Геомагнитно обръщане — как и защо магнитните полюси на Земята се сменят

Геомагнитно обръщане: как и защо магнитните полюси на Земята се сменят, историята им, причини, времеви рамки и въздействие върху климата и технологиите.

Геомагнитното обръщане е промяна в магнитното поле на планетата, при която се разменят позициите на магнитния север и магнитния юг.

Това се е случило 183 пъти през последните 83 милиона години, средно около два или три пъти на милион години. Преди промяната на магнитното поле земното магнитно поле става по-слабо и се движи, както въртящата се горна част преди да падне. Учените знаят това в резултат на изследвания на магнетизма на морското дъно, близо до Средноатлантическия хребет. Лавата бавно се придвижва от тази пукнатина (пролука в морското дъно) и след това се охлажда, като всички нейни молекули железен оксид са насочени в новата посока на земното магнитно поле. Днес можем да разгледаме историята на това магнитно поле, за да се върнем назад към многобройните преобръщания в миналото.

Обръщанията се случват на интервали от по-малко от 0,1 милиона години до 50 милиона години. Тези периоди се наричат хронове.

Тези промени нямат никаква закономерност, а се случват на случаен принцип. Хроните продължават между 0,1 и 1 милион години (вж. диаграмата), като средната продължителност е 450 000 години. Повечето обрати се случват за период между 1000 и 10 000 години.

Последният, обратът Брунхс-Матуама, е настъпил преди 780 000 години и може да се е случил много бързо, в рамките на един човешки живот. Краткото пълно обръщане, известно като събитието Лашамп, е настъпило само преди 41 000 години по време на последния ледников период. Това обръщане е продължило само около 440 години, като действителната промяна на полярността е продължила около 250 години. По време на тази промяна силата на магнитното поле отслабва до 5 % от сегашната си сила. Краткотрайните смущения, които не водят до обръщане, се наричат геомагнитни екскурзии.

Как възниква земното магнитно поле

Магнитното поле на Земята се генерира в разтопената външна част на ядрото чрез процес, наречен геодинамо. Движението на проводящи течности (главно желязо и никел) създава електрически токове, които пък пораждат магнитно поле. Това поле обикновено има доминиращ диполен компонент (приблизително като магнитна максима), но в периодите на преход то става сложно — с множество локални полюси и неправилна структура.

Как учените „четат“ миналото на магнитното поле

Основните източници на информация са:

• Магнетизмът на морското дъно — при спрединга на океанските хребети заледената лава записва посоката и полярността на полето в момента на охлаждане, което създава огледално-симетрични ивици с променяща се полярност.
• Лавови потоци и скални единици — охлаждането на вулканични скали запазва ориентацията на магнитните минерали и позволява датиране чрез петроложки методи.
• Седиментни записи — в езера и океански седименти фините частици също могат да запазят промени в полето в хронологичен ред.

Как протича едно обръщане

Обръщането не е просто „включване” и „изключване” на полюсите. Често протича като продължителен, хаотичен преход, при който диполният компонент отслабва, докато многополярни полета временно доминират. Периодът на преход обикновено е между няколко стотин и няколко десетки хиляди години. Някои проучвания на древни лавови потоци показват, че големи промени в ориентацията могат да се случат за стотици години или дори по-бързо, но окончателните оценки зависят от точността на датировките и локалните условия.

Геомагнитни екскурзии срещу пълни обръщания

Геомагнитните екскурзии са временни отклонения на разположението и интензитета на полето, които не водят до окончателна смяна на полярността. Те могат да продължат стотици до хилядолетия и са по-чести от пълните обръщания. Пример за dramaчен, но краткотраен спад в полето е събитието Лашамп, споменато по-горе.

