Una inversión geomagnética es un cambio en el campo magnético de un planeta de manera que las posiciones del norte magnético y del sur magnético se intercambian (no debe confundirse con el norte geográfico y el sur geográfico ). La Tierra campo 's ha alternado entre períodos de normal de la polaridad, en el que la dirección predominante del campo era la misma que la presente dirección, y inversa polaridad, en la que era el opuesto. Estos períodos se llaman crónicas .
Las ocurrencias de reversión son estadísticamente aleatorias. Ha habido 183 reversiones en los últimos 83 millones de años (en promedio una vez cada ~ 450.000 años). La última, la inversión de Brunhes-Matuyama , ocurrió hace 780.000 años, [1] con estimaciones muy variables de la rapidez con que sucedió. Otras fuentes estiman que el tiempo que tarda una reversión en completarse es en promedio de alrededor de 7000 años para las cuatro reversiones más recientes. [2] Clement (2004) sugiere que esta duración depende de la latitud, con duraciones más cortas en latitudes bajas y duraciones más largas en latitudes medias y altas. [2] Aunque variable, la duración de una reversión total suele estar entre 2000 y 12000 años. [3]
Aunque ha habido períodos en los que el campo se invirtió globalmente (como la excursión de Laschamp ) durante varios cientos de años, [4] estos eventos se clasifican como excursiones en lugar de inversiones geomagnéticas completas. Las crónicas de polaridad estable a menudo muestran grandes y rápidas desviaciones direccionales, que ocurren con más frecuencia que las inversiones, y podrían verse como inversiones fallidas. Durante tal excursión, el campo se invierte en el núcleo externo líquido , pero no en el núcleo interno sólido . La difusión en el núcleo externo líquido se produce en escalas de tiempo de 500 años o menos, mientras que la del núcleo interno sólido es más larga, alrededor de 3000 años. [5]
Historia
A principios del siglo XX, geólogos como Bernard Brunhes notaron por primera vez que algunas rocas volcánicas estaban magnetizadas en dirección opuesta a la dirección del campo terrestre local. Motonori Matuyama hizo la primera estimación del tiempo de las inversiones magnéticas en la década de 1920; observó que las rocas con campos invertidos eran todas del Pleistoceno temprano o más antiguas. En ese momento, la polaridad de la Tierra era poco conocida y la posibilidad de una reversión despertó poco interés. [6] [7]
Tres décadas más tarde, cuando se entendió mejor el campo magnético de la Tierra, se avanzaron teorías que sugerían que el campo de la Tierra podría haberse invertido en el pasado remoto. La mayor parte de las investigaciones paleomagnéticas realizadas a finales de la década de 1950 incluyeron un examen del desplazamiento de los polos y la deriva continental . Aunque se descubrió que algunas rocas invertirían su campo magnético mientras se enfriaban, se hizo evidente que la mayoría de las rocas volcánicas magnetizadas conservaban rastros del campo magnético de la Tierra en el momento en que las rocas se habían enfriado. En ausencia de métodos confiables para obtener edades absolutas de las rocas, se pensaba que las reversiones ocurrían aproximadamente cada millón de años. [6] [7]
El siguiente gran avance en la comprensión de las inversiones se produjo cuando se mejoraron las técnicas de datación radiométrica en la década de 1950. Allan Cox y Richard Doell , del Servicio Geológico de Estados Unidos , querían saber si se producían reversiones a intervalos regulares e invitaron al geocronólogo Brent Dalrymple a unirse a su grupo. Produjeron la primera escala de tiempo de polaridad magnética en 1959. A medida que acumulaban datos, continuaron refinando esta escala en competencia con Don Tarling e Ian McDougall en la Universidad Nacional de Australia . Un grupo dirigido por Neil Opdyke en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty mostró que se registró el mismo patrón de reversiones en sedimentos de núcleos de aguas profundas. [7]
