Maan magneettikentän käänteet — geomagneettiset käännökset ja historia
Tutustu Maan magneettikentän käänteisiin ja niiden historiaan — geomagneettiset käännökset, ajoitus, esimerkit ja vaikutukset geologiaan ja elämään.
Geomagneettinen kääntö on planeetan magneettikentän muutos, jossa magneettiset pohjois- ja eteläpuolet vaihtuvat. Tämän prosessin taustalla on Maan nestemäisen ulkokuoren ja kiinteän sisemmän ytimen vuorovaikutuksesta syntyvä geodynamiikka: kuuman raudan ja nikkelin virtaukset synnyttävät magneettikentän, jonka suunta ja voimakkuus voivat muuttua ajan myötä.
Käänteitä on tapahtunut noin 183 kertaa viimeisten 83 miljoonan vuoden aikana, eli keskimäärin noin kaksi tai kolme kertaa miljoonaa vuotta kohti. Näistä tapahtumista saadaan tietoa erityisesti merenpohjan magneettisuuden tutkimuksista: keskiselänteillä purkautuva laava jähmettyessään tallentaa raudan oksidien avulla senhetkisen magneettikentän suunnan. Näin syntyvät niin sanotut magneettiset raidat, jotka ovat eräänlainen aikakoodi Maan magneettikentän historiassa.
Ennen täyttä kääntöä magneettikentän voimakkuus usein heikkenee ja magneettiset navat liikkuvat arvaamattomasti — ikään kuin huippu pyörisi ja horjuisi ennen kaatumistaan. Käänteet ja niitä lyhyemmät muutokset voivat kestää hyvin eri pituisia aikoja: alle 0,1 miljoonasta vuodesta aina noin 50 miljoonaan vuoteen. Pitkiä ajanjaksoja, jolloin magneettinen suunta pysyy vakaana, kutsutaan kronoiksi.
Käänteet eivät noudata yksinkertaista säännönmukaisuutta vaan näyttävät tapahtuvan sattumanvaraisesti. Kronit voivat kestää tyypillisesti 0,1–1 miljoonaa vuotta (keskimäärin noin 450 000 vuotta). Useimmat yksittäiset käännökset etenevät hitaasti ja kestävät useita tuhansia vuosia — tavallisimmin 1 000–10 000 vuotta — vaikka poikkeuksiakin esiintyy.
Viimeisin täydellinen käännös, Brunhes–Matuyama-käänne, tapahtui noin 780 000 vuotta sitten. Lyhyempi ja paikallisesti merkittävä tapahtuma, Laschampin ekskursio, sattui noin 41 000 vuotta sitten viimeisen jääkauden aikana: sitä on tulkittu sekä lyhyeksi täydelliseksi käännökseksi että voimakkaaksi geomagneettiseksi ekskursioksi. Laschampin aikana magneettikenttä heikkeni arviolta jopa noin 5 prosenttiin nykymittauksista (tämä heikkeneminen oli väliaikaista), ja varsinaisen napaisuuden vaihtumisen kesto oli likimain 250 vuotta; koko tapahtuma kesti satoja vuosia. Lyhyitä, täydelliseen kääntöön johtamattomia häiriöitä kutsutaan geomagneettisiksi ekskursioiksi.
Mihin käännökset vaikuttavat? Magneettikentän heikkeneminen voi lisätä avaruussäteilyn sekä energisesti varautuneiden hiukkasten pääsyä ilmakehään ja maan pinnalle, mikä voi vaikuttaa avaruussäteilyn määrään ilmakehässä, radiohiilen tuotantoon ja ionosfäärin olosuhteisiin. Useimmat tutkimukset eivät kuitenkaan osoita, että magneettikentän vaihtelut olisivat aiheuttaneet laajamittaisia sukupuuttoja. Ihmisen teknologiavaikutukset olisivat merkittävimpiä: heikentynyt kenttä lisää säteilyaltistusta avaruuslentoihin, voi häiritä satelliitteja ja sähköisiä järjestelmiä sekä vaikeuttaa magneettista navigointia — mutta nykyaikaiset järjestelmät pystyvät yleensä sopeutumaan muutoksiin.
Miten tiedämme ajanjaksot ja niiden kestot? Tietoa geomagneettisista käännöistä saadaan paleomagnetismista — magneettisista signaaleista vulkaanisissa kivissä, sedimenttikerrostumissa ja merenpohjan laattaraitoihin tallentuneista kuvioista — sekä radioaktiivisesta ajoituksesta ja arkeomagneettisista aineistoista. Näiden yhdistäminen antaa kronologian ja auttaa erottamaan täydet käännökset, pitkät ekskursiot ja lyhyet häiriöt.
Entä tulevaisuus? Geodynamiikka on monimutkainen ja ei salli tarkan ennusteen tekemistä siitä, milloin seuraava käännös tapahtuu. Nykyiset mittaukset osoittavat paikallista heikkenemistä ja magneettinapojen liikettä, mutta se ei tarkoita, että täysi käännös olisi välittömästi odotettavissa. Tutkijat seuraavat kenttää tarkasti satelliittien ja maanpäällisten mittausten avulla ja pyrkivät ymmärtämään ytimen virtauksia ja niiden pitkän aikavälin trendejä.
Yhteenvetona: geomagneettiset käännökset ovat luonnollinen osa Maan pitkäaikaista kehitystä, ne näkyvät selvästi geologisessa aineistossa, ja niiden vaikutukset biosfääriin ja ihmisiin ovat monimutkaisia mutta eivät välttämättä katastrofaalisia. Kyse on hitaista planetaarisista prosesseista, joiden ymmärtäminen auttaa sekä perusfysiikan että käytännön sovellusten, kuten avaruussään ja teknologian, arvioinnissa.
