Jordens geomagnetiske omvendinger: Hvad, hvorfor og hvornår?
Jordens geomagnetiske omvendinger: Hvad er de, hvorfor sker de, og hvornår? Læs om historie, årsager, varigheder og mulige konsekvenser.
En geomagnetisk omvending er en ændring i en planets magnetfelt, således at positionerne for magnetisk nord og magnetisk syd byttes om på hinanden.
Dette er sket 183 gange i løbet af de sidste 83 millioner år, i gennemsnit to eller tre gange pr. million år. Før en ændring af magnetfeltet bliver Jordens magnetfelt svagere og bevæger sig rundt, ligesom en snurretop ville gøre det, før den falder ned. Forskerne ved dette som følge af undersøgelser af magnetismen på havbunden nær den midtatlantiske ryggen. Lavaen bevæger sig langsomt ud af denne kløft (hul i havbunden), hvorefter den afkøles med sine jernoxidmolekyler, der alle peger i den nye retning af Jordens magnetfelt. Vi kan se på dette magnetfelts historie i dag for at se tilbage på de mange omslag i fortiden.
Omvendinger forekommer med intervaller fra mindre end 0,1 millioner år til op til 50 millioner år. Disse perioder kaldes chrons.
Der er intet mønster i disse ændringer, som synes at ske tilfældigt. Kroner varer mellem 0,1 og 1 million år (se diagrammet) med et gennemsnit på 450.000 år. De fleste omskiftelser tager mellem 1.000 og 10.000 år at finde sted.
Den seneste, Brunhes-Matuyama-omvendingen, fandt sted for 780.000 år siden og kan være sket meget hurtigt, inden for et menneskes levetid. En kort fuldstændig omvendelse, kendt som Laschamp-hændelsen, fandt sted for kun 41.000 år siden under den sidste istid. Denne omvending varede kun ca. 440 år, og den faktiske ændring af polariteten varede omkring 250 år. Under denne ændring svækkedes magnetfeltets styrke til 5 % af dets nuværende styrke. Kortvarige forstyrrelser, der ikke resulterer i en omvending, kaldes geomagnetiske udfald.
Hvad sker der fysisk?
Jordens magnetfelt skabes af bevægelsen af flydende jern og nikkel i Jordens ydre kerne – en mekanisme der kaldes geodynamo. Konvektion, elektrisk ledningsevne og Jordens rotation (Coriolis-kraften) organiserer strømningerne, så et stort dipolfelt dannes. Under en omvending ændres disse strømninger, så dipolfeltet svækkes, bliver komplekst med flere magnetiske knudepunkter, og til sidst etableres en ny overordnet polaritet med byttede poler.
Hvorfor sker omvendinger?
Der findes ingen enkel årsag, men omvendinger menes at følge af naturlige variationer i geodynamiske processer i Jordens ydre kerne. Små ændringer i varmeflux, sammensætning eller i kernekonvektion kan ændre strømmenes struktur og føre til ustabilitet i magnetfeltet. Computerbaserede magnetflodmodeller reproducerer omvendinger som et naturligt resultat af turbulente dynamo-processer.
Hvordan ved vi, at de er sket?
Viden om tidligere omvendinger kommer fra paleomagnetiske optegnelser i klipper og sedimenter. Når lava størkner, og når visse sedimentære materialer aflejres, retter magnetiske mineraler sig efter det samtidige magnetfelt og fastholder dermed en “magnetisk signatur”. Undersøgelser af havbunden viser tydelige striber med skiftevis magnetretning på hver side af midtatlantiske ryg – et direkte bevis for gentagne omvendinger kombineret med havbundsspredning. Derudover bruges arkeomagnetisme (fx undersøgelser af brændte ovne, lerkar og gamle konstruktioner) til at rekonstruere feltets variationer gennem historisk tid.
Hvor ofte og hvor hurtigt sker det?
