Reversão geomagnética - Geomagnetic reversal

Polaridade geomagnética durante os últimos 5 milhões de anos ( Plioceno e Quaternário , final da Era Cenozóica ). As áreas escuras denotam períodos em que a polaridade corresponde à polaridade normal de hoje; áreas claras denotam períodos em que a polaridade é invertida.

Uma reversão geomagnética é uma mudança no campo magnético de um planeta de tal forma que as posições do norte magnético e do sul magnético são trocadas (não deve ser confundido com o norte geográfico e o sul geográfico ). O campo da Terra tem alternado entre períodos de polaridade normal , em que a direção predominante do campo era a mesma da direção atual, e polaridade reversa , em que era o oposto. Esses períodos são chamados de chrons .

As ocorrências de reversão são estatisticamente aleatórias. Houve 183 reversões nos últimos 83 milhões de anos (em média, uma vez a cada 450.000 anos). A última, a reversão Brunhes-Matuyama , ocorreu 780.000 anos atrás, com estimativas muito variadas de quão rápido aconteceu. Outras fontes estimam que o tempo que leva para uma reversão ser concluída é, em média, de cerca de 7.000 anos para as quatro reversões mais recentes. Clement (2004) sugere que essa duração depende da latitude, com durações mais curtas em latitudes baixas e durações mais longas em latitudes médias e altas. Embora variável, a duração de uma reversão completa é normalmente entre 2.000 e 12.000 anos.

Embora tenha havido períodos em que o campo inverteu globalmente (como a excursão de Laschamp ) por várias centenas de anos, esses eventos são classificados como excursões em vez de reversões geomagnéticas completas. Crons de polaridade estável costumam mostrar grandes excursões direcionais rápidas, que ocorrem com mais freqüência do que reversões e podem ser vistas como reversões malsucedidas. Durante essa excursão, o campo se inverte no núcleo externo líquido , mas não no núcleo interno sólido . A difusão no núcleo externo líquido é em escalas de tempo de 500 anos ou menos, enquanto a do núcleo interno sólido é mais longa, cerca de 3.000 anos.

História

No início do século 20, geólogos como Bernard Brunhes notaram pela primeira vez que algumas rochas vulcânicas eram magnetizadas em oposição à direção do campo local da Terra. A primeira estimativa do tempo das reversões magnéticas foi feita por Motonori Matuyama na década de 1920; ele observou que as rochas com campos invertidos eram todas do início do Pleistoceno ou mais velhas. Na época, a polaridade da Terra era mal compreendida e a possibilidade de reversão despertou pouco interesse.

Três décadas depois, quando o campo magnético da Terra foi melhor compreendido, surgiram teorias sugerindo que o campo da Terra poderia ter se invertido em um passado remoto. A maioria das pesquisas paleomagnéticas no final da década de 1950 incluiu um exame da errância dos pólos e da deriva continental . Embora tenha sido descoberto que algumas rochas inverteriam seu campo magnético durante o resfriamento, tornou-se aparente que a maioria das rochas vulcânicas magnetizadas preservaram traços do campo magnético da Terra no momento em que as rochas esfriaram. Na ausência de métodos confiáveis ​​para obter idades absolutas para rochas, pensava-se que as reversões ocorriam aproximadamente a cada milhão de anos.

O próximo grande avanço na compreensão das reversões veio quando as técnicas de datação radiométrica foram aprimoradas na década de 1950. Allan Cox e Richard Doell , do Serviço Geológico dos Estados Unidos , queriam saber se as reversões ocorriam em intervalos regulares e convidaram o geocronólogo Brent Dalrymple para se juntar ao grupo. Eles produziram a primeira escala de tempo de polaridade magnética em 1959. À medida que acumulavam dados, eles continuaram a refinar essa escala em competição com Don Tarling e Ian McDougall na Australian National University . Um grupo liderado por Neil Opdyke no Observatório Terrestre Lamont-Doherty mostrou que o mesmo padrão de reversões foi registrado em sedimentos de núcleos de águas profundas.

