La inversión del campo magnético de la Tierra (también llamado campo geomagnético) es un fenómeno recurrente en la historia geológica de la Tierra, el Polo Norte magnético se mueve hacia el Polo Sur geográfico y viceversa. Es el resultado de una perturbación de la estabilidad del núcleo de la Tierra . El campo geomagnético entra en pánico durante un breve período (de 1.000 a 10.000 años) durante el cual los polos magnéticos se mueven rápidamente por toda la superficie del globo o desaparecen, según las teorías.
Durante esta transición, la intensidad del campo geomagnético es muy débil y la superficie del planeta puede estar expuesta al viento solar , potencialmente peligroso para los organismos vivos . Si esto sucediera hoy, muchas tecnologías que utilizan el campo geomagnético también podrían verse afectadas.
Al final de este período de transición, o los polos magnéticos vuelven a sus posiciones iniciales, entonces es solo cuestión de una excursión geomagnética, o se permutan y se habla entonces de inversión.
El campo terrestre se ha invertido unas 300 veces en los últimos 200 millones de años. La última inversión ocurrió hace 780.000 años y la última excursión hace 33.000 años, nadie sabe cuándo ocurrirá la próxima.
Fue en 1905 cuando Bernard Brunhes demostró que ciertas rocas volcánicas estaban magnetizadas en la dirección opuesta a la del campo magnético terrestre local; concluye que el campo se puede invertir.
La primera estimación del momento de las inversiones magnéticas la hizo Motonori Matuyama en la década de 1920 , quien observa que todas las rocas con campos invertidos datan del Pleistoceno temprano o antes. En ese momento, la polaridad del campo terrestre era poco conocida y la posibilidad de reversiones despertó poco interés.
Pero 30 años después, cuando se comprende mejor el campo magnético de la Tierra, las teorías más avanzadas sugieren que el campo de la Tierra puede haberse invertido en el pasado distante. Gran parte de la investigación paleomagnética de finales de la década de 1950 incluye un examen del desplazamiento de los polos y la deriva continental . Aunque se ha descubierto que algunas rocas invierten su campo magnético durante el enfriamiento, resulta evidente que la mayoría de las rocas volcánicas magnetizadas retienen trazas del campo magnético de la Tierra a medida que la roca se enfría. En ausencia de métodos confiables para la datación precisa de las rocas, se cree que las inversiones ocurren aproximadamente una vez cada millón de años.
Las técnicas de datación radiométrica desarrolladas en la década de 1950 permiten un gran avance en la comprensión de las inversiones magnéticas. Allan Cox y Richard Doell, del Servicio Geológico de Estados Unidos , querían saber si las reversiones se habían producido a intervalos regulares e invitaron al geocronólogo Brent Dalrymple a unirse a su grupo. Diseñaron la primera escala de tiempo de polaridad magnética en 1959 . A medida que se acumulaban los datos, continuaron perfeccionando esta escala, compitiendo con Don Tarling e Ian McDougall de la Universidad Nacional de Australia . Un grupo dirigido por Neil Opdyke en el Observatorio Geológico Lamont-Doherty mostró que el mismo patrón de reversiones se registra en sedimentos recolectados del corazón de aguas profundas.
Durante las décadas de 1950 y 1960 , la información sobre las variaciones en el campo magnético de la Tierra se recopiló principalmente de los buques oceanográficos . Pero las complejas rutas de las rutas marítimas dificultan la asociación de los datos de navegación con las lecturas del magnetómetro . Fue solo cuando los datos se trazaron en un mapa que aparecieron bandas magnéticas notablemente regulares y continuas en el fondo del océano.
En 1963 , Frederick Vine y Drummond Matthews proporcionaron una explicación simple al combinar la teoría de la expansión del fondo oceánico de Harry Hess con la escala de tiempo conocida de las inversiones: si un nuevo fondo marino se magnetiza en la dirección del campo, cambiará su polaridad cuando el el campo está invertido. Por lo tanto, la expansión del fondo del océano desde una cresta central producirá bandas magnéticas paralelas a la cresta.
Los Canadiens LW Morley ofrecen de forma independiente una explicación similarEnero de 1963, pero su trabajo fue rechazado por las revistas científicas Nature y Journal of Geophysical Research , y permaneció inédito hasta 1967 , cuando apareció en la revista literaria Saturday Review . La hipótesis de Morley-Vine-Matthews es el primer paso científico decisivo en la teoría de la expansión del suelo oceánico y la deriva continental.