Intervallerne mellem omvendinger (chrons) er meget variable — fra under 100.000 år til titals millioner år. Statistikken viser ingen enkel periodisk rytme. Mange fulde omvendinger indtræffer langsomt over tusinder af år, men nogle begivenheder kan være overraskende hurtige. Eksempelvis tyder visse data på, at Brunhes–Matuyama-omvendingen skete relativt hurtigt, og Laschamp-hændelsen var en kortvarig begivenhed på nogle hundrede år. Generelt tager de fleste omvendinger fra cirka 1.000 til 10.000 år at gennemføre, men betydelig usikkerhed er til stede i de korteste tidsestimat.
Hvad er forskellen på omvendinger og udfald (excursions)?
Omvending betyder en permanent (i geologisk forstand) skift i polariteten. Udfald eller excursions er kortvarige, delvise forstyrrelser i feltet, hvor polariteten ændres midlertidigt eller feltet bliver stærkt svækket, men som vender tilbage til den oprindelige polaritet uden at blive permanent ombyttet. Laschamp-hændelsen betragtes ofte som en kraftig excursion eller kortvarig omvending afhængigt af definitionen.
Konsekvenser for liv og teknologi
Omvendinger er naturlige og gentagne i Jordens historie, og der er ingen klare beviser for masseuddøenser direkte forårsaget af tidligere omvendinger. Men svækkelse af magnetfeltet under overgangen kan øge indtrængningen af kosmisk stråling og solvind i det øvre atmosfærelag, hvilket kan få betydning for:
- Elektroniske systemer og satellitter – øget stråling kan skade elektronik og øge antallet af fejl.
- Højtflyvende luftfart og rumfart – højere strålingsdoser for besætninger og passagerer på polare ruter.
- Strømnet og rørledninger – geomagnetiske storms forbundet med svagere eller forstyrrede felter kan inducere strømme i lange ledere og skabe problemer i elnettet og korrosion i rør.
- Atmosfærisk kemi – nogle modeller viser mulige ændringer i ozonlaget som følge af øget stråling, men resultaterne er usikre og afhænger af varigheden og størrelsen af feltændringen.
Det er vigtigt at understrege, at en omvending ikke betyder, at verden “vender op og ned” med øjeblikkelige katastrofale følger for livet på Jorden. Mange levende organismer eksisterede gennem tidligere omvendinger.
Overvågning og forskning
Nutidig overvågning af Jordens magnetfelt foregår både ved jordbaserede observatorier og satellitter (fx ESA’s Swarm-mission). Disse data viser, at Jordens dipolfelt har svækket sig over de sidste par hundrede år (estimatvis på størrelsesordenen nogle få procenttier siden begyndelsen af 1800-tallet), men dette alene er ikke et pålideligt tegn på, at en fuld omvending er umiddelbart forestående. Geodynamiske modeller, paleomagnetiske arkiver og stadig forbedret overvågning bruges sammen for at forstå sandsynligheden og forløbet af fremtidige ændringer.
Opsummering
Geomagnetiske omvendinger er normale geologiske fænomener forårsaget af ændringer i geodynamo-processerne i Jordens ydre kerne. De kan vare fra nogle hundrede år (i tilfælde af kortvarige begivenheder) til tusinder af år for fuldstændige skift. Effekterne på livet på Jorden vurderes generelt som begrænsede, men moderne teknologier kan være sårbare under perioder med et svækket eller forstyrret magnetfelt. Forskning og overvågning fortsætter for bedre at forstå de mekanismer og konsekvenser, der ligger bag disse fascinerende geomagnetiske fænomener.
Geomagnetisk polaritet i de sidste 5 millioner år (Pliocæn og Kvartær, slutningen af Kainozoikum). Mørke områder = perioder, hvor polariteten svarer til den nuværende Lys områder = perioder, hvor polariteten er omvendt
Optegnelser fra fortiden
De tidligere optegnelser af geomagnetiske omvendinger blev først opdaget ved at observere de magnetiske omvendinger på havbunden. Dette førte hurtigt til udviklingen af teorien om pladetektonik. Den relativt konstante hastighed, hvormed havbunden spreder sig, forårsager "striber" i basalten. Ud fra disse tidligere magnetfelter kan man udlede polaritet. Dataene fås ved at slæbe et magnetometer langs havbunden.