Durante las décadas de 1950 y 1960, la información sobre las variaciones en el campo magnético de la Tierra se recopiló en gran parte por medio de buques de investigación, pero las complejas rutas de los cruceros oceánicos dificultaron la asociación de los datos de navegación con las lecturas del magnetómetro . Solo cuando se trazaron los datos en un mapa, se hizo evidente que aparecían franjas magnéticas notablemente regulares y continuas en los fondos oceánicos. [6] [7]
En 1963, Frederick Vine y Drummond Matthews proporcionaron una explicación simple al combinar la teoría de la extensión del fondo marino de Harry Hess con la escala de tiempo conocida de reversiones: el nuevo fondo marino se magnetiza en la dirección del campo actual. Por lo tanto, el fondo marino que se extiende desde una cresta central producirá pares de bandas magnéticas paralelas a la cresta. [8] El canadiense LW Morley propuso de forma independiente una explicación similar en enero 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 . [6] La hipótesis de Morley-Vine-Matthews fue la primera prueba científica clave de la teoría de la deriva continental de la expansión del lecho marino. [7]
A partir de 1966, los científicos del Observatorio Geológico Lamont-Doherty descubrieron que los perfiles magnéticos a través de la Cordillera Pacífico-Antártica eran simétricos y coincidían con el patrón en la cordillera Reykjanes del Atlántico norte . Se encontraron las mismas anomalías magnéticas en la mayoría de los océanos del mundo, lo que permitió estimar cuándo se había desarrollado la mayor parte de la corteza oceánica. [6] [7]
Observando campos pasados
Las inversiones de campo pasadas pueden registrarse y se han registrado en los minerales ferromagnéticos "congelados" (o, más exactamente, ferrimagnéticos ) de depósitos sedimentarios consolidados o flujos volcánicos enfriados en la tierra.
El registro pasado de inversiones geomagnéticas se notó por primera vez al observar las "anomalías" de la banda magnética en el fondo del océano . Lawrence W. Morley , Frederick John Vine y Drummond Hoyle Matthews hicieron la conexión con la expansión del lecho marino en la hipótesis de Morley-Vine-Matthews [8] [9] que pronto condujo al desarrollo de la teoría de la tectónica de placas . La velocidad relativamente constante a la que se extiende el fondo marino da como resultado "franjas" de sustrato a partir de las cuales se puede inferir la polaridad pasada del campo magnético a partir de los datos recopilados al remolcar un magnetómetro por el fondo marino.
Debido a que ningún fondo marino no sometido existente (o fondo marino empujado sobre placas continentales ) tiene más de 180 millones de años ( Ma ) de antigüedad, se necesitan otros métodos para detectar reversiones más antiguas. La mayoría de las rocas sedimentarias incorporan pequeñas cantidades de minerales ricos en hierro , cuya orientación está influenciada por el campo magnético ambiental en el momento en que se formaron. Estas rocas pueden conservar un registro del campo si no se borra más tarde por cambios químicos, físicos o biológicos .
Debido a que el campo magnético es globalmente consistente [ cita requerida ] , se pueden usar patrones similares de variaciones magnéticas en diferentes sitios para correlacionar la edad en diferentes ubicaciones. En las últimas cuatro décadas, se han recopilado muchos datos paleomagnéticos sobre las edades del fondo marino (hasta ~ 250 Ma ) y son útiles para estimar la edad de las secciones geológicas. No es un método de datación independiente, depende de métodos de datación por edad "absoluta" como los sistemas radioisotópicos para derivar edades numéricas. Se ha vuelto especialmente útil para los geólogos ígneos y metamórficos donde los fósiles índice rara vez están disponibles.