Geomagneettinen polariteetti viimeisten 5 miljoonan vuoden aikana (plioseeni ja kvartäärikausi, myöhäinen kainotsooinen kausi). Tummat alueet = ajanjaksot, jolloin polariteetti vastaa nykyistä Vaaleat alueet = ajanjaksot, jolloin polariteetti on kääntynyt päinvastaiseksi .
Menneisyyden tallenteet
Geomagneettisten käänteiden aiemmat merkinnät havaittiin ensimmäisen kerran havainnoimalla magneettijuovien käänteitä meren pohjassa. Tämä johti pian laattatektoniikan teorian kehittymiseen. Merenpohjan suhteellisen tasainen leviämisnopeus aiheuttaa basalttiin "raitoja". Näistä menneisyyden magneettikentistä voidaan päätellä napaisuus. Tiedot saadaan vetämällä magnetometriä merenpohjaa pitkin.
Mikään olemassa oleva uppoamaton merenpohja ei ole yli 180 miljoonaa vuotta vanha, joten vanhempien käänteiden havaitsemiseksi käytetään muita menetelmiä. Useimmissa sedimenttikivissä on pieniä määriä rautapitoisia mineraaleja. Niiden suunta heijastaa magneettikenttää niiden muodostumisajankohtana. Kalliot säilyttävät tämän merkinnän, ellei jokin myöhempi prosessi muuta niitä.
Superchrons
Superkroni on vähintään 10 miljoonaa vuotta kestävä polariteettiväli. On olemassa kaksi vakiintunutta superkronia, liitukauden normaali ja Kiaman.
Liitukauden normaalijakso (jota kutsutaan myös liitukauden superkroniksi tai C34:ksi) kesti lähes 40 miljoonaa vuotta. Liitukauden normaalin ja nykyhetken välillä esiintymistiheys on yleensä kasvanut hitaasti.
Kiamanin käänteinen superkroni kesti myöhäiskarbonaatista myöhäispermiin. Se on yli 50 miljoonaa vuotta, 312-262 miljoonaa vuotta sitten (mya). Magneettikentän napaisuus oli kääntynyt. Nimi "Kiaman" juontaa juurensa australialaisesta Kiaman kylästä, josta löydettiin ensimmäiset geologiset todisteet superkronista vuonna 1925.
Geomagneettinen polariteetti keskimmäisestä jurakaudesta lähtien
Aiheuttaa
Maan ja muiden magneettikenttiä omaavien planeettojen magneettikenttä johtuu planeetan ytimessä olevan sulan raudan dynamiotoiminnasta. Tämä konvektio (liike) synnyttää sähkövirtoja, jotka puolestaan synnyttävät magneettikenttiä. Planeettadynamojen simuloinneissa tapahtuu käänteitä taustalla olevasta dynamiikasta. Esimerkiksi Gary Glatzmaier ja kollegansa Paul Roberts UCLA:sta ajoivat numeerisen mallin sähkömagnetismin ja nestedynamiikan välisestä kytkennästä Maan sisuksissa. Heidän simulaationsa toisti magneettikentän keskeiset piirteet yli 40 000 vuoden simuloidun ajanjakson aikana, ja tietokoneella luotu kenttä kääntyi. Maailmanlaajuinen kentän kääntyminen epäsäännöllisin väliajoin on havaittu myös laboratorion nestemäisen metallin kokeessa VKS2.
Vaikutukset elämään
Tietojemme mukaan sillä ei ole vaikutusta elämään. On tehty tutkimuksia sen selvittämiseksi, liittyvätkö käänteet millään tavoin sukupuuttoon kuolemiseen. Tilastollinen analyysi ei osoita, että käänteisilmiöiden ja sukupuuttojen välillä olisi yhteyttä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on geomagneettinen käänne?
A: Geomagneettinen käänne on planeetan magneettikentän muutos siten, että magneettisen pohjoisen ja magneettisen etelän sijainnit vaihtuvat.
K: Kuinka usein näitä käänteitä tapahtuu?
V: Käänteitä tapahtuu noin kaksi tai kolme kertaa miljoonassa vuodessa, ja niiden väli vaihtelee alle 0,1 miljoonasta vuodesta jopa 50 miljoonaan vuoteen.
K: Kuinka kauan kestää, että käänne tapahtuu?
V: Useimmissa käänteissä kestää 1 000-10 000 vuotta. Viimeisin, Brunhes-Matuyama-käänne, tapahtui 780 000 vuotta sitten, ja se on saattanut tapahtua hyvin nopeasti, ihmisen elinaikana.
K: Mikä on esimerkki lyhyestä täydellisestä käänteestä?
V: Laschampin tapahtumana tunnettu lyhyt täydellinen käänne tapahtui vain 41 000 vuotta sitten viimeisen jääkauden aikana. Tämä käänne kesti vain noin 440 vuotta, ja varsinainen napaisuuden muutos kesti noin 250 vuotta.
K: Kuinka heikko oli Maan magneettikenttä tämän muutoksen aikana?
V: Tämän muutoksen aikana magneettikentän voimakkuus heikkeni 5 prosenttiin nykyisestä voimakkuudestaan.
K: Mitä ovat kronit?
V: Kronit ovat ajanjaksoja, jotka vaihtelevat 0,1-1 miljoonan vuoden välein ja joiden välillä on keskimäärin 450 000 vuoden väli, jolloin käänteet tapahtuvat sattumanvaraisesti ilman mitään kaavaa tai säännönmukaisuutta.
K: Mitä ovat geomagneettiset ekskursiot?
V: Geomagneettiset ekskursiot ovat lyhyitä häiriöitä, jotka eivät johda täydellisiin käänteisiin, mutta aiheuttavat silti muutoksia maapallon magnetismissa.
Etsiä