Unainversió geomagnètica és un canvi en elcamp magnètic d'unplaneta de manera que les posicions delnord magnètic i del sud magnètic s'intercanvien (no confondre amb elnord geogràfic i el sud geogràfic).
Elcamp magnètic terrestre ha alternat períodes depolaritat normal (en què la direcció predominant del camp era la mateixa que la direcció actual), ipolaritat inversa (en què era el contrari). Aquests períodes s'anomenencron.
Les ocurrències d'inversions són estadísticamentaleatòries. Hi ha hagut almenys 183 inversions durant els darrers 83milions d'anys (de mitjana un cop cada ~450.000 anys). L'última, lainversió de Brunhes-Matuyama, es va produir fa 780.000 anys,[1] amb estimacions molt diferents de la rapidesa amb què va passar. Altres fonts estimen que el temps que triga a completar-se una inversió és, de mitjana, d'uns 7.000 anys per a les quatre inversions més recents.[2] Clement (2004) suggereix que aquesta durada depèn de lalatitud, amb durades més curtes a latituds baixes i durades més llargues a latituds mitjanes i altes.[2] Tot i que variable, la durada d'una inversió total sol ser d'entre 2.000 i 12.000 anys.[3]
Encara que hi ha hagut períodes en què el camp s'ha invertit globalment (com l'excursió de Laschamp) durant diversos centenars d'anys,[4] aquests esdeveniments es classifiquen com a«excursions» més que com a«inversions geomagnètiques» completes. Els crons de polaritat estable sovint mostren excursions direccionals grans i ràpides, que es produeixen més sovint que les inversions, i es podrien veure com a inversions fallides. Durant aquestes excursions, el camp s'inverteix alnucli extern líquid, però no alnucli intern sòlid. La difusió al nucli extern líquid és en escales de temps de 500 anys o menys, mentre que la del nucli intern sòlid és més llarga, al voltant de 3.000 anys.[5]
A principis del segle xx, geòlegs comBernard Brunhes es van adonar per primera vegada que algunesroques volcàniques estavenmagnetitzades en sentit contrari a la direcció del camp local de la Terra. La primera evidència sistemàtica i estimació a escala de temps de les inversions magnètiques va ser feta perMotonori Matuyama a finals de ladècada del 1920; va observar que les roques amb camps invertits eren totes delPlistocè inferior o més antigues. Aleshores, lapolaritat de laTerra es coneixia malament i la possibilitat d'una inversió va despertar poc interès.[6][7]
Tres dècades més tard, quan es va entendre millor elcamp magnètic de la Terra, es van avançar teories que suggerien que el camp de la Terra podria haver-se invertit en un passat remot. La majoria de les investigacionspaleomagnètiques a finals de ladècada del 1950 incloïen un examen del moviment dels pols i laderiva continental. Tot i que es va descobrir que algunes roques invertirien el seu camp magnètic mentre es refredaven, es va fer evident que la majoria de les roques volcàniques magnetitzades conservaven rastres del camp magnètic de la Terra en el moment en què les roques s'havien refredat. En absència de mètodes fiables per obtenir edats absolutes de les roques, es pensava que les inversió es produïen aproximadament cada milió d'anys.[6][7]
El següent gran avenç en la comprensió de les inversions va arribar quan es van millorar les tècniques dedatació radiomètrica a ladècada del 1950.Allan V. Cox iRichard Doell, delServei Geològic dels Estats Units (USG), volien saber si es produïen canvis a intervals regulars i van convidar elgeocronòlegBrent Dalrymple a unir-se al seu grup. Van produir la primeraescala de temps de polaritat magnètica l'any 1959. A mesura que van acumular dades, van continuar perfeccionant aquesta escala en competència amb Don Tarling i Ian McDougall a la Universitat Nacional d'Austràlia. Un grup liderat per Neil Opdyke a l'Observatori de la Terra de Lamont–Doherty va demostrar que el mateix patró d'inversions es va registrar ensediments de nuclis d'aigües profundes.[7]
Durant les dècades del 1950 i 1960, la informació sobre les variacions del camp magnètic de la Terra es va recopilar en gran part per mitjà de vaixells d'investigació, però les complexes rutes delscreuers oceànics van dificultar l'associació de dades de navegació amb les lectures delmagnetòmetre. Només quan les dades es van representar en un mapa es va fer evident que les bandes magnètiques notablement regulars i contínues van aparèixer als fons oceànics.[6][7]