A partir de 1966 , los científicos del Observatorio Geológico Lamont-Doherty descubrieron que los perfiles magnéticos del Pacific Crest Trail eran simétricos y coincidían con los de las crestas de Reykjanes Ridge en el Atlántico norte. Las mismas anomalías magnéticas se encuentran en la mayoría de los océanos del mundo, lo que permite una estimación de cuándo se desarrolló la mayor parte de la corteza oceánica.
En 2017, investigadores de Grenoble lograron modelar la turbulencia en el núcleo exterior de la Tierra, lo que ayuda a comprender los cambios geomagnéticos.
Según la teoría actual, el núcleo de la Tierra , como el de otros planetas, es una gigantesca dínamo magnetohidrodinámica que genera el campo magnético terrestre . Este fenómeno sería debido a los movimientos del núcleo externo , compuesto por aleaciones de hierro y níquel fundido, y a las corrientes eléctricas inducidas con respecto al núcleo interno (sólido).
En las simulaciones, se observa que las líneas del campo magnético a veces pueden desorganizarse y enredarse debido a los movimientos caóticos del metal líquido en el núcleo de la tierra .
Gary Glatzmaier y su colaborador Paul Roberts de la Universidad de California en Los Ángeles han simulado el campo magnético de la Tierra durante más de 40.000 años y se ha observado una inversión. También se han observado inversiones irregulares en el laboratorio durante experimentos con metal líquido ( experimento VKS ).
En estas simulaciones, el campo magnético se invierte espontáneamente como resultado de la inestabilidad en el núcleo. Este escenario está respaldado por observaciones del campo magnético solar , que sufre inversiones espontáneas cada 9-12 años aproximadamente. Sin embargo, se observa que la intensidad magnética solar aumenta considerablemente antes de una inversión, mientras que en la Tierra las inversiones parecen ocurrir durante períodos de baja intensidad de campo.
En general, se cree que la dínamo terrestre se detiene, ya sea espontáneamente o después de un evento desencadenante, y que después de un período de transición (de 1000 a 10 000 años) se pone en marcha nuevamente por sí misma con el polo norte magnético hacia arriba o hacia abajo. Cuando el norte reaparece en la dirección opuesta, es una inversión; cuando vuelve a su posición inicial, es una excursión geomagnética .
Otra teoría es propuesta por un equipo de científicos franceses. Durante esta transición, de acuerdo al trabajo de paleomagnetismo que han realizado, el polo norte se mueve, cruza el ecuador (a veces llegando a la Antártida ), luego se dirige hacia el este antes de regresar al norte verdadero según un gran bucle trazado en el sentido de las agujas del reloj; a veces la excursión se realiza en sentido contrario, pero siguiendo la misma ruta. En todos los casos, este movimiento va acompañado de un debilitamiento significativo del valor del campo.
Esta similitud de trayectorias lleva a estos científicos a plantear la hipótesis de que el campo magnético de la Tierra está formado por dos campos distintos, el de la semilla (núcleo interno), compuesto de metal sólido, y el del núcleo externo. La semilla constituye una especie de "depósito magnético" que acumula este campo externo.
Cuando, por alguna razón desconocida, el campo magnético del núcleo externo se invierte, el campo magnético de la semilla puede seguir o no este movimiento, dependiendo de su magnitud: si los dos campos cambian, se obtiene una inversión total; si el campo de la semilla resiste, el campo del núcleo externo vuelve a su orientación inicial, es una excursión.
Dado que la orientación de los polos sigue siendo la misma después de una excursión geomagnética, es difícil reconocerlos en los registros geológicos naturales. Por tanto, hay pocos datos sobre ellos.
Otra hipótesis resultante de las mediciones correlacionadas es la de un vínculo entre los cambios magnéticos terrestres y los cambios en los campos gravitacionales inducidos por cambios en el flujo dentro del núcleo de la tierra , la relación causa-efecto aún no se ha demostrado y el modelo teórico está por demostrar. para construir.
Hipótesis del evento desencadenanteAlgunos científicos, como Richard A. Muller , creen que las inversiones geomagnéticas son provocadas por eventos que interrumpen el flujo del núcleo de la Tierra . Estos eventos pueden ser de origen externo, como el impacto de un cometa , o interno, como la entrada de placas continentales en el manto por la acción de las placas tectónicas o el afloramiento de lava en el borde del manto.
Los defensores de esta teoría argumentan que cualquiera de estos eventos podría conducir a una perturbación a gran escala de la dínamo, extinguiendo por completo el campo geomagnético. Como el campo magnético es estable tanto con la actual orientación norte-sur como en la orientación inversa, sugieren que después de la transición elige espontáneamente una dirección y que hay una posibilidad entre dos de que ocurra una inversión.