Ingen eksisterende ikke-subduceret havbund er mere end ca. 180 millioner år gammel, så der anvendes andre metoder til at opdage ældre omvendinger. De fleste sedimentære bjergarter indeholder små mængder jernrige mineraler. Deres orientering afspejler det magnetiske felt, da de blev dannet. Stenene bevarer denne registrering, medmindre de ændres af en senere proces.
Superchroner
En superkroner er et polaritetsinterval, der varer mindst 10 millioner år. Der findes to veletablerede superkroner, Kridtnormalen og Kiaman.
Kridt-normalperioden (også kaldet Kridt-superkronen eller C34) varede i næsten 40 millioner år. Mellem Kridt-normalen og nutiden er hyppigheden generelt steget langsomt.
Kiaman Reverse Superchron varede fra slutningen af Karbon til slutningen af Perm. Det er mere end 50 millioner år, fra 312 til 262 millioner år siden (mya). Det magnetiske felt havde omvendt polaritet. Navnet "Kiaman" stammer fra den australske landsby Kiama, hvor nogle af de første geologiske beviser for superkronen blev fundet i 1925.
Geomagnetisk polaritet siden midten af Jura
Årsager
Jordens og andre planeters magnetfelter skyldes dynamoeffekt fra smeltet jern i planetens kerne. Denne konvektion (bevægelse) genererer elektriske strømme, som igen giver anledning til magnetfelter. I simuleringer af planetariske dynamoer sker der omvendinger af den underliggende dynamik. Gary Glatzmaier og samarbejdspartner Paul Roberts fra UCLA har f.eks. kørt en numerisk model af koblingen mellem elektromagnetisme og væskedynamik i Jordens indre. Deres simulering reproducerede centrale træk ved magnetfeltet over mere end 40.000 års simuleret tid, og det computergenererede felt vendte sig selv om. Globale feltomvendinger med uregelmæssige intervaller er også blevet observeret i et laboratorieforsøg med flydende metal VKS2.
Virkninger på livet
Så vidt vi ved, er der ingen indvirkning på livet. Der er blevet foretaget undersøgelser for at se, om omvendinger på nogen måde hænger sammen med udryddelser. Statistiske analyser viser ingen beviser for en sammenhæng mellem omvendinger og udryddelser.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er en geomagnetisk omvendelse?
A: En geomagnetisk omvending er en ændring i en planets magnetfelt, således at positionerne for magnetisk nord og magnetisk syd byttes om.
Sp: Hvor ofte forekommer disse omvendinger?
Svar: Omvendinger forekommer ca. to eller tre gange pr. million år med intervaller på mellem 0,1 og 50 millioner år.
Spørgsmål: Hvor lang tid tager det, før en omvending sker?
Svar: De fleste omvendinger tager mellem 1.000 og 10.000 år at finde sted. Den seneste, Brunhes-Matuyama-omvendingen, fandt sted for 780.000 år siden og kan være sket meget hurtigt, inden for et menneskes levetid.
Spørgsmål: Hvad er et eksempel på en kortvarig fuldstændig omvendelse?
Svar: En kort fuldstændig omvending, kendt som Laschamp-hændelsen, fandt sted for kun 41.000 år siden under den sidste istid. Denne omvending varede kun omkring 440 år, og den faktiske ændring af polariteten varede omkring 250 år.
Spørgsmål: Hvor svagt var Jordens magnetfelt under denne ændring?
Svar: Under denne ændring svækkedes magnetfeltets styrke til 5 % af dets nuværende styrke.
Spørgsmål: Hvad er krons?
Svar: Chrons er perioder, der varierer fra 0,1 til 1 million års intervaller med et gennemsnitligt interval på 450.000 år mellem dem, hvor omvendinger sker tilfældigt uden mønster eller regelmæssighed.
Spørgsmål: Hvad er geomagnetiske udsvingene?
Svar: Geomagnetiske udfald er korte forstyrrelser, som ikke resulterer i en fuldstændig omvending, men som alligevel forårsager ændringer i Jordens magnetisme.
Søge