L'any 1963,Frederick Vine iDrummond Matthews van donar una explicació senzilla combinant lateoria de l'extensió del fons marí deHarry Hess amb l'escala de temps coneguda d'inversions; el noufons marí es magnetitza en la direcció del camp magnètic actual. Així, el fons marí que s'estén des d'unadorsal central produirà parells de bandes magnètiques paral·leles a la dorsal.[8] El canadencL. W. Morley va proposar de manera independent una explicació similar el gener de 1963, però el seu treball va ser rebutjat per les revistes científiquesNature iJournal of Geophysical Research, i va romandre inèdit fins al 1967, quan va aparèixer a la revista literàriaSaturday Review.[6] Lahipòtesi Vine-Matthews-Morley va ser la primera prova científica clau de la teoria de la propagació del fons marí de la deriva continental.[7]
A partir de 1966, els científics de l'Observatori Geològic Lamont-Doherty van trobar que els perfils magnètics a través de ladorsal Pacífic-Antàrtica eren simètrics i coincidien amb el patró de ladorsal de Reykjanes de l'Atlàntic nord. Les mateixes anomalies magnètiques es van trobar a la majoria delsoceans del món, la qual cosa va permetre estimar quan s'havia desenvolupat la major part de l'escorça oceànica.[6][7]
Les inversions de camp passats es registren en elsmineralsferromagnètics (més exactamentferrimagnètics)«congelats» dels dipòsitssedimentaris consolidats o delsfluxos volcànics refredats a la terra.
El registre passat d'inversions geomagnètiques es va notar per primera vegada observant les«anomalies» de la banda magnètica al fons de l'oceà. Lawrence W. Morley, Frederick John Vine i Drummond Hoyle Matthews van fer la connexió amb l'extensió del fons marí en la hipòtesi Morley-Vine-Matthews[8][9] que aviat va portar al desenvolupament de la teoria de la tectònica de plaques. La velocitat relativament constant a la qual s'estén el fons marí dona lloc a«bandes» de substrat a partir de les quals es pot inferir la polaritat del camp magnètic passat a partir d'unmagnetòmetre remolcat pel fons del mar.
Com que cap fons marí nosubduït existent (o fons marí introduït a lesplaques continentals) té més d'uns 180 milions d'anys d'antiguitat, calen altres mètodes per detectar inversions més antigues. La majoria de lesroques sedimentàries incorporen petites quantitats de minerals rics en ferro, l'orientació dels quals està influenciada pel camp magnètic ambiental en el moment en què es van formar. Aquestes roques poden conservar un registre del camp si no s'esborra després percanvis químics, físics o biològics.
Com que el camp magnètic terrestre és un fenomen global, es poden utilitzar patrons similars de variacions magnètiques en diferents llocs per ajudar a calcular l'edat en diferents llocs. Les últimes quatre dècades de dadespaleomagnètiques sobre les edats del fons marí (fins a ~ 250 Ma) han estat útils per estimar l'edat de les seccions geològiques en altres llocs. Tot i que no és un mètode de datació independent, depèn de mètodes de datació per edat«absoluta» com elssistemes radioisotòpics per obtenir edats numèriques. S'ha tornat especialment útil per alsgeòlegsmetamòrfics iígnis on elsfòssils índexs rarament estan disponibles.
Mitjançant l'anàlisi d'anomalies magnètiques del fons marí i la datació de seqüències d'inversió a terra, elspaleomagnetistes han estat desenvolupant unaescala de temps de polaritat geomagnètica (Geomagnetic Polarity Time Scale , GPTS). L'escala de temps actual conté 184 intervals de polaritat en els últims 83 milions d'anys (i, per tant, 183 inversions).[10][11]
La taxa d'inversions del camp magnètic terrestre ha variat molt al llarg del temps. Fa 72 milions d'anys (Ma), el camp es va invertir 5 vegades en un milió d'anys. En un període de 4 milions d'anys centrat en 54 Ma, es van produir 10 inversións; cap als 42 Ma, es van produir 17 inversions en el període de 3 milions d'anys. En un període de 3 milions d'anys centrat en el 24 Ma, es van produir 13 inversions. No menys de 51 inversions es van produir en un període de 12 milions d'anys, centrats en 15 Ma. Es van produir dues inversions durant un període de 50.000 anys. Aquestes èpoques d'inversions freqüents s'han contrapesat per uns quants supercrons (períodes llargs en què no es va produir cap inversió).[12]
Unsupercron és un interval de polaritat que dura almenys 10 milions d'anys. Hi ha dos supercrons ben establerts: el del Cretaci Normal i el del Kiamà. Un tercer candidat, el Moyero, és més polèmic. Abans es pensava que la zona tranquil·la del Juràssic en anomalies magnètiques oceàniques representava un supercron, però ara s'atribueix a altres causes.