Sin embargo, el mecanismo propuesto no parece funcionar cuantitativamente y la evidencia estratigráfica de una correlación entre inversiones e impacto cósmico es débil. Más sorprendente aún, no hay evidencia de una reversión del impacto cósmico que causó la extinción Cretácico-Terciario .
Es posible que el campo magnético no desaparezca por completo, con muchos polos formándose caóticamente en diferentes lugares, hasta que la inversión se estabilice nuevamente. Un modelo de la NASA (al lado) muestra que durante este período el eje del campo magnético cambia extremadamente rápido hasta que se invierte por completo.
En general, se estima que la duración de una transición de polaridad es de entre 1.000 y 10.000 años. Sin embargo, se observaron varias transiciones más rápidas:
Según una teoría, la transición es solo la segunda de las tres etapas de la reversión, cada una con una duración promedio de 2000 años. La primera es la llamada fase precursora: los polos se mueven hacia el ecuador terrestre y luego vuelven a su posición original; después de la transición, una tercera fase, el rebote, devuelve los polos al ecuador antes de que se inclinen definitivamente.
Durante esta transición, la fuerza del campo magnético es muy débil y la superficie del planeta puede estar expuesta a la radiación solar . Muchas tecnologías que utilizan el campo magnético también podrían verse afectadas.
Radiación solar y vientosVarios científicos han especulado que si la fuerza del campo magnético disminuye drásticamente, las partículas de alta energía atrapadas en el cinturón de Van Allen podrían liberarse y bombardear la Tierra.
Otra hipótesis de McCormac y Evans asume que el campo terrestre desaparecería por completo durante las inversiones. Argumentan que la atmósfera de Marte puede haber sido erosionada por el viento solar porque carecía de un campo magnético para protegerla.
Sin embargo, las mediciones de paleointensidad durante los últimos 800.000 años muestran que el campo magnético nunca desaparece por completo. La magnetopausa siempre permanece a una distancia estimada de unos tres rayos terrestres durante la inversión de Brunhes-Matuyama .
Si el campo magnético se debilita fuertemente o desaparece, el impacto del viento solar puede inducir un campo magnético suficiente en la ionosfera para proteger la superficie de las partículas energéticas , pero esta colisión generaría una radiación secundaria de tipo 10 Be o 36 Cl que o bien durante las excursiones o durante las inversiones.
Perturbaciones electromagnéticasCiertos efectos podrían resultar muy dañinos para nuestras sociedades modernas, perturbaciones de señales electromagnéticas , dispositivos electrónicos , corrosión prematura de tuberías , hasta cortes de energía masivos como en 1989 en Quebec , las consecuencias son innumerables.
En 2003 se produjeron pequeñas tormentas solares que provocaron el cierre de la red eléctrica sueca . En 1859 , una serie de erupciones solares había causado las luces del norte a llegar a las islas del Caribe . Una inversión completa del campo magnético podría llevar a la extinción de todos los dispositivos eléctricos del planeta, "lo que costaría a la economía decenas de miles de millones de dólares al día" .
ExtincionesPoco después de que se produjera la primera escala de tiempo de polaridad geomagnética, los científicos comenzaron a cuestionar si los eventos de polaridad podrían estar relacionados con extinciones.
Las pruebas de correlación entre extinciones y reversiones son difíciles por varias razones. Los animales grandes son demasiado raros en el registro fósil para tener buenas estadísticas. Incluso los datos microfósiles pueden ser cuestionables, ya que el registro fósil fundamentalmente no está completo. Puede parecer que se ha producido una extinción al final de un intervalo de polaridad cuando simplemente no hemos descubierto ningún dato sobre el resto de ese intervalo de polaridad.
También se han propuesto hipótesis que relacionan las reversiones con las extinciones masivas. La mayoría de estos argumentos se basaban en una aparente periodicidad de retrocesos. Pero análisis más detallados muestran que la tasa de reversiones no es constante. Sin embargo, es posible que los extremos de los supercronos experimenten una convección vigorosa que conduzca a un vulcanismo muy extenso y que la ceniza liberada al aire provoque extinciones.
En 2010, dos científicos franceses del INSU argumentaron que el debilitamiento del escudo magnético permitió que los protones emitidos por el sol penetraran más profundamente en las capas de la atmósfera donde luego generan reacciones químicas en cascada que resultan en particular en la formación de óxido nítrico . una sustancia que destruye la capa de ozono . Los seres vivos tienen que hacer frente a una mayor producción de UV-B durante mucho tiempo con picos significativos durante las erupciones solares . Estos efectos se han estudiado en América del Sur debido a la anomalía magnética del Atlántico sur . Sin embargo, el análisis estadístico no sugiere ninguna correlación entre reversiones y extinciones.