Escala de tiempo de polaridad geomagnética
A través del análisis de las anomalías magnéticas del fondo marino y la datación de las secuencias de inversión en tierra, los paleomagnetistas han estado desarrollando una Escala de tiempo de polaridad geomagnética (GPTS). La escala de tiempo actual contiene 184 intervalos de polaridad en los últimos 83 millones de años (y por lo tanto 183 inversiones). [10] [11]
Cambio de frecuencia con el tiempo
La tasa de inversiones en el campo magnético de la Tierra ha variado ampliamente a lo largo del tiempo. Hace 72 millones de años (Ma) , el campo se invirtió 5 veces en un millón de años. En un período de 4 millones de años centrado en 54 Ma , hubo 10 reversiones; alrededor de 42 Ma , se produjeron 17 reversiones en un lapso de 3 millones de años. En un período de 3 millones de años centrado en 24 Ma , se produjeron 13 reversiones. No menos de 51 reversiones ocurrieron en un período de 12 millones de años, centrado en hace 15 millones de años . Se produjeron dos reversiones durante un lapso de 50.000 años. Estas eras de frecuentes reversiones han sido contrarrestadas por unos pocos "supercrónicos", largos períodos en los que no se produjeron reversiones. [12]
Supercronos
Un supercrón es un intervalo de polaridad que dura al menos 10 millones de años. Hay dos supercronos bien establecidos, el Cretácico Normal y el Kiaman. Un tercer candidato, el Moyero, es más polémico. Alguna vez se pensó que la Zona Tranquila Jurásica en las anomalías magnéticas del océano representaba un supercrón, pero ahora se atribuye a otras causas.
El Cretácico Normal (también llamado Cretácico Supercrón o C34) duró casi 40 millones de años, desde hace unos 120 a 83 millones de años , incluidas las etapas del período Cretácico desde el Aptiano hasta el Santoniano . La frecuencia de las inversiones magnéticas disminuyó constantemente antes del período, alcanzando su punto más bajo (sin inversiones) durante el período. Entre el Cretácico Normal y el presente, la frecuencia generalmente ha aumentado lentamente. [13]
El Kiaman Reverse Superchron duró aproximadamente desde el Carbonífero tardío hasta el Pérmico tardío , o durante más de 50 millones de años, desde hace alrededor de 312 a 262 millones de años . [13] El campo magnético tenía polaridad invertida. El nombre "Kiaman" deriva del pueblo australiano de Kiama , donde se encontraron algunas de las primeras pruebas geológicas del supercrón en 1925. [14]
Se sospecha que el Ordovícico ha albergado otro supercrón, llamado Moyero Reverse Superchron , que duró más de 20 millones de años (hace 485 a 463 millones de años). Hasta ahora, este posible supercrón solo se ha encontrado en la sección del río Moyero al norte del círculo polar en Siberia. [15] Además, los mejores datos de otras partes del mundo no muestran evidencia de este supercrón. [dieciséis]
Ciertas regiones del suelo oceánico, de más de 160 Ma , tienen anomalías magnéticas de baja amplitud que son difíciles de interpretar. Se encuentran frente a la costa este de América del Norte, la costa noroeste de África y el Pacífico occidental. Alguna vez se pensó que representaban un supercrón llamado Zona de Silencio Jurásico , pero las anomalías magnéticas se encuentran en la tierra durante este período. Se sabe que el campo geomagnético tiene una intensidad baja entre aproximadamente 130 Ma y 170 Ma , y estas secciones del fondo del océano son especialmente profundas, lo que hace que la señal geomagnética se atenúe entre el lecho marino y la superficie. [dieciséis]
Propiedades estadísticas de las reversiones
Varios estudios han analizado las propiedades estadísticas de las reversiones 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 patrón de reversiones es aleatorio. No existe correlación entre las longitudes de los intervalos de polaridad. [17] 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 . [13]
No hay tasa de reversiones, ya que son estadísticamente aleatorias. La aleatoriedad de las inversiones es incompatible con la periodicidad, pero varios autores han afirmado encontrar periodicidad. [18] Sin embargo, estos resultados probablemente sean artefactos de un análisis que utiliza ventanas deslizantes para intentar determinar las tasas de reversión. [19]
