 1970 , s-a deplasat cu 10 km pe an, față de 40 km în 2003 și de atunci a accelerat doar. În ultimul deceniu, nordul magnetic sa deplasat cu aproximativ un grad la fiecare cinci ani.
În 2013 , Agenția Spațială Europeană a lansat misiunea SWARM , unul dintre obiectivele acesteia fiind de a prezice data următoarei inversări.
Într-un articol publicat în 2017 pe The Conversation , doi cercetători de la Universitatea din Leeds explică faptul că o nouă inversare a polilor magnetici ai Pământului ar putea avea loc în decurs de 2000 de ani.
Cu toate acestea, nimeni nu este sigur că reducerea în câmp va continua în viitor. Deoarece nimeni nu a observat vreodată aceste inversiuni și din moment ce mecanismul de generare a câmpului magnetic nu este încă bine înțeles, este dificil de spus dacă variațiile observate sunt semne ale unei noi inversiuni sau ale unei excursii geomagnetice.
Rata de scădere și intensitatea curentului se încadrează în intervalul normal de variație, dovadă fiind variațiile anterioare, imprimate în rocă, ale câmpului magnetic.
Natura câmpului magnetic al Pământului este una dintre fluctuațiile heteroscedastice . O măsurare instantanee a câmpului sau mai multe măsurători ale acestuia în decenii sau secole nu este suficientă pentru a extrapola o tendință generală a intensității câmpului. A crescut și a coborât în trecut fără niciun motiv aparent. În plus, notarea intensității locale a câmpului dipolar (sau a fluctuațiilor acestuia) este insuficientă pentru a caracteriza câmpul magnetic al Pământului ca întreg, deoarece nu este strict dipolar. Elementul dipol al câmpului terestru poate scădea chiar dacă câmpul magnetic total rămâne același sau crește.
Prin analiza anomaliilor magnetice de pe fundul oceanului și datarea secvențelor de inversare de pe pământ, paleomagneticienii au dezvoltat un interval de timp al polarității geomagnetice (TAG). Intervalul de timp dintre două inversiuni se numește interval de polaritate . Scala de timp actuală conține 184 în ultimii 83 de milioane de ani.
Intervalele de polaritate au fost clasificate în funcție de durata lor:
Intervalele de polaritate care durează mai puțin de 30.000 de ani se numesc Criptocroni , deoarece tehnicile actuale nu le pot distinge de excursiile geomagnetice.
Câmpul pământului s-a inversat de aproximativ 300 de ori în ultimii 200 de milioane de ani. Ultima inversare a avut loc acum 780.000 de ani.
SupercroniiExistă doi supercroni bine stabiliți, Cretacicul Normal și Kiaman . Un al treilea candidat, Moyero , este mai controversat. Quiet Jurassic Zona a fost o dată considerată un superchron, dar acum atribuite altor cauze.
Anumite zone ale fundului oceanului, peste 160 Ma , prezintă anomalii magnetice cu amplitudine mică, care sunt greu de interpretat. Se găsesc pe coasta de est a Americii de Nord , coasta de nord-vest a Africii și în vestul Pacificului . S-a crezut inițial că este un supercron numit Zona liniștită jurasică , dar au fost descoperite anomalii magnetice care au avut loc în acest timp. Se știe că câmpul geomagnetic a avut o intensitate scăzută între aproximativ 170 Ma și 130 Ma ANE, iar aceste părți ale fundului oceanului sunt deosebit de profunde, ceea ce atenuează semnalul dintre fundul oceanului și suprafață.
Frecvența reluărilor câmpul magnetic al Pământului a variat considerabil de-a lungul timpului.
Aceste perioade în care inversiunea este frecventă alternează cu câteva supercronuri.
De obicei, oferim unei excursii numele locului în care a fost descoperit:
Toate aceste excursii au avut loc în timpul cronicii actuale, adică după ultima inversare până în prezent . Au fost descoperite alte excursii mai vechi, cum ar fi Muntele Cobb , care a avut loc acum 1,2 Ma .
Mai multe studii au analizat proprietățile statistice ale inversiunilor în speranța de a afla ceva despre mecanismul lor de bază. Puterea discriminatoare a testelor statistice este limitată de numărul mic de intervale de polaritate. Cu toate acestea, unele caracteristici generale sunt bine stabilite. În special, modelul inversiunilor este aleatoriu . Nu există nicio corelație între lungimile intervalelor de polaritate. Nu există nici o preferință pentru polaritatea normală sau inversă și nu există nicio diferență statistică între distribuțiile acestor polarități. Această lipsă de părtinire este, de asemenea, o predicție robustă a teoriei dinamelor. În cele din urmă, după cum sa menționat mai sus, rata inversărilor variază în timp.
