Geomagnetické obrácení - Geomagnetic reversal

Geomagnetická polarita za posledních 5 milionů let ( pliocén a kvartér , pozdní cenozoická éra ). Tmavé oblasti označují období, kdy se polarita shoduje s dnešní normální polaritou; světlé oblasti označují období, kdy je tato polarita obrácena.

Geomagnetické obrácení ke změně planety magnetickým polem tak, že pozice magnetickému severu a magnetické jihu jsou zaměněny (neplést s geografickou severu a geografické jih ). Pole Země se střídalo mezi obdobími normální polarity, ve kterých byl převládající směr pole stejný jako současný směr, a obrácenou polaritou, ve které to bylo naopak. Tato období se nazývají chrons .

Výskyty obrácení jsou statisticky náhodné. Za posledních 83 milionů let došlo k 183 zvratům (v průměru jednou za ~ 450 000 let). K poslednímu, zvratu Brunhes – Matujama , došlo před 780 000 lety, přičemž se značně lišily odhady toho, jak rychle k němu došlo. Jiné zdroje odhadují, že doba potřebná k dokončení zvratu je v průměru kolem 7 000 let u čtyř posledních zvratů. Clement (2004) naznačuje, že toto trvání závisí na zeměpisné šířce, s kratším trváním v nízkých zeměpisných šířkách a delším trváním ve středních a vysokých zeměpisných šířkách. Ačkoli je variabilní, doba úplného zvratu se obvykle pohybuje mezi 2 000 a 12 000 lety.

Ačkoli existují období, ve kterých se pole globálně obrátilo (například Laschampova exkurze ) po několik set let, jsou tyto události klasifikovány spíše jako exkurze než úplné geomagnetické zvraty. Chrony stabilní polarity často vykazují velké, rychlé směrové odchylky, které se vyskytují častěji než obrácení, a lze je považovat za neúspěšné zvraty. Během takové exkurze se pole obrátí v kapalném vnějším jádru , ale ne v pevném vnitřním jádru . Difúze v kapalném vnějším jádru probíhá v časových intervalech 500 let nebo méně, zatímco u pevného vnitřního jádra je delší, přibližně 3 000 let.

Dějiny

Na počátku 20. století si geologové, jako byl Bernard Brunhes, poprvé všimli, že některé vulkanické horniny byly magnetizovány proti směru místního zemského pole. První odhad načasování magnetických zvratů provedl Motonori Matujama ve 20. letech 20. století; pozoroval, že horniny s obrácenými poli byly všechny raného pleistocénu nebo starší. V té době byla polarita Země špatně pochopena a možnost zvratu vzbudila malý zájem.

O tři desetiletí později, kdy bylo magnetické pole Země lépe pochopeno, byly teorie pokročilejší, což naznačuje, že zemské pole se mohlo v dávné minulosti obrátit. Většina paleomagnetických výzkumů na konci padesátých let minulého století zahrnovala zkoumání putování pólů a kontinentálního driftu . Ačkoli se zjistilo, že některé horniny při ochlazování obrátí své magnetické pole, vyšlo najevo, že většina zmagnetizovaných vulkanických hornin zachovala stopy magnetického pole Země v době, kdy se horniny ochladily. Při absenci spolehlivých metod pro získání absolutního stáří hornin se předpokládalo, že ke zvratům dochází přibližně každých milion let.

Další zásadní pokrok v porozumění zvratům nastal, když se v 50. letech 20. století zlepšily techniky pro radiometrické datování . Allan Cox a Richard Doell z amerického geologického průzkumu chtěli vědět, zda v pravidelných intervalech dochází ke zvratům, a pozvali ke své skupině geochronologa Brenta Dalrympleho . První časovou stupnici magnetické polarity vyrobili v roce 1959. Když shromažďovali data, pokračovali v zdokonalování této stupnice v soutěži s Donem Tarlingem a Ianem McDougallem na Australské národní univerzitě . Skupina vedená Neilem Opdykem z observatoře Země Lamont – Doherty ukázala, že stejný vzorec byl zaznamenán v sedimentech z hlubinných jader.

