Геомагнитная инверсия — это изменение магнитного поля планеты , при котором положения магнитного севера и магнитного юга меняются местами (не путать с географическим севером и географическим югом ). Поле Земли чередовалось между периодами нормальной полярности, когда преобладающее направление поля было таким же, как нынешнее, и обратной полярностью, когда оно было противоположным. Эти периоды называются хронами .
События разворота статистически случайны. За последние 83 миллиона лет произошло как минимум 183 разворота (в среднем раз в ~450 000 лет). Последний раз, разворот Брюнеса-Матуямы , произошел 780 000 лет назад [1], оценки того, как быстро это произошло, сильно различаются. По оценкам других источников, время, необходимое для завершения разворота, составляет в среднем около 7000 лет для четырех последних разворотов. [2] Клемент (2004) предполагает, что эта продолжительность зависит от широты: более короткая в низких широтах и более продолжительная в средних и высоких широтах. [2] Хотя и варьируется, продолжительность полного разворота обычно составляет от 2000 до 12 000 лет. [3]
Хотя были периоды, когда поле менялось глобально (например, экскурс Лашампа ) в течение нескольких сотен лет, [4] эти события классифицируются как отклонения, а не полные геомагнитные инверсии. Хроны стабильной полярности часто демонстрируют большие и быстрые отклонения направления, которые происходят чаще, чем развороты, и могут рассматриваться как неудачные развороты. Во время такого отклонения поле меняется на противоположное в жидком внешнем ядре , но не в твердом внутреннем ядре . Диффузия в жидком внешнем ядре происходит за 500 лет или меньше, а в твердом внутреннем ядре — дольше, около 3000 лет. [5]
В начале 20 века такие геологи, как Бернар Брюнес , впервые заметили, что некоторые вулканические породы намагничены в противоположном направлении от местного поля Земли. Первые систематические доказательства и временные оценки инверсий магнитного поля были сделаны Мотонори Матуямой в конце 1920-х годов; он заметил, что все породы с перевернутыми полями были раннего плейстоцена или старше. В то время полярность Земли была плохо изучена, и возможность ее изменения не вызывала особого интереса. [6] [7]
Три десятилетия спустя, когда магнитное поле Земли стало лучше изучено, были выдвинуты теории, предполагающие, что поле Земли могло измениться на противоположное в далеком прошлом. Большинство палеомагнитных исследований в конце 1950-х годов включало изучение блуждания полюсов и дрейфа континентов . Хотя было обнаружено, что некоторые породы меняют свое магнитное поле во время охлаждения, стало очевидно, что большинство намагниченных вулканических пород сохранили следы магнитного поля Земли в то время, когда камни остыли. Из-за отсутствия надежных методов определения абсолютного возраста горных пород считалось, что развороты происходят примерно каждые миллион лет. [6] [7]
Следующий крупный прогресс в понимании инверсий произошел, когда в 1950-х годах были усовершенствованы методы радиометрического датирования . Аллан Кокс и Ричард Доэлл из Геологической службы США хотели знать, происходят ли развороты через регулярные промежутки времени, и пригласили геохронолога Брента Дэлримпла присоединиться к их группе. В 1959 году они создали первую шкалу времени магнитной полярности. По мере накопления данных они продолжали совершенствовать эту шкалу, конкурируя с Доном Тарлингом и Яном Макдугаллом из Австралийского национального университета . Группа под руководством Нила Опдайка из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти показала, что такая же картина инверсий была зафиксирована в отложениях из глубоководных кернов. [7]
В 1950-х и 1960-х годах информация об изменениях магнитного поля Земли собиралась в основном с помощью исследовательских судов, но сложные маршруты океанских круизов затрудняли сопоставление навигационных данных с показаниями магнитометра . Только когда данные были нанесены на карту, стало очевидно, что на дне океана появились удивительно регулярные и непрерывные магнитные полосы. [6] [7]
В 1963 году Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз дали простое объяснение, объединив теорию распространения морского дна Гарри Гесса с известной временной шкалой разворотов: новое морское дно намагничено в направлении действующего на тот момент поля. Таким образом, распространение морского дна от центрального хребта приведет к появлению пар магнитных полос, параллельных хребту. [8] Канадец Л. У. Морли независимо предложил подобное объяснение в январе 1963 года, но его работа была отвергнута научными журналами Nature и Journal of Geophysical Research и оставалась неопубликованной до 1967 года, когда она появилась в литературном журнале Saturday Review . [6] Гипотеза Морли -Вайна-Мэттьюза была первой ключевой научной проверкой теории дрейфа континентов, распространяющейся на морском дне. [7]
Начиная с 1966 года ученые Геологической обсерватории Ламонта-Доэрти обнаружили, что магнитные профили на Тихоокеанско-Антарктическом хребте симметричны и соответствуют структуре хребта Рейкьянес в Северной Атлантике . Одни и те же магнитные аномалии были обнаружены в большинстве океанов мира, что позволило оценить, когда образовалась большая часть океанической коры. [6] [7]
Прошлые инверсии поля фиксируются в «застывших» ферромагнитных (точнее ферримагнитных ) минералах консолидированных осадочных отложений или остывших вулканических потоках на суше.