Aleatoritatea inversiunii este incompatibilă cu periodicitatea , dar mai mulți autori au pretins că găsesc periodicitatea. Cu toate acestea, aceste rezultate sunt probabil artefacte dintr-o analiză care utilizează protocoale Sliding Window pentru a determina ratele de inversare.
Majoritatea modelelor de inversiune statistică le analizează ca un proces Poisson sau alte tipuri de proces de reînnoire . Un proces Poisson ar avea, în medie, o rată de inversiune constantă, deci este obișnuit să se utilizeze un proces Poisson nestatiar. Cu toate acestea, comparativ cu un proces Poisson, există o probabilitate redusă de inversare timp de zeci de mii de ani după o inversare. Acest lucru s-ar putea datora unei inhibiții a mecanismului de bază sau ar putea însemna doar că au fost omise unele intervale de polaritate mai scurte. Un model de inversare aleatorie cu inhibiție poate fi reprezentat printr-un proces gamma . În 2006 , o echipă de fizicieni de la Universitatea din Calabria a descoperit că inversiunile se pot conforma și unei distribuții Lévy , care descrie procesele stochastice cu corelații pe termen lung între evenimente în timp. Datele sunt, de asemenea, compatibile cu un proces determinist , dar haotic.
Există două discipline dedicate studiului și datării evenimentelor de polaritate geomagnetică:
Paleomagnetismul este studiul variațiilor geomagnetice terestre.
Inversările de câmp care au avut loc deja au fost înregistrate în solidificarea mineralelor feromagnetice (sau mai exact, ferimagnetice ) conținute în depozite sedimentare consolidate sau în fluxuri vulcanice răcite .
Inversările geomagnetice care au avut loc deja au fost observate mai întâi prin observarea anomaliilor benzilor magnetice de pe fundul oceanului. Lawrence W. Morley , Frederick John Vine și Drummond Hoyle Matthews au făcut legătura cu expansiunea oceanică în ipoteza Morley-Vine-Matthews, care a dus rapid la dezvoltarea teoriei tectonicii plăcilor . Rata relativ constantă la care se extinde fundul oceanului creează benzi în substrat din care se poate deduce polaritatea câmpului magnetic trecut, inclusiv remorcarea unui magnetometru de -a lungul fundului oceanului.
Deoarece nici o zonă de subducție (împingere de pe fundul mării peste plăcile continentale) care nu există astăzi are mai mult de 190 de milioane de ani (Ma), sunt necesare alte metode pentru a detecta inversiunile mai vechi. Majoritatea rocilor sedimentare conțin cantități mici de minerale bogate în fier, a căror orientare este influențată de câmpul magnetic înconjurător în momentul în care au fost formate. Aceste roci pot păstra o înregistrare a câmpului dacă nu sunt șterse ulterior printr-o schimbare chimică , fizică sau biologică .
Deoarece câmpul magnetic este global, modele similare ale variațiilor magnetice obținute în diferite locuri pot fi utilizate pentru a confirma datarea. În ultimele patru decenii au fost colectate o mulțime de date paleomagnetice despre vârsta fundului oceanului (până la ~ 250 Ma ) și sunt utilizate pentru a estima vârsta secțiunilor geologice . Această tehnică depinde de metode absolute de datare , cum ar fi metodele radiometrice pentru a determina data unei inversiuni. A devenit deosebit de util pentru geologii metamorfici și magmatici care au puține fosile stratigrafice .
Arheomagnetismul este studiul variațiilor din câmpul magnetic al Pământului înregistrate de mineralele magnetice prezente în lut și permite studiul variațiilor magnetice recente (la scara istoriei umane).
O altă scală a intervalului de polaritate.
Mișcarea polului nord magnetic peste arctica canadiană, 1831-2001.
Structura magnetosferei.
Procesul dinamic la originea câmpului magnetic al Pământului.
Magnetometrele pot măsura câmpul magnetic al planetelor, ca niște busole foarte sensibile.
Dimensiunile și temperaturile interne ale globului terestru.
Vedere secțională a pământului.