Durante as décadas de 1950 e 1960, informações sobre variações no campo magnético da Terra foram coletadas em grande parte por meio de navios de pesquisa, mas as rotas complexas de cruzeiros oceânicos dificultaram a associação de dados de navegação com leituras de magnetômetro . Somente quando os dados foram plotados em um mapa, tornou-se aparente que faixas magnéticas notavelmente regulares e contínuas apareceram no fundo do oceano.

Em 1963, Frederick Vine e Drummond Matthews forneceram uma explicação simples, combinando a teoria de expansão do fundo do mar de Harry Hess com a escala de tempo conhecida de reversões: o novo fundo do mar é magnetizado na direção do campo atual. Assim, o fundo do mar se espalhando a partir de uma crista central produzirá pares de faixas magnéticas paralelas à crista. O canadense LW Morley propôs independentemente uma explicação semelhante em janeiro de 1963, mas seu trabalho foi rejeitado pelas revistas científicas Nature e Journal of Geophysical Research , e permaneceu inédito até 1967, quando apareceu na revista literária Saturday Review . A hipótese de Morley-Vine-Matthews foi o primeiro teste científico chave da teoria da deriva continental de espalhamento do fundo do mar.

Começando em 1966, os cientistas do Observatório Geológico Lamont-Doherty descobriram que os perfis magnéticos ao longo da crista Pacífico-Antártica eram simétricos e correspondiam ao padrão da crista Reykjanes do Atlântico Norte . As mesmas anomalias magnéticas foram encontradas na maioria dos oceanos do mundo, o que permitiu estimativas de quando a maior parte da crosta oceânica se desenvolveu.

Observando campos anteriores

Polaridade geomagnética desde o Jurássico médio . As áreas escuras denotam os períodos em que a polaridade corresponde à polaridade de hoje, enquanto as áreas claras denotam os períodos em que essa polaridade é invertida. O supercrônico normal do Cretáceo é visível como uma faixa preta ampla e ininterrupta próxima ao meio da imagem.

As reversões de campo anteriores podem ser e foram registradas nos minerais ferromagnéticos "congelados" (ou, mais precisamente, ferrimagnéticos ) de depósitos sedimentares consolidados ou fluxos vulcânicos resfriados na terra.

O registro anterior de reversões geomagnéticas foi notado pela primeira vez observando as "anomalias" da faixa magnética no fundo do oceano . Lawrence W. Morley , Frederick John Vine e Drummond Hoyle Matthews fizeram a conexão com a propagação do fundo do mar na hipótese de Morley-Vine-Matthews que logo levou ao desenvolvimento da teoria das placas tectônicas . A taxa relativamente constante na qual o fundo do mar se espalha resulta em "faixas" de substrato a partir das quais a polaridade do campo magnético anterior pode ser inferida a partir dos dados coletados do reboque de um magnetômetro ao longo do fundo do mar.

Como nenhum fundo oceânico não-subterrâneo existente (ou fundo marinho empurrado para as placas continentais ) tem mais de cerca de 180 milhões de anos ( Ma ), outros métodos são necessários para detectar reversões mais antigas. A maioria das rochas sedimentares incorpora pequenas quantidades de minerais ricos em ferro , cuja orientação é influenciada pelo campo magnético ambiente no momento em que se formaram. Essas rochas podem preservar um registro do campo se não for posteriormente apagado por alterações químicas, físicas ou biológicas .

Como o campo magnético é globalmente consistente, padrões semelhantes de variações magnéticas em diferentes locais podem ser usados ​​para correlacionar a idade em diferentes locais. Nas últimas quatro décadas, muitos dados paleomagnéticos sobre as idades do fundo do mar (até ~ 250 Ma ) foram coletados e são úteis para estimar a idade de seções geológicas. Não é um método de datação independente, depende de métodos "absolutos" de datação por idade, como sistemas radioisotópicos, para derivar idades numéricas. Tornou-se especialmente útil para geólogos metamórficos e ígneos, onde fósseis de índice raramente estão disponíveis.

Escala de tempo de polaridade geomagnética

Por meio da análise de anomalias magnéticas do fundo do mar e da datação de sequências de reversão em terra, os paleomagnetistas têm desenvolvido uma escala de tempo de polaridade geomagnética (GPTS). A escala de tempo atual contém 184 intervalos de polaridade nos últimos 83  milhões de anos (e, portanto, 183 reversões).

