Wervelend rond de vaste binnenkern van onze planeet, meer dan 1.800 mijl onder het oppervlak, genereert heet vloeibaar ijzer een magnetisch veld dat zich uitstrekt voorbij de atmosfeer. Dit veld biedt ons alles, van kompasrichtingen tot bescherming tegen kosmische straling, dus het is geen verrassing dat wetenschappers eerder dit jaar gealarmeerd waren toen ze merkten dat de noordelijke magnetische pool snel naar Siberië afdreef. Terwijl geofysici zich haastten om een geactualiseerd model van het magnetisch veld van de aarde vrij te geven voorafgaand aan het vijfjarig schema, stelde de migrerende pool een dringende vraag: bereidt het magnetische veld van de aarde zich voor om te keren?
De magnetische toestand van onze wereld verandert voortdurend, waarbij de magnetische noord- en zuidpool elke eeuw ongeveer een paar graden ronddwalen. Af en toe ervaart het magnetische veld een volledige omkering van de polariteit, waardoor de magnetische noord- en zuidpool van plaats wisselen, hoewel niemand precies weet wat deze omslag veroorzaakt. (In feite is de noordpool van de planeet op dit moment een magnetische zuidpool, maar het wordt nog steeds 'magnetisch noorden' genoemd om te corresponderen met onze geografische metingen.)
In een studie die vandaag in Science Advances is gepubliceerd, rapporteren onderzoekers een nieuwe geschatte tijdlijn van de laatste polariteit omkering, genaamd de Brunhes-Matuyama omkering, die ongeveer 780.000 jaar geleden plaatsvond. Met behulp van een combinatie van lavastalen, oceaanafzettingen en ijskernen konden ze de voortgang van deze omkering volgen en aantonen dat het patroon langer en complexer was dan door eerdere modellen werd gesuggereerd. De bevindingen kunnen een beter inzicht geven in hoe de magnetische omgeving van onze planeet evolueert en hopelijk leiden tot voorspellingen voor de volgende grote verstoring.
"[Polariteit omkering] is een van de weinige geofysische fenomenen die echt wereldwijd is", zegt Brad Singer, hoogleraar geowetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin – Madison en hoofdauteur van de studie. “Het is een proces dat in de diepste delen van de aarde van start gaat, maar het manifesteert zich in rotsen over het hele oppervlak van de planeet en beïnvloedt de atmosfeer op behoorlijk belangrijke manieren. ... Als we chronologie kunnen vaststellen voor de timing van omkeringen, hebben we markeringen die we kunnen gebruiken om rotsen over de hele planeet te dateren en gemeenschappelijke tijdspunten over de hele aarde kennen. "
Het genereren van het magnetische veld van de aarde begint precies in het midden. Warmte van de vaste binnenste kern geproduceerd door radioactief verval verwarmt het omringende vloeibare ijzer, waardoor het circuleert als een pot water op een kookplaat. De vloeiende beweging, of convectie, van het ijzer creëert een elektrische stroom, die een magnetisch veld genereert. Terwijl de aarde draait, wordt het magnetische veld ruwweg uitgelijnd met de rotatieas, waardoor de magnetische noord- en zuidpool worden gevormd.
In de afgelopen 2, 6 miljoen jaar is het magnetische veld van de aarde 10 keer omgedraaid en bijna meer dan 20 keer omgedraaid tijdens evenementen die excursies werden genoemd. Sommige onderzoekers geloven dat polariteitomkeringen worden veroorzaakt door een verstoring van het evenwicht tussen de rotatie van de aarde en de temperatuur in de kern, waardoor de vloeiende beweging van het vloeibare ijzer verandert, maar het exacte proces blijft een mysterie.
Schematische weergave van de onzichtbare magnetische veldlijnen gegenereerd door de aarde, weergegeven als een dipoolmagneetveld. In feite wordt ons magnetische schild dichter bij de aarde geperst aan de zonzijde en extreem langwerpig aan de nachtzijde vanwege de zonnewind. (Peter Reid / NASA) Zanger en collega's verkregen nauwkeurigere chronologische schattingen voor de laatste polariteitsverandering door nieuwe technieken te gebruiken voor het dateren van gestolde lava. Basaltische lava, die rond 1.100 graden Celsius (2.012 graden Fahrenheit) uitbarst, bevat magnetiet, een ijzeroxide waarvan de buitenste elektronen zich oriënteren langs het magnetische veld van de aarde. Wanneer de lava afkoelt tot 550 graden Celsius (1022 graden Fahrenheit), "wordt de magnetisatierichting vergrendeld, letterlijk gebakken in de stroom", zegt Singer. Als gevolg daarvan wordt de geschiedenis van het magnetische veld in de gestolde lava gestempeld, die Singer en zijn team konden lezen met behulp van een gespecialiseerd proces om de argon-isotopen van de rotte lavamonsters te meten.
Helaas voor geologen (maar gelukkig voor de rest van ons) barsten vulkanen niet altijd uit, waardoor lava een vlekkerige bewaarder van de evolutie van het magnetische veld wordt. Om de ontbrekende datums aan elkaar te naaien, combineerde het onderzoeksteam de nieuwe metingen van zeven verschillende lavabronnen over de hele wereld met eerdere records van gemagnetiseerde elementen in oceaanafzettingen en Antarctische ijskernen. In tegenstelling tot lava biedt de oceaan een continu record van magnetisatie, omdat korrels van magnetisch materiaal zich constant op de zeebodem vestigen en zich aanpassen aan het veld van de planeet. "Maar deze platen worden glad en vervormd door verdichting, en er zijn veel beestjes die op de bodem van de zeebodem leven ... dus de plaat wordt een beetje vernietigd, " zegt Singer.