La mayoría de los modelos estadísticos de reversiones los han analizado en términos de 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 reversión durante decenas de miles de años después de una reversión. Esto podría deberse a una inhibición en el mecanismo subyacente, o simplemente podría significar que se han perdido algunos intervalos de polaridad más cortos. [13] Un patrón de inversión aleatorio 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 se ajustan a una distribución de Lévy , que describe procesos estocásticos con correlaciones de largo alcance entre eventos en el tiempo. [20] [21] Los datos también son consistentes con un proceso determinista, pero caótico. [22]
Carácter de las transiciones
Duración
La mayoría de las estimaciones sobre la duración de una transición de polaridad oscilan entre 1.000 y 10.000 años, [13] pero algunas estimaciones son tan rápidas como una vida humana. [23] Los estudios de flujos de lava de 16,7 millones de años en Steens Mountain , Oregon, indican que el campo magnético de la Tierra es capaz de cambiar a una velocidad de hasta 6 grados por día. [24] Esto fue recibido inicialmente con escepticismo por parte de los paleomagnetistas. Incluso si los cambios ocurren tan rápidamente en el núcleo, se cree que el manto, que es un semiconductor , elimina las variaciones con períodos de menos de unos pocos meses. Se propuso una variedad de posibles mecanismos magnéticos de rocas que conducirían a una señal falsa. [25] Sin embargo, los estudios paleomagnéticos de otras secciones de la misma región (los basaltos de inundación de la meseta de Oregón) dan resultados consistentes. [26] [27] Parece que la transición de polaridad inversa a normal que marca el final de Chron C5Cr (hace 16,7 millones de años ) contiene una serie de inversiones y excursiones. [28] Además, los geólogos Scott Bogue del Occidental College y Jonathan Glen del Servicio Geológico de EE. UU., Que tomaron muestras de los flujos de lava en Battle Mountain, Nevada , encontraron evidencia de un breve intervalo de varios años durante una reversión cuando la dirección del campo cambió. por más de 50 grados. La reversión data de hace aproximadamente 15 millones de años. [29] [30] En agosto de 2018, los investigadores informaron una reversión que duró solo 200 años. [31] Pero un artículo de 2019 estimó que la reversión más reciente, hace 780.000 años, duró 22.000 años. [32] [33]
Campo magnético
El campo magnético no desaparecerá por completo, pero muchos polos podrían formarse caóticamente en diferentes lugares durante la inversión, hasta que se estabilice nuevamente. [34] [35]
Causas
El campo magnético de la Tierra, y de otros planetas que tienen campos magnéticos, se genera por acción de dínamo en la que la convección del hierro fundido en el núcleo planetario genera corrientes eléctricas que a su vez dan lugar a campos magnéticos. [13] En las simulaciones de dínamos planetarios, las inversiones a menudo surgen espontáneamente de la dinámica subyacente. Por ejemplo, Gary Glatzmaier y el colaborador Paul Roberts de UCLA ejecutaron un modelo numérico del acoplamiento entre electromagnetismo y dinámica de fluidos en el interior de la Tierra. Su simulación reprodujo características clave del campo magnético durante más de 40.000 años de tiempo simulado y el campo generado por computadora se invirtió. [36] [37] También se han observado inversiones de campo globales a intervalos irregulares en el experimento de laboratorio con metal líquido "VKS2". [38]
En algunas simulaciones, esto conduce a una inestabilidad en la que el campo magnético se voltea espontáneamente en la orientación opuesta. Este escenario está respaldado por observaciones del campo magnético solar , que sufre inversiones espontáneas cada 9-12 años. Sin embargo, con el Sol se observa que la intensidad magnética solar aumenta en gran medida durante una inversión, mientras que las inversiones en la Tierra parecen ocurrir durante períodos de baja intensidad de campo. [39]
Desencadenantes hipotéticos