V 50. a 60. letech byly informace o změnách magnetického pole Země shromažďovány převážně pomocí výzkumných plavidel, ale složité trasy plavby po oceánu ztěžovaly asociaci navigačních údajů s údaji magnetometru . Teprve když byla data zakreslena na mapu, ukázalo se, že na dně oceánů se objevily pozoruhodně pravidelné a souvislé magnetické pruhy.

V roce 1963 Frederick Vine a Drummond Matthews poskytli jednoduché vysvětlení kombinací teorie šíření mořského dna Harryho Hesse se známou časovou škálou zvratů: nové mořské dno je magnetizováno ve směru tehdejšího pole. Mořské dno šířící se z centrálního hřebene tedy vytvoří páry magnetických pruhů rovnoběžných s hřebenem. Kanaďan LW Morley nezávisle navrhl podobné vysvětlení v lednu 1963, ale jeho práce byla odmítnuta vědeckými časopisy Nature a Journal of Geophysical Research a zůstala nezveřejněna až do roku 1967, kdy se objevila v literárním časopise Saturday Review . Morley-Vine-Matthews hypotéza byla první klíčový vědecký test mořském dně šíření teorie kontinentálního driftu.

Počínaje rokem 1966 vědci Geologické observatoře Lamont – Doherty zjistili, že magnetické profily napříč Pacificko-antarktickým hřbetem jsou symetrické a odpovídají vzoru v hřebeni Reykjanes v severním Atlantiku . Stejné magnetické anomálie byly nalezeny ve většině světových oceánů, což umožňovalo odhady, kdy se vyvinula většina oceánské kůry.

Pozorování minulých polí

Geomagnetická polarita od středního jury . Tmavé oblasti označují období, kde se polarita shoduje s dnešní polaritou, zatímco světlé oblasti označují období, kdy je tato polarita obrácena. Křídová Normal superchron je vidět, jak široké, nepřerušenou černým pruhem uprostřed obrazu.

Obraty minulých polí mohou být a byly zaznamenány u „zmrzlých“ feromagnetických (nebo přesněji ferimagnetických ) minerálů konsolidovaných sedimentárních ložisek nebo ochlazených sopečných toků na souši.

Minulý záznam geomagnetických zvratů byl poprvé zaznamenán pozorováním „anomálií“ magnetického proužku na dně oceánu . Lawrence W. Morley , Frederick John Vine a Drummond Hoyle Matthews se připojili k šíření mořského dna v hypotéze Morley – Vine – Matthews, která brzy vedla k rozvoji teorie deskové tektoniky . Relativně konstantní rychlost šíření mořského dna má za následek „pruhy“ substrátu, ze kterých lze odvodit polaritu magnetického pole z dat shromážděných z tažení magnetometru podél mořského dna.

Protože žádné existující nesubdukované mořské dno (nebo vržení mořského dna na kontinentální desky ) není starší než asi 180 milionů let ( Ma ), jsou pro detekci starších zvratů nutné jiné metody. Většina sedimentárních hornin obsahuje malé množství minerálů bohatých na železo , jejichž orientace je ovlivněna okolním magnetickým polem v době, kdy se vytvořily. Tyto horniny mohou zachovat záznam pole, pokud jej později nevymažou chemické, fyzikální nebo biologické změny .

Protože je magnetické pole globálně konzistentní, lze ke korelaci věku na různých místech použít podobné vzorce magnetických variací na různých místech. V posledních čtyřech desetiletích bylo shromážděno mnoho paleomagnetických údajů o stáří mořského dna (až ~ 250 Ma ) a je užitečné při odhadu stáří geologických řezů. Nejedná se o nezávislou metodu seznamování, ale pro odvození číselných věků závisí na „absolutních“ věkových seznamovacích metodách, jako jsou radioizotopické systémy. To se stalo obzvláště užitečné pro metamorfní a vyvřelé geology, kde jsou zřídka k dispozici indexové fosilie .

Časová stupnice geomagnetické polarity

Prostřednictvím analýzy magnetických anomálií mořského dna a datování reverzních sekvencí na souši paleomagnetisté vyvíjejí časové měřítko geomagnetické polarity (GPTS). Aktuální časové měřítko obsahuje 184 intervalů polarity za posledních 83  milionů let (a tedy 183 zvratů).