Antarctisch ijs biedt een derde manier om de geschiedenis van het magnetische veld van de aarde op te lossen, omdat het monsters bevat van een berylliumisotoop die ontstaat wanneer kosmische straling sterk in wisselwerking staat met de bovenste atmosfeer - precies wat er gebeurt wanneer het magnetische veld verzwakt tijdens een excursie of omkering.
Door deze drie bronnen te combineren, hebben de onderzoekers een grondig verhaal samengesteld over hoe het magnetische veld zich tijdens de laatste omkering ontwikkelde. Terwijl eerdere studies suggereerden dat alle omkeringen drie fasen doorlopen in een tijdspanne van niet meer dan 9.000 jaar, ontdekte het team van Singer een veel complexer omkeerproces dat meer dan 22.000 jaar in beslag nam.
"We kunnen in deze periode van 22.000 jaar veel meer nuances zien in het harsen en afnemen van sterke punten en directioneel gedrag", zegt Singer. "En het komt niet overeen met het [driefasige] patroon ... dus ik denk dat ze terug moeten gaan naar de tekentafel."
De bevindingen stellen vraagtekens bij de vraag of toekomstige veldomkeringen soortgelijke ingewikkeldheden en duur zullen vertonen. "Dit is een belangrijk artikel omdat het nieuwe vulkanische gegevens documenteert en vulkanische en sedimentaire records samenbrengt die betrekking hebben op instabiliteit van het geomagnetische veld voorafgaand aan de laatste polariteitsverandering", zegt James Channell, een geofysicus van de Universiteit van Florida die niet betrokken was in het nieuwe onderzoek, in een e-mail. “Is deze pre-omkeerinstabiliteit een kenmerk van alle polariteitomkeringen? Vooralsnog is er geen bewijs van oudere omkeringen. ”
Studie coauteur Rob Coe en Trevor Duarte oriënteren van kernen van een lavastroomlocatie en registreren de magnetische polariteitomkering van Matuyama-Brunhes in Haleakala National Park, Hawaii, in 2015. (Brad Singer) Zelfs met de drie sets metingen blijft er enige vraag of de gepatchte geschiedenis voldoende informatie geeft over hoe lang een omkering duurt en precies in welke toestand het veld zich bevindt wanneer dergelijke flips optreden. "Zolang geen volledig verslag bewijs levert voor de complexe opeenvolging van gebeurtenissen die wordt weergegeven door de auteurs, ben ik er niet van overtuigd dat de onzekerheden over de eeuwen ons in staat stellen om meer dan twee verschillende fasen te onderscheiden, " zegt Jean-Pierre Valet, een geofysicus van het Paris Institute of Earth Physics die niet betrokken was bij het onderzoek, in een e-mail. Valet betwijfelt ook de duur van de omkering, met het argument dat onzekerheden in de gegevens suggereren dat het hele proces had kunnen variëren van 13.000 jaar tot 40.000 jaar - nog steeds langer dan eerdere schattingen.
Meer informatie over de processen die leiden tot polariteit omkeringen kan van cruciaal belang zijn voor toekomstige beschavingen, omdat het veranderende magnetische veld verstrekkende gevolgen kan hebben voor de planeet.
"Wanneer het [magnetische] veld zwak is, dat is tijdens omkeringen, stort het hoofd dipoolveld in iets in de orde van tien procent van zijn normale sterkte in, " zegt Singer. Deze ineenstorting kan problemen veroorzaken voor het leven op aarde, omdat het magnetische veld ozonmoleculen stabiliseert en de planeet afschermt tegen ultraviolette straling. Singer wijst erop dat recent werk suggereert dat moderne mensen zijn aangepast om beschermende genen te hebben nadat Neanderthalers last hadden van straling tijdens een excursie die het magnetische veld verslechterde.
"Het is al geruime tijd besproken of magnetische omkeringen een impact hebben op de biota aan het aardoppervlak", zegt hij. “De meeste van de vroege claims zijn nogal belachelijk, omdat de chronologie niet goed genoeg was om te weten dat de ontdekking van fossielen van bijvoorbeeld Neanderthalers correleerden met een excursie. Maar nu kennen we die timing veel beter. '
De afgelopen 200 jaar of langer is het magnetische veld van de aarde met een snelheid van vijf procent per eeuw aan het vervallen. Als deze verzwakking en de recente migratie van de noordelijke magnetische pool wijzen op een dreigende veldomkering, zou dit ernstige implicaties kunnen hebben voor technologieën die afhankelijk zijn van satellieten, die door kosmische straling kunnen worden beschadigd. Singer waarschuwt echter dat een ommekeer waarschijnlijk niet zal plaatsvinden voor de volgende paar millennia.
"Wat we nu zien met de noordpool snel beweegt, dat is eigenlijk heel normaal, " zegt Singer. “Er zijn papieren gepubliceerd op basis van veel slechtere gegevens dan die waarmee we werken, die suggereren dat een omkering zou kunnen plaatsvinden in minder dan een mensenleven, en dat wordt gewoon niet ondersteund door de overgrote meerderheid van de gegevens. ... De daadwerkelijke omkering, de definitieve omkering, duurt enkele duizenden jaren. "
Dat zou de mensheid enige tijd moeten kopen om haar technologieën beter te beschermen tegen straling door de volgende ommekeer. Tot die tijd, wees niet gealarmeerd als je kompas een graad of twee verschuift.