ElSupercron del Cretaci Normal (també anomenatSupercron del Cretaci oC34) va durar gairebé 40 milions d'anys, des d'uns 120-183 Ma, incloent etapes del períodeCretaci des de l'Aptià fins alSantonià. La freqüència d'inversions magnètiques va disminuir constantment abans del període, arribant al seu punt més baix (sense inversió) durant el període. Entre el Cretaci Normal i l'actualitat, la freqüència generalment ha augmentat lentament.[13]
ElSupercron de la reversió del Kiamà va durar aproximadament des de finals delCarbonífer fins a finals del Permià, o durant més de 50 milions d'anys, al voltant de 312-262 Ma.[13] El camp magnètic havia invertit la polaritat. El nom«Kiamà» deriva de la ciutat australiana de Kiama (Nova Gal·les del Sud), on es van trobar algunes de les primeres evidències geològiques del supercron l'any 1925.[14]
Se sospita que l'Ordovicià va acollir un altre supercron, anomenatSupercron d'Inversió de Moyero, que va durar més de 20 milions d'anys (fa 485 a 463 milions d'anys). Fins ara, aquest possible supercron només s'ha trobat a la secció del riu Moyero, al nord delcercle polar aSibèria.[15] A més, les millors dades d'altres llocs del món no mostren proves d'aquest supercron.[16]
Algunes regions del fons oceànic, de més de 160 Ma, tenen anomalies magnètiques de baixa amplitud difícils d'interpretar. Es troben a la costa est d'Amèrica del Nord, la costa nord-oest d'Àfrica i elPacífic occidental. Abans es pensava que representaven un supercron anomenatZona Juràssica Tranquil·la, però durant aquest període es troben anomalies magnètiques a terra. Se sap que el camp geomagnètic té una intensitat baixa entre uns 130 i 170 Ma, i aquestes seccions del fons oceànic són especialment profundes, la qual cosa fa que el senyal geomagnètic s'atenuï entre el fons marí i la superfície.[16]
Diversos estudis han analitzat les propietatsestadístiques de les inversions amb l'esperança d'aprendre alguna cosa sobre el seu mecanisme subjacent. El poder discriminant de les proves estadístiques està limitat pel petit nombre d'intervals de polaritat. No obstant això, algunes característiques generals estan ben establertes. En particular, el patró d'inversió ésaleatori. No hi hacorrelació entre les longituds dels intervals de polaritat.[17] No hi ha preferència ni per la polaritat normal ni per la polaritat invertida, ni cap diferència estadística entre lesdistribucions d'aquestes polaritats. Aquesta manca de biaix també és una predicció robusta de lahipòtesi de la dinamo.[13]
No hi ha«taxa» d'inversió, ja que estadísticament són aleatòries. L'aleatorietat de les inversions és incompatible amb la periodicitat, però diversos autors han afirmat trobar una periodicitat.[18] Tanmateix, aquests resultats probablement són artefactes d'una anàlisi que utilitzafinestres lliscants per intentar determinar les taxes d'inversió.[19]
La majoria demodels estadístics d'inversió els han analitzat en termes deprocés de Poisson o d'altres tipus deprocessos de renovació. Un procés de Poisson tindria, demitjana, una taxa d'inversió constant, per la qual cosa és habitual utilitzar un procés de Poisson no estacionari. Tanmateix, en comparació amb un procés de Poisson, hi ha una probabilitat reduïda d'inversió durant desenes de milers d'anys després d'una inversió. Això podria ser degut a una inhibició del mecanisme subjacent, o només podria significar que s'han perdut alguns intervals de polaritat més curts.[13] Un patró d'inversió aleatòria amb inhibició es pot representar mitjançant unprocés gamma. El 2006, un equip defísics de la Universitat de Calàbria va trobar que les inversions també s'ajusten a unadistribució de Lévy, que descriuprocessos estocàstics ambcorrelacions de llarg abast entre esdeveniments en el temps.[20][21] Les dades també són coherents amb un procés determinista, peròcaòtic.[22]