Прошлый рекорд геомагнитных инверсий был впервые замечен при наблюдении «аномалий» магнитных полос на дне океана . Лоуренс В. Морли , Фредерик Джон Вайн и Драммонд Хойл Мэтьюз установили связь с распространением морского дна в гипотезе Морли-Вайна-Мэттьюза [8] [9] , которая вскоре привела к развитию теории тектоники плит . Относительно постоянная скорость распространения морского дна приводит к образованию «полос» подложки, по которым можно сделать вывод о прошлой полярности магнитного поля с помощью магнитометра, буксируемого по морскому дну.
Поскольку ни одно существующее непогруженное морское дно (или морское дно, надвинутое на континентальные плиты ) не имеет возраста более 180 миллионов лет ( Ма ), необходимы другие методы для обнаружения более старых разворотов. Большинство осадочных пород содержат небольшое количество минералов , богатых железом , на ориентацию которых влияет окружающее магнитное поле в то время, когда они образовались. Эти камни могут сохранить запись о поле, если впоследствии она не будет стерта химическими, физическими или биологическими изменениями .
Поскольку магнитное поле Земли является глобальным явлением, схожие закономерности магнитных изменений в разных местах могут использоваться для расчета возраста в разных местах. Палеомагнитные данные о возрасте морского дна (до ~ 250 млн лет назад) за последние четыре десятилетия оказались полезными для оценки возраста геологических разрезов в других местах. Хотя это не независимый метод датирования, для определения числового возраста он зависит от методов датирования «абсолютного» возраста, таких как радиоизотопные системы. Это стало особенно полезным для метаморфических и магматических геологов, где ключевые ископаемые редко доступны.
Путем анализа магнитных аномалий морского дна и датирования последовательностей инверсий на суше палеомагнетисты разработали временную шкалу геомагнитной полярности (GPTS). Текущая временная шкала содержит 184 интервала полярности за последние 83 миллиона лет (и, следовательно, 183 разворота). [10] [11]
Скорость изменения магнитного поля Земли с течением времени сильно менялась. 72 миллиона лет назад (млн лет назад) поле менялось 5 раз за миллион лет. За 4-миллионный период с центром в 54 млн лет назад произошло 10 разворотов; около 42 млн лет назад произошло 17 разворотов за 3 миллиона лет. За период в 3 миллиона лет с центром в 24 млн лет назад произошло 13 разворотов. За 12 миллионов лет произошел не менее 51 разворота, начиная с 15 миллионов лет назад . Два разворота произошли в течение 50 000 лет. Эти эпохи частых разворотов уравновешивались несколькими «суперхронами» – длительными периодами, когда разворотов не происходило. [12]
Суперхрон — это интервал полярности продолжительностью не менее 10 миллионов лет. Есть два хорошо известных суперхрона: меловой нормальный и Киаман. Третий кандидат, Мойеро, вызывает больше споров. Когда-то считалось, что юрская зона покоя в магнитных аномалиях океана представляет собой суперхрон, но теперь ее объясняют другими причинами.
