Hvad der er magnetisk nord ville blive magnetisk syd. Er Jorden på vej mod en polvending? Et kig på den arkæologiske fortegnelse i det sydlige Afrika giver spor.
Billede via NASA.
Af John Tarduno, University of Rochester og Vincent Hare, University of Rochester
Jorden er tæppet af et magnetfelt. Det er det, der får kompasserne til at pege mod nord og beskytter vores atmosfære mod kontinuerlig bombardement fra rummet af ladede partikler som protoner. Uden et magnetfelt ville vores atmosfære langsomt blive fjernet af skadelig stråling, og livet ville næsten helt sikkert ikke eksistere som i dag.
Du kan forestille dig, at magnetfeltet er et tidløst, konstant aspekt af livet på Jorden, og til en vis grad ville du have ret. Men Jordens magnetfelt ændrer sig faktisk. Af og til - i størrelsesordenen flere hundrede tusinde år eller deromkring - er magnetfeltet vendt. Nord har peget mod syd, og vice versa. Og når marken vipper, har den også en tendens til at blive meget svag.
Til venstre er Jordens magnetfelt, vi er vant til. Til højre en model af, hvad magnetfeltet kan være ved en vending. Billede via NASA / Gary Glazmaier
Hvad der i øjeblikket har geofysikere som os forvirrende, er erkendelsen af, at styrken af Jordens magnetfelt er faldende i de sidste 160 år i en alarmerende hastighed. Dette kollaps er centreret i en enorm vidde af den sydlige halvkugle, der strækker sig fra Zimbabwe til Chile, kendt som den sydatlantiske anomali. Magnetfeltstyrken er så svag der, at det er en fare for satellitter, der kredser over regionen - feltet beskytter dem ikke længere mod stråling, der forstyrrer satellitelektronik.
Og feltet fortsætter med at vokse svagere, og potentielt portende endnu mere dramatiske begivenheder, herunder en global vending af magnetpolerne. En sådan stor ændring ville påvirke vores navigationssystemer såvel som transmission af elektricitet. Nordlysets skue ser muligvis ud på forskellige breddegrader. Og fordi mere stråling ville nå Jordens overflade under meget lave feltstyrker under en global vending, kan det også påvirke kræftsatserne.
Vi forstår stadig ikke fuldt ud, hvad omfanget af disse effekter ville være, hvilket tilføjer vores presserende hastighed. Vi henvender os til nogle måske uventede datakilder, herunder 700 år gamle afrikanske arkæologiske optegnelser, for at pusle det ud.
Genesis af det geomagnetiske felt
Cutaway-billede af Jordens indre. Billede via Kelvinsong
Jordens magnetfelt oprettes ved at konvektionere jern i vores planetens flydende ydre kerne. Fra rigdommen af observations- og satellitdata, der dokumenterer magnetisk felt i nyere tid, kan vi modellere, hvordan feltet ville se ud, hvis vi havde et kompas lige over Jordens hvirvlende flydende jernkerne.
Disse analyser afslører et forbløffende træk: Der er en plet omvendt polaritet under det sydlige Afrika ved kerne-mantelgrænsen, hvor den ydre kerne af flydende jern møder den lidt stivere del af Jordens indre. I dette område er feltets polaritet modsat det gennemsnitlige globale magnetfelt. Hvis vi kunne bruge et kompas dybt under det sydlige Afrika, ville vi se, at nord i dette usædvanlige plaster faktisk peger mod syd.
Denne patch er den vigtigste skyldige, der skaber den sydatlantiske anomali. I numeriske simuleringer vises usædvanlige plaster, der ligner den under det sydlige Afrika, umiddelbart inden geomagnetiske vendinger.
Polerne er ofte vendt over planetens historie, men den sidste vending er i den fjerne fortid, for ca. 780.000 år siden. Det hurtige forfald af det nylige magnetfelt og dets forfaldsmønster rejser naturligvis spørgsmålet om, hvad der skete før de sidste 160 år.
Arkæomagnetisme fører os længere tilbage i tiden
I arkæomagnetiske undersøgelser samarbejder geofysikere med arkæologer for at lære om det magnetiske felt i fortiden. For eksempel indeholder ler, der bruges til at fremstille keramik, små mængder magnetiske mineraler, såsom magnetit. Når leret opvarmes til at fremstille en gryde, mister dets magnetiske mineraler enhver magnetisme, de måtte have haft. Efter afkøling registrerer magnetiske mineraler retningen og intensiteten af magnetfeltet på det tidspunkt. Hvis man kan bestemme pottenes alder, eller det arkæologiske sted, hvorfra den kom (ved hjælp af fx radiocarbon-datering), kan en arkæomagnetisk historie gendannes.