Mudança de frequência ao longo do tempo

A taxa de reversões no campo magnético da Terra tem variado amplamente ao longo do tempo. 72 milhões de anos atrás (Ma) , o campo inverteu 5 vezes em um milhão de anos. Em um período de 4 milhões de anos centrado em 54 Ma , houve 10 reversões; por volta de 42 Ma , 17 reversões ocorreram em um período de 3  milhões de anos. Em um período de 3  milhões de anos centrado em 24 Ma , ocorreram 13 reversões. Nada menos que 51 reversões ocorreram em um período de 12 milhões de anos, centralizando-se em 15  milhões de anos atrás . Duas reversões ocorreram durante um período de 50.000 anos. Essas eras de reversões frequentes foram contrabalançadas por alguns "supercrons" - longos períodos em que nenhuma reversão ocorreu.

Supercrons

Um supercron é um intervalo de polaridade com duração de pelo menos 10  milhões de anos. Existem dois supercrons bem estabelecidos, o Cretáceo Normal e o Kiaman. Um terceiro candidato, o Moyero, é mais polêmico. A Jurassic Quiet Zone em anomalias magnéticas oceânicas já foi pensada para representar um supercron, mas agora é atribuída a outras causas.

O Cretáceo Normal (também chamado de Supercrônico Cretáceo ou C34) durou quase 40  milhões de anos, de cerca de 120 a 83 milhões de anos atrás , incluindo estágios do período Cretáceo do Aptiano ao Santoniano . A frequência de reversões magnéticas diminuiu constantemente antes do período, atingindo seu ponto baixo (sem reversões) durante o período. Entre o Cretáceo Normal e o presente, a frequência geralmente aumenta lentamente.

O Kiaman Reverse Superchron durou aproximadamente do final do Carbonífero ao final do Permiano , ou por mais de 50  milhões de anos, de cerca de 312 a 262 milhões de anos atrás . O campo magnético inverteu a polaridade. O nome "Kiaman" deriva da aldeia australiana de Kiama , onde algumas das primeiras evidências geológicas do supercron foram encontradas em 1925.

O Ordoviciano é suspeito de ter hospedado em outro Superchron, chamado de Moyero reverso Superchron , com duração de mais de 20  milhões de anos (485 a 463  milhões de anos atrás). Até agora, este possível supercron só foi encontrado na seção do rio Moyero ao norte do círculo polar na Sibéria. Além disso, os melhores dados de outras partes do mundo não mostram evidências para este supercron.

Certas regiões do fundo do oceano, com mais de 160 Ma , têm anomalias magnéticas de baixa amplitude que são difíceis de interpretar. Eles são encontrados na costa leste da América do Norte, na costa noroeste da África e no oeste do Pacífico. Antigamente, pensava-se que representavam um supercrônico chamado Zona Silenciosa do Jurássico , mas anomalias magnéticas foram encontradas em terra durante este período. O campo geomagnético é conhecido por ter baixa intensidade entre cerca de 130 Ma e 170 Ma , e essas seções do fundo do oceano são especialmente profundas, fazendo com que o sinal geomagnético seja atenuado entre o fundo do mar e a superfície.

Propriedades estatísticas de reversões

Vários estudos analisaram as propriedades estatísticas das reversões na esperança de aprender algo sobre seu mecanismo subjacente. O poder de discriminação dos testes estatísticos é limitado pelo pequeno número de intervalos de polaridade. No entanto, algumas características gerais estão bem estabelecidas. Em particular, o padrão de reversões é aleatório. Não há correlação entre os comprimentos dos intervalos de polaridade. Não há preferência por polaridade normal ou invertida e nenhuma diferença estatística entre as distribuições dessas polaridades. Essa falta de preconceito também é uma previsão robusta da teoria do dínamo .

Não há taxa de reversões, pois são estatisticamente aleatórias. A aleatoriedade das reversões é inconsistente com a periodicidade, mas vários autores afirmam encontrar a periodicidade. No entanto, esses resultados são provavelmente artefatos de uma análise usando janelas deslizantes para tentar determinar as taxas de reversão.