Změna frekvence v průběhu času

Rychlost zvratů v magnetickém poli Země se v průběhu času značně lišila. Před 72 miliony lety (Ma) se pole za milion let obrátilo 5krát. V období 4 milionů let soustředěného na 54 Ma došlo k 10 zvratům; kolem 42 Ma proběhlo 17 zvratů v rozmezí 3  milionů let. V období 3  milionů let se soustředěním na 24 Ma došlo k 13 zvratům. Během období 12  milionů let došlo k nejméně 51 zvratům, které se soustředily před 15 miliony let . Během 50 000 let došlo ke dvěma zvratům. Tyto éry častých zvratů byly vyváženy několika „superchrony“ - dlouhými obdobími, kdy nedošlo k žádným zvratům.

Superchrony

Superchron je polarita interval trvající nejméně 10  milionů let. Existují dva dobře zavedené superchrony, křídový normál a Kiaman. Třetí kandidát, Moyero, je kontroverznější. Kdysi se předpokládalo, že Jurská tichá zóna v oceánských magnetických anomáliích představuje superchron, ale nyní je připisována jiným příčinám.

Křídová Normal (také volal křídová Superchron nebo C34) trvalo téměř 40  milionů let, od asi 120 do 83 před miliony let , včetně etap křídového období od Aptian přes Santonian . Četnost magnetických zvratů před obdobím neustále klesala a během období dosáhla svého nejnižšího bodu (žádné zvraty). Mezi křídovou normálkou a současností se frekvence obecně pomalu zvyšovala.

Kiaman Reverse Superchron trvala přibližně od pozdního karbonu do pozdního permu , nebo pro více než 50  milionů let, od asi 312 až 262 před miliony let . Magnetické pole obrátilo polaritu. Název „Kiaman“ pochází z australské vesnice Kiama , kde byly v roce 1925 nalezeny některé z prvních geologických důkazů superchronu.

Ordovik je podezřelý hostili další superchron, nazvaný Moyero Reverse Superchron , trvající více než 20  milionů let (485 až 463  před miliony let). Dosud byl tento možný superchron nalezen pouze v řece Moyero severně od polárního kruhu na Sibiři. Nejlepší data odjinud na světě navíc neukazují důkazy pro tento superchron.

Některé oblasti oceánského dna, starší než 160 Ma , mají magnetické anomálie s nízkou amplitudou, které je těžké interpretovat. Nacházejí se na východním pobřeží Severní Ameriky, severozápadním pobřeží Afriky a západním Pacifiku. Kdysi se předpokládalo, že představují superchron nazývaný Jurská tichá zóna , ale v tomto období se na souši nacházejí magnetické anomálie. Je známo, že geomagnetické pole má nízkou intenzitu mezi přibližně 130 Ma a 170 Ma a tyto části oceánského dna jsou obzvláště hluboké, což způsobuje zeslabení geomagnetického signálu mezi mořským dnem a povrchem.

Statistické vlastnosti reverzí

Několik studií analyzovalo statistické vlastnosti zvratů v naději, že se dozví něco o jejich základním mechanismu. Rozlišovací schopnost statistických testů je omezena malým počtem intervalů polarity. Přesto jsou některé obecné rysy dobře zavedené. Zejména vzorec zvratů je náhodný. Neexistuje žádná korelace mezi délkami intervalů polarity. Neexistuje žádná preference pro normální nebo obrácenou polaritu a žádný statistický rozdíl mezi distribucemi těchto polarit. Tento nedostatek předpojatosti je také robustní predikcí teorie dynama .

Neexistuje žádná míra zvratů, protože jsou statisticky náhodné. Náhodnost zvratů je v rozporu s periodicitou, ale několik autorů tvrdilo, že periodicitu shledávají. Tyto výsledky jsou však pravděpodobně artefakty analýzy pomocí posuvných oken, které se pokoušejí určit míru obrácení.

