Geomágneses fordulások: a Föld mágneses pólusainak megfordulása
Geomágneses fordulások: hogyan és miért fordulnak meg a Föld mágneses pólusai, mik a következmények, időskála és legújabb kutatási eredmények.
A geomágneses fordulat olyan esemény, amikor a Föld mágneses mezeje alapvetően megváltozik, és a bolygó két pólusa — a mágneses észak és a mágneses dél — helyzete felcserélődik. A fordulatok nem ritkák geológiai léptékkel mérve: az elmúlt 83 millió év alatt körülbelül 183 alkalommal következtek be, tehát átlagosan több alkalommal is előfordulhatnak egymillió évenként.
Hogyan jön létre a megfordulás?
A Föld mágneses terét a belső szerkezetében zajló folyamatok hozzák létre: a folyékony külső magban keringő olvadt vas–nikkel anyag mozgása (a geodinamó) elektromos áramokat kelt, amelyek mágneses mezőt hoznak létre. A mező erőssége és iránya a konvekciós áramlások, rotációs hatások és a belső mag viselkedésének kölcsönhatása miatt változhat. A fordulás előtti időszakra jellemző, hogy a mágneses tér gyengül és komplexebb, instabilabb formákat vesz fel, mielőtt egy új, fordított polaritású mező kialakulna.
Hogyan tudjuk, hogy a múltban megfordult a mágnes?
A múltbeli mezőirányokat a földtani anyagok őrzik meg. Amikor a láva a felszínre tör és a tengerfenéken eláramló hasadékoknál megjelenik, a láva tengerfenéken lassan kimozdul és kihűl. A lehűlés során a benne lévő vasoxid-molekulái rögzítik a környezetükben uralkodó mágneses mező irányát. Így a tengerfenéken kialakuló "mágneses csíkok" és a szárazföldi kőzetekben található irányított mágneses jelzések lehetővé teszik a korábbi fordulatok rekonstruálását. E módszereket nevezzük magnetosztratigráfiának; emellett üledékmagok, paleomágneses mérések és radiometrikus kormeghatározás segítik az események pontos időzítését.
Gyakoriság és időtartam
A fordulások előfordulása változékony: lehetnek nagyon rövidek (kb. 0,1 millió év alatti periódusok), de hosszabb, több tízmillió éves szünetek is előfordulnak. Az ilyen hosszabb periódusokat krónoknak nevezzük. A krónok hossza és a fordulatok közti időközök nem követnek egyszerű mintát — úgy tűnik, hogy a változások nagyrészt véletlenszerűen történnek.
- Átlagok: A krónok gyakran 0,1 és 1 millió év közé esnek, átlagosan körülbelül 450 000 évig tartanak.
- Átmenet időtartama: A legtöbb fordulat maga néhány ezer és tízezer év között zajlik le; egyes esetekben azonban ennél gyorsabban, akár néhány száz év alatt is lezajlottak átmenetek.
- Geomágneses kitérések: Rövid, lokális vagy átmeneti zavarokat, amelyek nem vezetnek teljes polaritásváltáshoz, geomágneses kitéréseknek nevezzük.
Példák: Brunhes–Matuyama és Laschamp
A legutóbbi teljes fordulat a Brunhes–Matuyama átmenet volt, amely körülbelül 780 000 évvel ezelőtt következett be. Egy ismert rövid esemény a Laschamp-exkurzió, amely mintegy 41 000 évvel ezelőtt, az utolsó jégkorszak idején zajlott le. A Laschamp során egy rövid, részleges fordulat történt: maga az esemény körülbelül 440 évig tartott, a tényleges polaritásváltás pedig nagyjából 250 évig volt látható. Ezzel egyidejűleg a mágneses mező erőssége jelentősen lecsökkent — egyes mérések szerint a jelenlegi érték körülbelül 5%-ára gyengült.
Lehetséges hatások és kockázatok
A mágneses tér gyengülése alatt nő a Földet érő kozmikus sugárzás és a töltött részecskék bejutása a légkörbe, ami például:
- megnövelheti a felszín közelében mérhető radioktív izotópok (pl. 14C, 10Be) mennyiségét;
- növelheti a magasabb légköri ionizációt, amely potenciálisan befolyásolhatja az ózonréteget — ennek mért hatása az életre azonban a paleontológiai rekord alapján nem tűnik katasztrofálisnak;
- modern technológiára (űreszközök, műholdak, távvezetékek, repülőgépes navigáció) nézve növelheti az üzemzavarok és sugárzási hatások kockázatát, ha a mező hirtelen gyengül vagy instabillá válik.
Fontos hangsúlyozni: a múltban bekövetkezett fordulatok nem vezettek tömeges kihaláshoz vagy összeomláshoz. Ugyanakkor az emberi társadalom mai technológiai függősége miatt egy gyors és erős mezőgyengülés komoly kihívásokat jelentene.
Követés és előrejelzés
A mágneses tér változásait ma műholdakkal, földi megfigyelőhálózatokkal és geofizikai módszerekkel folyamatosan figyeljük. A mágneses sarkok vándorlása — különösen az északi mágneses pólus gyors elmozdulása az utóbbi évtizedekben — aktív kutatás tárgya, de egy fordulat pontos előrejelzése jelenleg nem lehetséges. A modellek és paleomágneses adatok segítségével a tudósok megértik a lehetséges forgatókönyveket és azok valószínűségét, de a geodinamika komplexitása miatt a fordulatok időzítése továbbra is bizonytalan.