La majoria de les estimacions de la durada d'una transició de polaritat estan entre 1.000 i 10.000 anys, però algunes estimacions són tan ràpides com una vida humana.[23] Els estudis decolades de lava de 16,7 milions d'anys aSteens Mountain (Oregon,Estats Units d'Amèrica) indiquen que el camp magnètic de la Terra és capaç de desplaçar-se a una velocitat de fins a 6 graus per dia.[24] Això va ser rebut inicialment amb l'escepticisme dels paleomagnetistes. Fins i tot si els canvis es produeixen tan ràpidament alnucli, es creu que elmantell, que és unsemiconductor, elimina les variacions amb períodes inferiors als pocs mesos. Es van proposar una varietat de possibles mecanismes magnètics de roques que conduirien a un senyal fals.[25] Tanmateix, els estudis paleomagnètics d'altres seccions de la mateixa regió (lescolades de basalt de l'altiplà d'Oregon) donen resultats consistents.[26][27] Sembla que la transició de polaritat invertida a normal que marca el final deCron C5Cr (16,7 milions d'anys) conté una sèrie d'inversions iexcursions.[28] A més, els geòlegs Scott Bogue (de l'Occidental College) i Jonathan Glen (de l'US Geological Survey), que van mostrejar fluxos de lava a Battle Mountain (Nevada, Estats Units d'Amèrica) van trobar proves d'un breu interval de diversos anys durant una inversió quan la direcció del camp va canviar en més de 50 anys graus. La inversió es va datar fa aproximadament 15 milions d'anys.[29][30] L'agost de 2018, els investigadors van informar d'una inversió que va durar només 200 anys.[31] Però un article del 2019 estimava que la inversió més recent, fa 780.000 anys, va durar 22.000 anys.[32][33]
El camp magnètic no desapareixerà completament, però molts pols es podrien formar caòticament en diferents llocs durant la inversió, fins que s'estabilitzi de nou.[34][35]
Elcamp magnètic de la Terra, i d'altres planetes que tenencamps magnètics, es genera per l'acció de ladinamo en la qual laconvecció delferro fos alnucli planetari generacorrents elèctrics que al seu torn donen lloc a camps magnètics.[13] En lessimulacions de dinamos planetàries, les inversions sovint sorgeixen espontàniament de la dinàmica subjacent. Per exemple, Gary Glatzmaier i el col·laborador Paul Roberts de laUCLA van executar un model numèric de l'acoblament entre l'electromagnetisme i ladinàmica de fluids a l'interior de la Terra. La seva simulació va reproduir les característiques clau del camp magnètic durant més de 40.000 anys de temps simulat i el camp generat perordinador es va invertir.[36][37] També s'han observat inversions de camp globals a intervals irregulars a l'experiment de laboratori demetall líquidVKS2.[38]
En algunes simulacions, això condueix a una inestabilitat en la qual el camp magnètic gira espontàniament cap a l'orientació oposada. Aquest escenari està recolzat per observacions delcamp magnètic solar, que pateixinversió espontània cada 9-12 anys. No obstant això, amb elSol s'observa que la intensitat magnètica solar augmenta molt durant una inversió, mentre que les inversions a la Terra semblen produir-se durant períodes de baixa intensitat de camp.[39]
Alguns científics, comRichard A. Muller, pensen que les inversions geomagnètiques no són processos espontanis sinó que es desencadenen per esdeveniments externs que interrompen directament el flux al nucli de la Terra. Les propostes inclouenesdeveniments d'impacte[40][41] o esdeveniments interns com l'arribada de lloses continentals transportades almantell per l'acció de latectònica de plaques a leszones de subducció, o l'inici de nousplomalls de mantell des dellímit nucli-mantell.[42] Els partidaris d'aquesta hipòtesi sostenen que qualsevol d'aquests esdeveniments podria provocar una interrupció a gran escala de la dinamo, desactivant efectivament el camp geomagnètic. Com que el camp magnètic és estable en l'orientació actual nord-sud o en una orientació inversa, proposen que quan el camp es recupera d'aquesta interrupció escull espontàniament un estat o un altre, de manera que la meitat de les recuperacions es converteixin en inversió. Tanmateix, el mecanisme proposat no sembla funcionar en un model quantitatiu, i l'evidència de l'estratigrafia per a una correlació entre inversions i esdeveniments d'impacte és feble. No hi ha evidència d'una inversió relacionada amb l'esdeveniment d'impacte que va causar l'esdeveniment d'extinció del Cretaci-Paleogen.[43]