Většina statistických modelů zvratů je analyzovala z hlediska Poissonova procesu nebo jiného druhu procesu obnovy . Poissonův proces by měl v průměru konstantní rychlost obrácení, takže je běžné používat nestacionární Poissonův proces. Ve srovnání s Poissonovým procesem však existuje snížená pravděpodobnost zvratu po desítky tisíc let po zvratu. To může být způsobeno inhibicí v základním mechanismu, nebo to může znamenat, že byly vynechány některé kratší intervaly polarity. Náhodný obrazec s inhibicí může být reprezentován gama procesem . V roce 2006 tým fyziků na univerzitě v Kalábrii zjistil, že zvraty také odpovídají distribuci Lévy , která popisuje stochastické procesy s dlouhodobými korelacemi mezi událostmi v čase. Data jsou také v souladu s deterministickým, ale chaotickým procesem.

Charakter přechodů

Doba trvání

Většina odhadů na dobu trvání přechodu polarity je mezi 1 000 a 10 000 lety, ale některé odhady jsou stejně rychlé jako lidský život. Studie 16,7 milionů let starých lávových proudů na Steens Mountain v Oregonu naznačují, že magnetické pole Země se může pohybovat rychlostí až 6 stupňů za den. To se zpočátku setkávalo se skepticismem paleomagnetistů. I když dojde v jádru ke změnám tak rychle, plášť, což je polovodič , má za to, že odstraní variace s periodami kratšími než několik měsíců. Byla navržena řada možných skalních magnetických mechanismů, které by vedly k falešnému signálu. Paleomagnetické studie jiných sekcí ze stejné oblasti (povodňové čediče na Oregonské plošině) však poskytují konzistentní výsledky. Zdá se, že přechod polarity obrácené k normální, který označuje konec Chron C5Cr (před 16,7  miliony let ), obsahuje řadu zvratů a exkurzí. Kromě toho geologové Scott Bogue z Occidental College a Jonathan Glen z US Geological Survey, kteří odebírali vzorky lávových proudů v Battle Mountain v Nevadě , našli důkaz pro krátký, několik let dlouhý interval během obratu, když se směr pole změnil o více než 50 stupně. Zvrat byl datován přibližně před 15  miliony let. V srpnu 2018 vědci hlásili zvrat trvající pouhých 200 let. Dokument z roku 2019 ale odhadoval, že poslední zvrat, před 780 000 lety, trval 22 000 let.

Magnetické pole

Magnetické pole nezmizí úplně, ale mnoho pólů se může během reverzace chaoticky vytvářet na různých místech, dokud se znovu nestabilizuje.

Příčiny

Počítačová simulace NASA pomocí modelu Glatzmaiera a Robertsa. Trubice představují magnetické siločáry , modré, když pole směřuje do středu, a žluté, když jsou pryč. Osa otáčení Země je středová a svislá. Husté shluky čar jsou uvnitř zemského jádra.

Magnetické pole Země a dalších planet, které mají magnetická pole, je generováno dynamickým působením, při kterém proudění roztaveného železa v planetárním jádru generuje elektrické proudy, které následně vedou k vzniku magnetických polí. V simulacích planetárních dynam, zvraty často spontánně vycházejí z podkladové dynamiky. Například Gary Glatzmaier a spolupracovník Paul Roberts z UCLA spustili numerický model spojení mezi elektromagnetismem a dynamikou tekutin v nitru Země. Jejich simulace reprodukovala klíčové vlastnosti magnetického pole za více než 40 000 let simulovaného času a počítačem generované pole se obrátilo. Globální zvraty pole v nepravidelných intervalech byly také pozorovány v laboratorním experimentu s tekutými kovy „VKS2“.

V některých simulacích to vede k nestabilitě, při které se magnetické pole samovolně převrátí do opačné orientace. Tento scénář je podpořen pozorováním slunečního magnetického pole , které prochází spontánními zvraty každých 9–12 let. U Slunce je však pozorováno, že sluneční magnetická intenzita se během zvratu výrazně zvyšuje, zatímco ke zvratům na Zemi dochází v obdobích nízké intenzity pole.