El estudio de la magnetita presente en la cerámica antigua permite medir la intensidad del campo magnético terrestre en el momento de la creación del objeto. Esta técnica nos permite decir que la intensidad del campo terrestre ha ido disminuyendo durante 1.500 años. Las mediciones realizadas en todo el mundo confirman que la intensidad ha disminuido un 10% en 50 años.
El polo norte magnético de la Tierra se ha movido desde el norte de Canadá hasta Siberia (1.100 km ) con una velocidad creciente en la actualidad. En 1970 , se movía 10 km por año, contra 40 km en 2003 y desde entonces solo ha acelerado. En la última década, el norte magnético se ha movido aproximadamente un grado cada cinco años.
En 2013 , la Agencia Espacial Europea lanzó la misión SWARM , uno de cuyos objetivos es predecir la fecha de la próxima reversión.
En un artículo publicado en 2017 en The Conversation , dos investigadores de la Universidad de Leeds explican que una nueva inversión de los polos magnéticos de la Tierra podría ocurrir dentro de 2000 años.
Sin embargo, nadie está seguro de que la reducción en el campo continuará en el futuro. Como nadie ha observado nunca estas inversiones y dado que el mecanismo de generación del campo magnético aún no se comprende bien, es difícil decir si las variaciones observadas son signos de una nueva inversión o de una excursión geomagnética.
La tasa de disminución y la intensidad de la corriente están dentro del rango normal de variación, como lo demuestran las variaciones anteriores, impresas en la roca, del campo magnético.
La naturaleza del campo magnético de la Tierra es una de las fluctuaciones heterocedásticas . Una medición instantánea del campo, o varias mediciones del mismo durante décadas o siglos, no es suficiente para extrapolar una tendencia general en la intensidad del campo. Ha subido y bajado en el pasado sin razón aparente. Además, observar la intensidad local del campo dipolo (o sus fluctuaciones) es insuficiente para caracterizar el campo magnético terrestre en su conjunto, porque no es estrictamente dipolar. El elemento dipolo del campo terrestre puede disminuir incluso cuando el campo magnético total permanece igual o aumenta.
A través del análisis de anomalías magnéticas en el fondo del océano y la datación de secuencias de inversión en la tierra, los paleomagnetistas han desarrollado una escala de tiempo de polaridad geomagnética (TAG). El intervalo de tiempo entre dos inversiones se denomina intervalo de polaridad . La escala de tiempo actual contiene 184 en los últimos 83 millones de años.
Los intervalos de polaridad se han clasificado según su duración:
Los intervalos de polaridad que duran menos de 30.000 años se denominan criptocronos , porque las técnicas actuales no pueden distinguirlos de las excursiones geomagnéticas.
El campo terrestre se ha invertido unas 300 veces en los últimos 200 millones de años. La última reversión ocurrió hace 780.000 años.
SupercronosHay dos supercronos bien establecidos, el Cretácico Normal y el Kiaman . Un tercer candidato, el Moyero , es más polémico. La Zona tranquila jurásica se consideró una vez un supercrónico, pero ahora se atribuye a otras causas.
Ciertas áreas del fondo del océano, de más de 160 Ma , exhiben anomalías magnéticas de baja amplitud que son difíciles de interpretar. Se encuentran en la costa este de América del Norte , la costa noroeste de África y en el Pacífico occidental. Inicialmente se pensó que era un supercrón llamado Zona Jurassic Quiet , pero se han descubierto anomalías magnéticas que tuvieron lugar durante este tiempo. Se sabe que el campo geomagnético tuvo una intensidad baja entre aproximadamente 170 Ma y 130 Ma ANE, y estas partes del fondo del océano son particularmente profundas, lo que atenúa la señal entre el fondo del océano y la superficie.
La frecuencia de las inversiones del campo magnético de la Tierra ha variado considerablemente a lo largo del tiempo.
Estos períodos durante los cuales la inversión es frecuente se alternan con algunos supercronos.
Solemos dar a una excursión el nombre del lugar donde se descubrió:
Todas estas excursiones tuvieron lugar durante la crónica actual, es decir, después de la última inversión hasta la fecha . Se han descubierto otras excursiones más antiguas, como Cobb Mountain , que tuvo lugar hace 1,2 millones de años .