Възможни последствия за живота и технологиите

• При отслабване на магнитното поле планетата става по-малко защитена от космическата радиация и слънчевия вятър. Това може да доведе до по-високи нива на космическа радиация на повърхността и в горните слоеве на атмосферата, особено на големи географски ширини.
• Съвременните електронни системи, сателити и електропреносни мрежи биха били по-уязвими към геомагнитни бури поради промени в йоносферата и магнитосферата. Днес това е основният практически риск, а не масово измиране на организми.
• Навигацията с магнитни компаси би трябвало да се адаптира при значителна промяна, но глобалните навигационни системи (GPS и други) не зависят от магнитните полюси.
• Съществуват хипотези за връзки между екскурзии/обръщания и климатични или биологични събития, но досега няма убедителни доказателства, че обръщанията сами по себе си са предизвиквали масови измирания.

Дали сега сме на път към обръщане?

Магнитното поле на Земята е намаляло с около десетина процента през последните няколко столетия — явление, наблюдавано чрез геомагнитни измервания и сателитни мисии (напр. мисии за наблюдение на магнитното поле). Също така магнитният север се движи с по-голяма скорост в сравнение с предишни векове. Това обаче не означава задължително, че предстои пълно обръщане в краткосрочен план; геодинамо процесите са сложни и непълното отслабване може да бъде част от нормалната вариабилност на полето.

Как се следи и какво правят учените

Съвременните инструменти за следене включват наземни магнитни обсерватории, сателити и анализ на геологични архиви. Математически и физически модели на геодинамото се развиват, за да се разберат механизмите, времевите скали и потенциалните последствия. Развитието на сателитни програми и непрекъснатите наблюдения дават по-добра представа за текущите промени и позволяват по-добра защита на технологичната инфраструктура.

Ключови изводи

• Геомагнитните обръщания са естествена част от еволюцията на земното магнитно поле.
• Те се случват в различни времеви мащаби — от стотици до милиони години — и нямат проста периодичност.
• Последствията за биосферата са ограничени в историческата и палеонтологичната перспектива, докато технологичните системи и сателитите са по-уязвими.
• Наблюденията и моделите продължават да се усъвършенстват, което намалява несигурността относно бъдещите промени.

Записи от миналото

Миналото на геомагнитните обръщания е забелязано за първи път чрез наблюдение на обръщанията на магнитните ивици на океанското дъно. Това скоро довежда до развитието на теорията за тектониката на плочите. Сравнително постоянната скорост, с която се разпространява морското дъно, причинява "ивици" в базалта. От тези магнитни полета в миналото може да се направи извод за полярността. Данните се получават чрез влачене на магнитометър по морското дъно.

Нито едно съществуващо невзривено морско дъно не е на повече от 180 милиона години, така че за откриване на по-стари обръщания се използват други методи. Повечето седиментни скали съдържат малки количества минерали, богати на желязо. Тяхната ориентация отразява магнитното поле при образуването им. Скалите запазват този запис, освен ако не се променят от някакъв по-късен процес.

Superchrons

Суперхронът е интервал на полярност с продължителност най-малко 10 милиона години. Съществуват два утвърдени суперхрона - Кредният нормален и Киаманският.

Кредният нормален период (наричан още Креден суперхрон или C34) е продължил почти 40 милиона години. От Кредния нормален период до наши дни честотата като цяло нараства бавно.

Киаманският обратен суперхрон е продължил от края на карбона до края на перма. Това е повече от 50 милиона години - от преди 312 до 262 милиона години (mya). Магнитното поле е било с обратна полярност. Името "Киаман" произлиза от австралийското село Киама, където през 1925 г. са открити едни от първите геоложки доказателства за суперхрона.

Геомагнитна полярност от средата на юрския период насам

Въпроси и отговори

В: Какво представлява геомагнитното обръщане?

В: Колко често се случват тези обръщания?

В: Колко време е необходимо, за да се случи едно обръщане?

Въпрос: Какъв е примерът за кратък пълен обрат?

В: Колко слабо е било магнитното поле на Земята по време на тази промяна?

В: Какво представляват хроните?

В: Какво представляват геомагнитните екскурзии?

Търсене по буква