Összefoglalva: a geomágneses fordulások természetes, geológiai skálájú események, amelyek során a Föld mágneses mezeje gyengülhet és megfordulhat. Bár a jelenségnek lehetnek hatásai az élővilágra és a mai technológiára, a múlt adatai szerint nem jártak bolygószintű katasztrófával. A tudomány folyamatos megfigyeléssel és modellezéssel dolgozik annak érdekében, hogy jobban megértsük ezeket a folyamatokat és készülhessünk az esetleges jövőbeli változásokra.
Geomágneses polaritás az elmúlt 5 millió évben (pliocén és negyedidőszak, késő kainozoikum). Sötét területek = olyan időszakok, amikor a polaritás megegyezik a jelennel Világos területek = olyan időszakok, amikor a polaritás megfordult.
A múlt feljegyzései
A geomágneses megfordulások múltbeli feljegyzéseit először az óceánfenéken megfigyelt mágneses csíkok megfordulásának megfigyelésével vették észre. Ez hamarosan a lemeztektonika elméletének kidolgozásához vezetett. A tengerfenék viszonylag állandó terjedési sebessége "csíkokat" okoz a bazaltban. Ezekből a múltbeli mágneses mezők polaritására lehet következtetni. Az adatokat úgy kapjuk meg, hogy egy magnetométert vontatunk a tengerfenék mentén.
Nincs olyan meglévő, nem szubdukált tengerfenék, amely 180 millió évnél idősebb lenne, ezért más módszereket alkalmaznak a régebbi visszafordulások kimutatására. A legtöbb üledékes kőzet apró mennyiségű vasban gazdag ásványi anyagot tartalmaz. Ezek irányultsága tükrözi a keletkezésükkori mágneses mezőt. A kőzetek megőrzik ezt a feljegyzést, hacsak valamilyen későbbi folyamat nem változtatja meg őket.
Superchrons
A szuperkron egy legalább 10 millió évig tartó polaritási intervallum. Két jól ismert szuperchron létezik, a kréta normál és a Kiaman.
A kréta normál (más néven kréta szuperkron vagy C34) közel 40 millió évig tartott. A kréta normális és a jelen között a gyakoriság általában lassan növekedett.
A Kiaman fordított szuperkron a késő karbon kortól a késő permig tartott. Ez több mint 50 millió évet jelent, 312 és 262 millió évvel ezelőtt (mya) között. A mágneses mező megfordult polaritással rendelkezett. A "Kiaman" név az ausztráliai Kiama faluról származik, ahol 1925-ben megtalálták a szuperkrón első geológiai bizonyítékait.
Geomágneses polaritás a középső jura óta
Okok
A Föld és más bolygók mágneses mezejét a bolygó magjában lévő olvadt vas dinamikus működése okozza. Ez a konvekció (mozgás) elektromos áramokat generál, amelyek viszont mágneses tereket hoznak létre. A bolygódinamók szimulációiban a mögöttes dinamikából eredő megfordulások fordulnak elő. Gary Glatzmaier és munkatársa, Paul Roberts (UCLA) például lefuttatott egy numerikus modellt a Föld belsejében az elektromágnesesség és a fluiddinamika közötti kapcsolatról. Szimulációjuk több mint 40 000 évnyi szimulált idő alatt reprodukálta a mágneses mező kulcsfontosságú jellemzőit, és a számítógép által generált mező megfordult. A VKS2 laboratóriumi folyékonyfém-kísérletben is megfigyeltek szabálytalan időközönként bekövetkező globális mezőfordulatokat.
Az életre gyakorolt hatások
Amennyire tudjuk, nincs hatása az életre. Vizsgálatokat végeztek annak megállapítására, hogy a visszafordulások bármilyen módon összefüggnek-e a kihalási eseményekkel. A statisztikai elemzések nem mutatnak bizonyítékot a visszafordulások és a kihalások közötti összefüggésre.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a geomágneses fordulat?
V: A geomágneses fordulat a bolygó mágneses mezejének olyan változása, amely során a mágneses észak és a mágneses dél helyzete felcserélődik.
K: Milyen gyakran fordulnak elő ezek a megfordulások?
V: A megfordulások millió évenként körülbelül két-három alkalommal fordulnak elő, az időközök 0,1 millió évnél kevesebbtől akár 50 millió évig is terjedhetnek.
K: Mennyi időbe telik, amíg a megfordulás bekövetkezik?
V: A legtöbb visszafordulás 1000 és 10 000 év között van. A legutóbbi, a Brunhes-Matuyama fordulat 780 000 évvel ezelőtt következett be, és nagyon gyorsan, akár egy emberöltő alatt is bekövetkezhetett.
K: Mi a példa egy rövid, teljes visszafordulásra?
V: A Laschamp esemény néven ismert rövid, teljes fordulat mindössze 41 000 évvel ezelőtt, az utolsó jégkorszak idején következett be. Ez a fordulat mindössze 440 évig tartott, a tényleges polaritásváltás pedig körülbelül 250 évig tartott.
K: Mennyire volt gyenge a Föld mágneses mezeje e változás során?
V: A változás során a mágneses mező erőssége a jelenlegi erősségének 5%-ára gyengült.
K: Mik azok a krónok?
V: A kronok 0,1 és 1 millió év közötti időszakok, amelyek között átlagosan 450 000 éves időközök vannak, amikor a megfordulások véletlenszerűen, mindenféle minta vagy rendszeresség nélkül következnek be.
K: Mik azok a geomágneses kitérések?
V: A geomágneses kitörések olyan rövid ideig tartó zavarok, amelyek nem eredményeznek teljes megfordulást, de mégis változásokat okoznak a Föld mágnesességében.
Keres