Varios estudios han analizado las propiedades estadísticas de las inversiones con la esperanza de aprender algo sobre su mecanismo subyacente. El poder de discriminación de las pruebas estadísticas está limitado por el pequeño número de intervalos de polaridad. Sin embargo, algunas características generales están bien establecidas. En particular, el modelo de inversiones es aleatorio . No existe correlación entre las longitudes de los intervalos de polaridad. No hay preferencia por la polaridad normal o inversa, y no hay diferencia estadística entre las distribuciones de estas polaridades. Esta falta de sesgo es también una sólida predicción de la teoría de la dinamo. Finalmente, como se mencionó anteriormente, la tasa de reversiones varía con el tiempo.
La aleatoriedad de la inversión es incompatible con la periodicidad , pero varios autores han afirmado encontrar la periodicidad. Sin embargo, estos resultados son probablemente artefactos de un análisis que utiliza protocolos de ventana deslizante para determinar las tasas de inversión.
La mayoría de los modelos de inversión estadística los analizan como un proceso de Poisson u otros tipos de procesos de renovación . Un proceso de Poisson tendría, en promedio, una tasa de inversión constante, por lo que es común utilizar un proceso de Poisson no estacionario. Sin embargo, en comparación con un proceso de Poisson, existe una probabilidad reducida de una inversión durante decenas de miles de años después de una inversión. Esto podría deberse a una inhibición en el mecanismo subyacente, o simplemente podría significar que se han perdido algunos intervalos de polaridad más cortos. Un modelo de inversión aleatoria con inhibición se puede representar mediante un proceso gamma . En 2006 , un equipo de físicos de la Universidad de Calabria descubrió que las inversiones también pueden ajustarse a una distribución de Lévy , que describe procesos estocásticos con correlaciones a largo plazo entre eventos a lo largo del tiempo. Los datos también son compatibles con un proceso determinista , pero caótico.
Hay dos disciplinas dedicadas al estudio y datación de eventos de polaridad geomagnética:
El paleomagnetismo es el estudio de las variaciones geomagnéticas terrestres.
Las inversiones de campo que ya han tenido lugar se han registrado en la solidificación de minerales ferromagnéticos (o más exactamente, ferrimagnéticos ) contenidos en depósitos sedimentarios consolidados o en flujos volcánicos enfriados .
Las inversiones geomagnéticas que ya han tenido lugar se notaron por primera vez al observar las anomalías de las bandas magnéticas en el fondo del océano. Lawrence W. Morley , Frederick John Vine y Drummond Hoyle Matthews hicieron la conexión con la expansión oceánica en la hipótesis de Morley-Vine-Matthews que rápidamente condujo al desarrollo de la teoría de la tectónica de placas . La velocidad relativamente constante a la que se extiende el fondo del océano crea bandas en el sustrato a partir de las cuales se puede inferir la polaridad del campo magnético pasado, incluido el remolque de un magnetómetro a lo largo del fondo del océano.
Dado que ninguna zona de subducción (empuje desde el fondo del mar sobre las placas continentales) que existe hoy tiene más de 190 millones de años (Ma), se necesitan otros métodos para detectar inversiones más antiguas. La mayoría de las rocas sedimentarias contienen pequeñas cantidades de minerales ricos en hierro, cuya orientación está influenciada por el campo magnético circundante en el momento en que se formaron. Estas rocas pueden conservar un registro del campo si no se borra posteriormente por un cambio químico , físico o biológico .
Dado que el campo magnético es global, se pueden utilizar patrones similares de variaciones magnéticas obtenidos en diferentes lugares para confirmar la datación. Durante las últimas cuatro décadas, se ha recopilado una gran cantidad de datos paleomagnéticos sobre la edad del fondo del océano (hasta ~ 250 Ma ) y se ha utilizado para estimar la edad de las secciones geológicas . Esta técnica depende de métodos de datación absolutos como los métodos radiométricos para determinar la fecha de una inversión. Se ha vuelto particularmente útil para los geólogos metamórficos y magmáticos que tienen pocos fósiles estratigráficos .
El arqueomagnetismo es el estudio de las variaciones en el campo magnético de la Tierra registradas por los minerales magnéticos presentes en la arcilla y permite el estudio de las variaciones magnéticas recientes (en la escala de la historia humana).
Otra escala de intervalo de polaridad.
El movimiento del polo norte magnético a través del Ártico canadiense, 1831-2001.
Estructura de la magnetosfera.
El proceso de dínamo en el origen del campo magnético de la Tierra.
Los magnetómetros pueden medir el campo magnético de los planetas, como brújulas muy sensibles.
Dimensiones y temperaturas internas del globo terrestre.
Vista en sección de la tierra.