Меловой нормальный период (также называемый меловым суперхроном или C34) длился почти 40 миллионов лет, примерно от 120 до 83 миллионов лет назад , включая этапы мелового периода от апта до сантона . Частота инверсий магнитного поля неуклонно снижалась до начала периода, достигнув своей нижней точки (отсутствие инверсий) в течение этого периода. Между меловым периодом и настоящим время частота обычно увеличивалась медленно. [13]
Обратный суперхрон Киамана длился примерно с позднего каменноугольного периода до поздней перми , или более 50 миллионов лет, примерно с 312 до 262 миллионов лет назад . [13] Магнитное поле имело обратную полярность. Название «Киаман» происходит от австралийского города Киама , где в 1925 году были обнаружены одни из первых геологических свидетельств суперхрона. [14]
Предполагается, что в ордовике существовал еще один суперхрон, названный Обратным суперхроном Мойеро , продолжавшийся более 20 миллионов лет (от 485 до 463 миллионов лет назад). Пока этот возможный суперхрон обнаружен только на участке реки Мойеро к северу от полярного круга в Сибири. [15] Более того, лучшие данные из других стран мира не подтверждают существование этого суперхрона. [16]
Определенные области дна океана возрастом более 160 млн лет назад имеют магнитные аномалии малой амплитуды, которые трудно интерпретировать. Они обитают у восточного побережья Северной Америки, северо-западного побережья Африки и западной части Тихого океана. Когда-то считалось, что они представляют собой суперхрон, называемый Юрской зоной покоя , но в этот период на суше обнаруживаются магнитные аномалии. Известно, что геомагнитное поле имеет низкую интенсивность между примерно 130 и 170 млн лет назад , и эти участки дна океана особенно глубоки, что приводит к ослаблению геомагнитного сигнала между морским дном и поверхностью. [16]
В нескольких исследованиях были проанализированы статистические свойства разворотов в надежде узнать что-то об их основном механизме. Дискриминационная способность статистических тестов ограничена небольшим количеством интервалов полярности. Тем не менее, некоторые общие черты хорошо известны. В частности, характер разворотов является случайным. Корреляции между длинами интервалов полярности нет. [17] Нет предпочтения ни нормальной, ни обратной полярности, а также нет статистической разницы между распределениями этих полярностей. Отсутствие предвзятости также является надежным предсказанием теории динамо . [13]
Частоты разворотов не существует , поскольку они статистически случайны. Случайность разворотов несовместима с периодичностью, но некоторые авторы утверждали, что обнаружили периодичность. [18] Однако эти результаты, вероятно, являются артефактами анализа с использованием скользящих окон для определения скорости разворота. [19]
Большинство статистических моделей разворотов анализируют их с точки зрения процесса Пуассона или других видов процесса обновления . Пуассоновский процесс в среднем имеет постоянную скорость разворота, поэтому обычно используют нестационарный пуассоновский процесс. Однако по сравнению с процессом Пуассона вероятность разворота в течение десятков тысяч лет после разворота снижается. Это может быть связано с торможением основного механизма или просто означать, что были пропущены некоторые более короткие интервалы полярности. [13] Случайный разворотный паттерн с торможением может быть представлен гамма-процессом . В 2006 году группа физиков из Университета Калабрии обнаружила, что инверсии также соответствуют распределению Леви , которое описывает случайные процессы с долгосрочными корреляциями между событиями во времени. [20] [21] Данные также согласуются с детерминированным, но хаотичным процессом. [22]
По большинству оценок продолжительность смены полярности составляет от 1000 до 10 000 лет, [13] , но по некоторым оценкам она длится так же быстро, как человеческая жизнь. [23] Исследования потоков лавы возрастом 16,7 миллионов лет на горе Стинс в штате Орегон показывают, что магнитное поле Земли способно смещаться со скоростью до 6 градусов в день. [24] Первоначально это было встречено со скептицизмом со стороны палеомагнетиков. Даже если изменения происходят так быстро в ядре, считается, что мантия, которая представляет собой полупроводник , устраняет изменения с периодами менее нескольких месяцев. Было предложено множество возможных магнитных механизмов горных пород, которые могли бы привести к ложному сигналу. [25] Однако палеомагнитные исследования других разрезов из того же региона (базальтов плато Орегон) дают последовательные результаты. [26] [27] Похоже, что переход от обратной к нормальной полярности, который знаменует конец Chron C5Cr ( 16,7 миллионов лет назад ), содержит серию инверсий и отклонений. [28] Кроме того, геологи Скотт Бог из Оксидентал-колледжа и Джонатан Глен из Геологической службы США, отбирая образцы потоков лавы в Батл-Маунтин, штат Невада , обнаружили свидетельства короткого интервала длиной в несколько лет во время разворота, когда направление поля изменилось. более чем на 50 градусов. Разворот был датирован примерно 15 миллионами лет назад. [29] [30] В августе 2018 года исследователи сообщили о развороте, продолжавшемся всего 200 лет. [31] Но в статье 2019 года было подсчитано, что самый последний разворот, произошедший 780 000 лет назад, длился 22 000 лет. [32] [33]
Магнитное поле не исчезнет полностью, но во время разворота в разных местах может хаотично образоваться множество полюсов, пока оно снова не стабилизируется. [34] [35]