Poc després de produir-se les primeresescales de temps de polaritat geomagnètica, els científics van començar a explorar la possibilitat que les inversions poguessin estar relacionades amb lesextincions. La majoria d'aquestes propostes es basen en el supòsit que el camp magnètic de la Terra seria molt més feble durant les inversions. Possiblement, la primera d'aquestes hipòtesis va ser que les partícules d'alta energia atrapades alcinturó de radiació de Van Allen podien ser alliberades i bombardejar la Terra.[44][45] Els càlculs detallats confirmen que si el camp dipolar de la Terra desaparegués completament (deixant el quadripol i els components superiors), la major part de l'atmosfera esdevindria accessible a les partícules d'alta energia, però actuaria com una barrera per a elles, i les col·lisions deraigs còsmics produirienradiació secundària deberil·li-10 oclor-36. Un estudi alemany de 2012 sobrenuclis de gel deGroenlàndia va mostrar un pic de beril·li-10 durant una breu inversió completa fa 41.000 anys, que va provocar que la força del camp magnètic caigués a un 5% estimat de la normal durant la inversió.[46] Hi ha proves que això succeeix tant durant lavariació secular[47][48] com durant les inversions.[49][50]
Una altra hipòtesi de McCormac i Evans suposa que el camp terrestre desapareix completament durant les inversions.[51] Argumenten que l'atmosfera de Mart podria haver estat erosionada pelvent solar perquè no tenia camp magnètic per protegir-la. Prediuen que elsions s'eliminarien de l'atmosfera terrestre per sobre dels 100 km. Tanmateix, les mesures depaleointensitat mostren que el camp magnètic no ha desaparegut durant les inversions. A partir de les dades de paleointensitat dels darrers 800.000 anys,[52] encara es calcula que lamagnetopausa es trobava a uns tresradis terrestres durant la inversió de Brunhes-Matuyama.[44] Fins i tot si el camp magnètic intern va desaparèixer, el vent solar pot induir un camp magnètic a laionosfera de la Terra suficient per protegir la superfície de les partícules energètiques.[53]
Les hipòtesis també han avançat cap a vincular les inversions amb lesextincions massives.[18] Molts d'aquests arguments es basaven en una aparent periodicitat en la taxa d'inversió, però anàlisis més acurades mostren que el registre d'inversió no és periòdic.[19]
Però pot ser que els extrems delssuperchrons hagin provocat unaconvecció vigorosa que condueixi a unvulcanisme generalitzat, i que lescendres posteriors en l'aire hagin provocat extincions.[54]
Les proves de correlacions entre extincions i inversions són difícils per diverses raons. Els animals més grans són massa escassos en elregistre fòssil per tenir bones estadístiques, de manera que elspaleontòlegs han analitzat les extincions de microfòssils. Fins i tot les dades de microfòssils poden ser poc fiables si hi ha hiats en el registre fòssil. Pot semblar que l'extinció es produeix al final d'un interval de polaritat quan la resta d'aquest interval de polaritat simplement es va erosionar.[25] L'anàlisi estadística no mostra cap evidència d'una correlació entre inveresions i extincions.[44][55]
En l'actualitat, el camp magnètic en general ha vingut a ser més feble, en una taxa que, si hi continués, ocasionaria que el camp es desplomés cap a l'any 3000 o 4000. L'anomalia de l'Atlàntic Sud es creu que és producte d'això. El fort deteriorament correspon a un descens en un 10 a un 15% sobre els últims 150 anys, i s'ha accelerat en els darrers anys; però la intensitat geomagnètica ha disminuït gairebé de manera contínua en un màxim de 35% per sobre del valor més recent aconseguit. La taxa de disminució i la força actual està dins del normal de variació, com ho demostren els registres dels camps magnètics en el passat, detectats en les roques.
Ningú no sap si el decaïment del camp continuarà en el futur.[56] Atès que cap inversió magnètica ha estat observada per lahumanitat actual i el seu mecanisme de generació no es comprèn totalment, és difícil dir quines són les característiques del camp magnètic que conduiran a aquesta inversió. Alguns autors especulen que una gran disminució del camp magnètic, durant un període d'inversió, exposarà la superfície de la Terra a un substancial i potencial increment deradiació còsmica. Però l'Homo erectus i els seus ancestres certament sobrevisqueren a inversions prèvies. No hi ha evidència que una inversió del camp magnètic hagi causat qualsevol extinció biològica. Una possible explicació és que elvent solar pot induir un camp magnètic suficient (n laionosfera de la Terra) per protegir-la de les partícules altament energètiques, encara en absència del camp magnètic normal del planeta.
Elpol nord magnètic de la Terras'està desplaçant delCanadà aSibèria amb una taxa de 10 km per any al començament del segle xx i va arribar a 40 km per any en el 2003.[57] Es desconeix si aquest lliscament continuarà accelerant-se.
PDF) (en anglès). Nature, 399(6733), maig 1999.Bibcode:1999Natur.399..249G.DOI:10.1038/20420.