A maioria dos modelos estatísticos de reversões os analisou em termos de um processo de Poisson ou outros tipos de processo de renovação . Um processo de Poisson teria, em média, uma taxa de reversão constante, então é comum usar um processo de Poisson não estacionário. No entanto, em comparação com um processo de Poisson, há uma probabilidade reduzida de reversão por dezenas de milhares de anos após uma reversão. Isso pode ser devido a uma inibição no mecanismo subjacente, ou pode apenas significar que alguns intervalos de polaridade mais curtos foram perdidos. Um padrão de reversão aleatória com inibição pode ser representado por um processo gama . Em 2006, uma equipe de físicos da Universidade da Calábria descobriu que as reversões também obedecem a uma distribuição de Lévy , que descreve processos estocásticos com correlações de longo alcance entre eventos no tempo. Os dados também são consistentes com um processo determinístico, mas caótico.

Caráter das transições

Duração

A maioria das estimativas para a duração de uma transição de polaridade é entre 1.000 e 10.000 anos, mas algumas estimativas são tão rápidas quanto uma vida humana. Estudos de fluxos de lava de 16,7 milhões de anos em Steens Mountain , Oregon, indicam que o campo magnético da Terra é capaz de mudar a uma taxa de até 6 graus por dia. Isso foi inicialmente recebido com ceticismo por parte dos paleomagnetistas. Mesmo que as mudanças ocorram tão rapidamente no núcleo, acredita-se que o manto, que é um semicondutor , remova as variações com períodos inferiores a alguns meses. Uma variedade de possíveis mecanismos magnéticos de rocha foram propostos que levariam a um sinal falso. No entanto, estudos paleomagnéticos de outras seções da mesma região (os basaltos de inundação do Planalto de Oregon) fornecem resultados consistentes. Parece que a transição de polaridade reversa para normal que marca o fim do Chron C5Cr ( 16,7  milhões de anos atrás ) contém uma série de reversões e excursões. Além disso, os geólogos Scott Bogue do Occidental College e Jonathan Glen do US Geological Survey, amostrando fluxos de lava em Battle Mountain, Nevada , encontraram evidências de um breve intervalo de vários anos durante uma reversão quando a direção do campo mudou em mais de 50 graus. A reversão foi datada de aproximadamente 15  milhões de anos atrás. Em agosto de 2018, os pesquisadores relataram uma reversão que durou apenas 200 anos. Mas um artigo de 2019 estimou que a reversão mais recente, 780.000 anos atrás, durou 22.000 anos.

Campo magnético

O campo magnético não desaparecerá completamente, mas muitos pólos podem se formar caoticamente em locais diferentes durante a reversão, até que se estabilize novamente.

Causas

Simulação de computador da NASA usando o modelo de Glatzmaier e Roberts. Os tubos representam as linhas do campo magnético , azuis quando o campo aponta para o centro e amarelas quando longe. O eixo de rotação da Terra é centrado e vertical. Os densos aglomerados de linhas estão dentro do núcleo da Terra.

O campo magnético da Terra, e de outros planetas que possuem campos magnéticos, é gerado pela ação do dínamo, na qual a convecção do ferro fundido no núcleo planetário gera correntes elétricas que, por sua vez, dão origem a campos magnéticos. Em simulações de dínamos planetários, as reversões costumam surgir espontaneamente da dinâmica subjacente. Por exemplo, Gary Glatzmaier e o colaborador Paul Roberts, da UCLA, executaram um modelo numérico do acoplamento entre o eletromagnetismo e a dinâmica dos fluidos no interior da Terra. Sua simulação reproduziu as principais características do campo magnético ao longo de mais de 40.000 anos de tempo simulado e o campo gerado por computador se inverteu. Reversões de campo global em intervalos irregulares também foram observadas no experimento de metal líquido de laboratório "VKS2".

Em algumas simulações, isso leva a uma instabilidade na qual o campo magnético muda espontaneamente para a orientação oposta. Este cenário é apoiado por observações do campo magnético solar , que sofre reversões espontâneas a cada 9-12 anos. No entanto, com o Sol, observa-se que a intensidade magnética solar aumenta muito durante uma reversão, enquanto as reversões na Terra parecem ocorrer durante períodos de baixa intensidade de campo.