Магнитное поле Земли и других планет, имеющих магнитные поля, создается действием динамо-машины , при котором конвекция расплавленного железа в ядре планеты генерирует электрические токи, которые, в свою очередь, порождают магнитные поля. [13] При моделировании планетарных динамо развороты часто возникают спонтанно из основной динамики. Например, Гэри Глатцмайер и его сотрудник Пол Робертс из Калифорнийского университета в Лос -Анджелесе разработали численную модель связи между электромагнетизмом и динамикой жидкости в недрах Земли. Их моделирование воспроизвело ключевые характеристики магнитного поля за более чем 40 000 лет смоделированного времени, а поле, созданное компьютером, изменилось на противоположное. [36] [37] Глобальные инверсии поля через нерегулярные промежутки времени также наблюдались в лабораторном жидкометаллическом эксперименте «ВКС2». [38]
В некоторых симуляциях это приводит к нестабильности, при которой магнитное поле самопроизвольно переключается на противоположную ориентацию. Этот сценарий подтверждается наблюдениями за магнитным полем Солнца , которое претерпевает спонтанные изменения каждые 9–12 лет. Однако на Солнце наблюдается, что интенсивность солнечного магнитного поля значительно увеличивается во время инверсии, тогда как на Земле инверсии, по-видимому, происходят в периоды низкой напряженности поля. [39]
Некоторые ученые, такие как Ричард А. Мюллер , считают, что геомагнитные инверсии не являются спонтанными процессами, а скорее вызваны внешними событиями, которые непосредственно нарушают поток в ядре Земли. Предложения включают ударные события [40] [41] или внутренние события, такие как прибытие континентальных плит, унесенных в мантию под действием тектоники плит в зонах субдукции или возникновение новых мантийных плюмов от границы ядро-мантия . [42] Сторонники этой гипотезы считают, что любое из этих событий может привести к крупномасштабному разрушению динамо-машины, фактически отключив геомагнитное поле. Поскольку магнитное поле стабильно либо в нынешней ориентации север-юг, либо в обратной ориентации, они предполагают, что, когда поле восстанавливается после такого нарушения, оно самопроизвольно выбирает одно или другое состояние, так что половина восстановлений становится инверсией. Однако предложенный механизм, похоже, не работает в количественной модели, а стратиграфические доказательства корреляции между разворотами и ударными событиями слабы. Нет никаких доказательств разворота, связанного с ударным событием, вызвавшим мел-палеогеновое вымирание . [43]
Вскоре после того, как были созданы первые временные шкалы геомагнитной полярности, ученые начали исследовать возможность того, что инверсия может быть связана с вымиранием . Большинство таких предложений основано на предположении, что магнитное поле Земли будет намного слабее во время разворотов. Вероятно, первой такой гипотезой было то, что частицы высокой энергии, попавшие в радиационный пояс Ван Аллена, могли высвободиться и бомбардировать Землю. [44] [45] Детальные расчеты подтверждают, что если бы дипольное поле Земли исчезло полностью (оставив квадрупольную и высшую компоненты), большая часть атмосферы стала бы доступна для частиц высоких энергий, но выступала бы в качестве барьера для них, а космические Столкновения лучей могли бы вызвать вторичное излучение бериллия-10 или хлора-36 . Немецкое исследование ледяных кернов Гренландии в 2012 году показало пик содержания бериллия-10 во время краткого полного разворота 41 000 лет назад, что привело к падению напряженности магнитного поля примерно до 5% от нормального во время разворота. [46] Есть свидетельства того, что это происходит как во время вековых вариаций [47] [48] , так и во время разворотов. [49] [50]
Другая гипотеза МакКормака и Эванса предполагает, что поле Земли полностью исчезает во время инверсий. [51] Они утверждают, что атмосфера Марса могла быть разрушена солнечным ветром, потому что у нее не было магнитного поля, которое могло бы защитить ее. Они предсказывают, что ионы будут вырваны из атмосферы Земли на высоте более 100 км. Однако измерения палеонапряженности показывают, что магнитное поле не исчезло во время инверсий. Основываясь на данных о палеонапряженности за последние 800 000 лет, [52] по оценкам, магнитопауза все еще находилась на расстоянии примерно трех земных радиусов во время инверсии Брюнеса-Матуямы . [44] Даже если внутреннее магнитное поле действительно исчезнет, солнечный ветер может индуцировать магнитное поле в ионосфере Земли, достаточное для защиты поверхности от энергичных частиц. [53]
Гипотезы также выдвинулись в сторону связи обратного развития событий с массовыми вымираниями . [54] Многие подобные аргументы основывались на очевидной периодичности скорости разворотов, но более тщательный анализ показывает, что запись разворотов не является периодической. [19] Однако вполне возможно, что концы суперхронов вызвали мощную конвекцию, ведущую к широко распространенному вулканизму, и что последующий перенос пепла по воздуху вызвал вымирания. [55]
Проверка корреляции между вымиранием и разворотом затруднена по ряду причин. Более крупные животные слишком редки в летописи окаменелостей для получения хорошей статистики, поэтому палеонтологи проанализировали вымирание микрокаменелостей. Даже данные о микрокаменелостях могут быть ненадежными, если в летописи окаменелостей есть перерывы. Может показаться, что затухание происходит в конце интервала полярности, тогда как остальная часть этого интервала полярности просто исчезла. [25] Статистический анализ не показывает никаких доказательств корреляции между разворотом и вымиранием. [56] [44]