Hypotetické spouště

Někteří vědci, například Richard A. Muller , si myslí, že geomagnetické zvraty nejsou spontánní procesy, ale jsou spouštěny vnějšími událostmi, které přímo narušují tok v zemském jádru. Návrhy zahrnují události nárazu nebo vnitřní události, jako je příchod kontinentálních desek přenesených dolů do pláště působením deskové tektoniky na subdukční zóny nebo iniciace nových oblaků pláště od hranice jádro-plášť . Příznivci této hypotézy tvrdí, že jakákoli z těchto událostí by mohla vést k rozsáhlému narušení dynama a účinnému vypnutí geomagnetického pole. Protože je magnetické pole stabilní buď v současné orientaci sever -jih, nebo v obrácené orientaci, navrhují, aby se pole, když se vzpamatuje z takového narušení, spontánně vybralo jeden nebo druhý stav, takže polovina regenerací se stane zvraty. Zdá se však, že navrhovaný mechanismus nefunguje v kvantitativním modelu a důkazy ze stratigrafie o korelaci mezi zvraty a událostmi dopadu jsou slabé. Neexistuje žádný důkaz o zvratu spojeném s událostí nárazu, která způsobila událost vyhynutí křídy a paleogenu .

Účinky na biosféru

Krátce poté, co byly vyrobeny první časové stupnice geomagnetické polarity, vědci začali zkoumat možnost, že by zvraty mohly být spojeny s vyhynutím . Většina takových návrhů vychází z předpokladu, že magnetické pole Země bude při reverzích mnohem slabší. Možná první taková hypotéza byla, že vysokoenergetické částice uvězněné v radiačním pásu Van Allena by mohly být osvobozeny a bombardovat Zemi. Podrobné výpočty potvrzují, že pokud by zemské dipólové pole úplně zmizelo (opustilo by kvadrupól a vyšší složky), většina atmosféry by se stala přístupnou pro částice s vysokou energií, ale působila by pro ně jako bariéra a srážky kosmického záření by produkovaly sekundární záření z berylia-10 , nebo chlor-36 . Německá studie ledových jader Grónska z roku 2012 ukázala vrchol berylia-10 během krátkého úplného zvratu před 41 000 lety, což vedlo k tomu, že síla magnetického pole během reverze klesla na odhadovaných 5% normálu. Existují důkazy, že k tomu dochází jak během sekulární variace, tak během zvratů.

Další hypotéza McCormaka a Evanse předpokládá, že zemské pole během zvratů úplně zmizí. Tvrdí, že atmosféra Marsu mohla být narušena slunečním větrem, protože neměla magnetické pole, které by ji chránilo. Předpovídají, že ionty budou odstraněny ze zemské atmosféry nad 100 km. Měření paleointensity však ukazují, že magnetické pole během zvratů nezmizelo. Na základě údajů o paleointenzitě za posledních 800 000 let se odhaduje , že magnetopauza byla během zvratu Brunhes-Matujama zhruba ve třech poloměrech Země . I kdyby vnitřní magnetické pole zmizelo, sluneční vítr může v ionosféře Země vyvolat magnetické pole dostatečné k ochraně povrchu před energetickými částicemi.

Hypotézy také pokročily k propojení zvratů s hromadným vyhynutím . Mnoho takových argumentů bylo založeno na zjevné periodicitě rychlosti zvratů, ale pečlivější analýzy ukazují, že záznam o zvratu není periodický. Může se však stát, že konce superchronů způsobily prudkou konvekci vedoucí k rozšířenému vulkanismu a že následný polévaný vzduch způsobil vyhynutí.

Testy korelací mezi vyhynutím a zvraty jsou obtížné z mnoha důvodů. Větší zvířata jsou ve fosilních záznamech příliš vzácná na dobrou statistiku, takže paleontologové analyzovali vyhynutí mikrofosilií. I údaje o mikrofosiliích mohou být nespolehlivé, pokud jsou ve fosilních záznamech přestávky. Může se zdát, že k zániku dochází na konci intervalu polarity, když byl zbytek tohoto intervalu polarity jednoduše narušen. Statistická analýza neprokazuje korelaci mezi zvraty a vyhynutím.

Viz také

• Seznam geomagnetických zvratů , včetně stáří.
• Magnetická anomálie

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Je pravda, že magnetické pole Země se chystá otočit? physics.org , přístup 8. ledna 2019