Gatilhos hipotetizados

Alguns cientistas, como Richard A. Muller , pensam que as reversões geomagnéticas não são processos espontâneos, mas sim desencadeados por eventos externos que interrompem diretamente o fluxo no núcleo da Terra. As propostas incluem eventos de impacto ou eventos internos, como a chegada de lajes continentais carregadas para o manto pela ação de placas tectônicas em zonas de subducção ou o início de novas plumas de manto a partir do limite núcleo-manto . Os defensores desta hipótese sustentam que qualquer um desses eventos poderia levar a uma ruptura em grande escala do dínamo, desligando efetivamente o campo geomagnético. Como o campo magnético é estável na orientação norte-sul atual ou em uma orientação invertida, eles propõem que, quando o campo se recupera de tal interrupção, ele espontaneamente escolhe um estado ou outro, de modo que metade das recuperações se tornem reversas. No entanto, o mecanismo proposto não parece funcionar em um modelo quantitativo, e as evidências da estratigrafia para uma correlação entre reversões e eventos de impacto são fracas. Não há evidências de uma reversão conectada com o evento de impacto que causou o evento de extinção Cretáceo-Paleógeno .

Efeitos na biosfera

Logo depois que as primeiras escalas de tempo da polaridade geomagnética foram produzidas, os cientistas começaram a explorar a possibilidade de que reversões pudessem estar ligadas a extinções . A maioria dessas propostas baseia-se na suposição de que o campo magnético da Terra seria muito mais fraco durante as reversões. Possivelmente, a primeira hipótese era que partículas de alta energia presas no cinturão de radiação de Van Allen poderiam ser liberadas e bombardear a Terra. Cálculos detalhados confirmam que se o campo dipolo da Terra desaparecesse inteiramente (deixando o quadrupolo e os componentes superiores), a maior parte da atmosfera se tornaria acessível a partículas de alta energia, mas atuaria como uma barreira para elas, e as colisões de raios cósmicos produziriam radiação secundária de berílio-10 ou cloro-36 . Um estudo alemão de 2012 de núcleos de gelo da Groenlândia mostrou um pico de berílio-10 durante uma breve reversão completa 41.000 anos atrás, o que levou a força do campo magnético caindo para cerca de 5% do normal durante a reversão. Há evidências de que isso ocorre durante a variação secular e durante as reversões.

Outra hipótese de McCormac e Evans assume que o campo da Terra desaparece inteiramente durante as reversões. Eles argumentam que a atmosfera de Marte pode ter sido erodida pelo vento solar porque não tinha campo magnético para protegê-la. Eles preveem que os íons seriam removidos da atmosfera da Terra acima de 100 km. No entanto, as medições de paleointensidade mostram que o campo magnético não desapareceu durante as reversões. Com base nos dados de paleointensidade dos últimos 800.000 anos, a magnetopausa ainda é estimada em cerca de três raios terrestres durante a reversão Brunhes-Matuyama . Mesmo que o campo magnético interno tenha desaparecido, o vento solar pode induzir um campo magnético na ionosfera da Terra suficiente para proteger a superfície de partículas energéticas.

As hipóteses também avançaram no sentido de vincular as reversões às extinções em massa . Muitos desses argumentos foram baseados em uma aparente periodicidade na taxa de reversões, mas análises mais cuidadosas mostram que o registro de reversões não é periódico. Pode ser, no entanto, que as extremidades dos supercrons tenham causado convecção vigorosa, levando a um vulcanismo generalizado, e que as cinzas aerotransportadas subsequentes tenham causado extinções.

Os testes de correlação entre extinções e reversões são difíceis por uma série de razões. Animais maiores são muito raros no registro fóssil para boas estatísticas, então os paleontólogos analisaram extinções de microfósseis. Mesmo os dados de microfósseis podem não ser confiáveis ​​se houver hiatos no registro fóssil. Pode parecer que a extinção ocorre no final de um intervalo de polaridade quando o resto desse intervalo de polaridade foi simplesmente erodido. A análise estatística não mostra evidências de uma correlação entre reversões e extinções.

Veja também

• Lista de reversões geomagnéticas , incluindo idades.
• Anomalia magnética

Referências

Leitura adicional

links externos

• É verdade que o campo magnético da Terra está prestes a mudar? physics.org , acessado em 8 de janeiro de 2019