Algunos científicos, como Richard A. Muller , piensan que las inversiones geomagnéticas no son procesos espontáneos, sino que son desencadenados por eventos externos que interrumpen directamente el flujo en el núcleo de la Tierra. Las propuestas incluyen eventos de impacto [40] [41] o eventos internos como la llegada de placas continentales arrastradas hacia el manto por la acción de la tectónica de placas en las zonas de subducción o el inicio de nuevas plumas del manto desde el límite entre el núcleo y el manto . [42] Los partidarios de esta hipótesis sostienen que cualquiera de estos eventos podría conducir a una interrupción a gran escala de la dínamo, desactivando efectivamente el campo geomagnético. Debido a que el campo magnético es estable en la actual orientación norte-sur o en una orientación inversa, proponen que cuando el campo se recupera de tal interrupción elige espontáneamente un estado u otro, de modo que la mitad de las recuperaciones se convierten en reversiones. Sin embargo, el mecanismo propuesto no parece funcionar en un modelo cuantitativo, y la evidencia de la estratigrafía de una correlación entre las reversiones y los eventos de impacto es débil. No hay evidencia de una reversión relacionada con el evento de impacto que causó el evento de extinción del Cretácico-Paleógeno . [43]
Efectos sobre la biosfera
Poco después de que se produjeran las primeras escalas de tiempo de polaridad geomagnética, los científicos comenzaron a explorar la posibilidad de que las reversiones pudieran estar relacionadas con las extinciones . La mayoría de estas propuestas se basan en la suposición de que el campo magnético de la Tierra sería mucho más débil durante las inversiones. Posiblemente, la primera hipótesis de este tipo fue que las partículas de alta energía atrapadas en el cinturón de radiación de Van Allen podrían liberarse y bombardear la Tierra. [44] [45] Cálculos detallados confirman que si el campo dipolar de la Tierra desapareciera por completo (dejando el cuadrupolo y los componentes superiores), la mayor parte de la atmósfera se volvería accesible a las partículas de alta energía, pero actuaría como una barrera para ellas, y cósmica las colisiones de rayos producirían radiación secundaria de berilio-10 o cloro-36 . Un estudio alemán de 2012 de los núcleos de hielo de Groenlandia mostró un pico de berilio-10 durante una breve reversión completa hace 41.000 años, lo que llevó a que la intensidad del campo magnético descendiera a un estimado 5% de lo normal durante la reversión. [46] Existe evidencia de que esto ocurre tanto durante la variación secular [47] [48] como durante las reversiones. [49] [50]
Otra hipótesis de McCormac y Evans asume que el campo de la Tierra desaparece por completo durante las reversiones. [51] Argumentan que la atmósfera de Marte puede haber sido erosionada por el viento solar porque no tenía un campo magnético para protegerla. Ellos predicen que los iones se eliminarían de la atmósfera de la Tierra por encima de los 100 km. Sin embargo, las mediciones de paleointensidad muestran que el campo magnético no ha desaparecido durante las inversiones. Con base en los datos de paleointensidad de los últimos 800.000 años, [52] todavía se estima que la magnetopausa estuvo en aproximadamente tres radios terrestres durante la inversión Brunhes-Matuyama . [44] Incluso si el campo magnético interno desapareciera, el viento solar puede inducir un campo magnético en la ionosfera de la Tierra suficiente para proteger la superficie de partículas energéticas. [53]
Las hipótesis también han avanzado hacia la vinculación de las reversiones con las extinciones masivas . [54] Muchos de esos argumentos se basaron en una aparente periodicidad en la tasa de reversiones, pero análisis más cuidadosos muestran que el registro de reversiones no es periódico. [19] Sin embargo, puede ser que los extremos de los supercronos hayan causado una convección vigorosa que conduzca a un vulcanismo generalizado, y que las cenizas en el aire subsiguientes hayan causado extinciones. [55]
Las pruebas de correlación entre extinciones y reversiones son difíciles por varias razones. Los animales más grandes son demasiado escasos en el registro fósil para tener buenas estadísticas, por lo que los paleontólogos han analizado las extinciones de microfósiles. Incluso los datos microfósiles pueden ser poco fiables si hay pausas en el registro fósil. Puede parecer que la extinción ocurre al final de un intervalo de polaridad cuando el resto de ese intervalo de polaridad simplemente se erosionó. [25] El análisis estadístico no muestra evidencia de una correlación entre reversiones y extinciones. [56] [44]
Ver también
- Lista de reversiones geomagnéticas , incluidas las edades.
- Anomalía magnética
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- ¿Es cierto que el campo magnético de la Tierra está a punto de cambiar? physics.org , consultado el 8 de enero de 2019