Ved hjælp af denne type data har vi en delvis historie med arkæomagnetisme for den nordlige halvkugle. I modsætning hertil er den arkæomagnetiske arkiv på den sydlige halvkugle ringe. Især har der næsten ikke været nogen data fra det sydlige Afrika - og det er regionen sammen med Sydamerika, der muligvis giver den mest indsigt i historien om den omvendte kerneplacering, der skaber dagens South Atlantic Anomaly.
Men forfædrene til dagens sydafrikanere, bantustalende metallurgister og landmænd, der begyndte at migrere ind i regionen for mellem 2.000 og 1.500 år siden, efterlod os utilsigtet nogle spor. Disse jernalderfolk boede i hytter bygget af ler og oplagrede deres korn i hærdede lerbeholdere. Som de første landbrugere i jernalderen i det sydlige Afrika var de stærkt afhængige af nedbør.
Kornkasser i den stil, der blev brugt århundreder siden. Billede via John Tarduno
Samfundene reagerede ofte på tørketider med renselsesritualer, der involverede afbrænding af mudderkorn. Denne noget tragiske række af begivenheder for disse mennesker var i sidste ende en velsignelse mange hundrede år senere for arkæomagnetisme. Ligesom i tilfælde af fyring og afkøling af en gryde, registrerede leret i disse strukturer Jordens magnetfelt, da de afkøledes. Fordi gulvene i disse gamle hytter og kornbeholdere undertiden kan findes intakte, kan vi prøve dem for at få en oversigt over både retningen og styrken i deres moderne magnetfelt. Hver etage er et lille magnetisk observatorium med sit kompas frosset i tiden umiddelbart efter afbrænding.
Med vores kolleger har vi fokuseret vores stikprøveudtagning på jernalderlandsbyområder, der prikker Limpopo-floddalen, der i dag er afgrænset af Zimbabwe mod nord, Botswana mod vest og Sydafrika mod syd.
Hvad der sker dybt inde i Jorden under Limpopo River Valley Image via John Tarduno
Magnetfelt i flux
Prøveudtagning ved Limpopo River Valley-placeringer har givet den første arkæomagnetiske historie for det sydlige Afrika mellem A.D. 1000 og 1600. Det, som vi fandt, afslører en periode i fortiden nær A.D. 1300, hvor marken i dette område faldt så hurtigt som det er i dag. Derefter steg intensiteten, omend med en meget langsommere hastighed.
Forekomsten af to intervaller med hurtigt feltfald - for 700 år siden og et i dag - antyder et tilbagevendende fænomen. Kunne den omvendte flux-lapp, der for tiden er under Sydafrika, skje regelmæssigt, længere tilbage i tiden, end vores poster har vist? I bekræftende fald, hvorfor skulle det forekomme igen på dette sted?
I løbet af det sidste årti har forskere akkumuleret billeder fra analyserne af jordskælvs seismiske bølger. Når seismiske forskydningsbølger bevæger sig gennem jordens lag, er hastigheden, hvormed de rejser, en indikation af lagets densitet. Nu ved vi, at et stort område med langsomme seismiske forskydningsbølger kendetegner kernemantelgrænsen under det sydlige Afrika.
Placering af den sydatlantiske anomali. Billede via Michael Osadicw / John Tarduno
Denne særlige region under det sydlige Afrika har den noget ordentlige titel på den afrikanske provins med stor lavhastighedshastighed. Mens mange vinder ved det beskrivende, men jargon-rige navn, er det en dyb funktion, der skal være titusinder af millioner år gammel. Mens tusinder af kilometer på tværs, er dens grænser skarpe. Interessant nok er den omvendte kerneflux-patch næsten sammenfaldende med sin østlige kant.
Det faktum, at den aktuelle vendte kerneplacering og kanten af den afrikanske Large Low Shear Velocity Province er fysisk så tæt, fik os til at tænke. Vi har fundet en model, der forbinder de to fænomener. Vi foreslår, at den usædvanlige afrikanske mantel ændrer strømmen af jern i kernen nedenunder, hvilket igen ændrer den måde, magnetfeltet opfører sig ved kanten af den seismiske provins, og fører til de omvendte fluxlapper.
Vi spekulerer i, at disse omvendte kernepatcher vokser hurtigt og derefter aftager langsommere. Lejlighedsvis kan en plaster vokse stor nok til at dominere magnetisk felt på den sydlige halvkugle - og polerne vendes om.
Den konventionelle idé om tilbageførsler er, at de kan starte hvor som helst i kernen. Vores konceptuelle model antyder, at der kan være specielle steder ved kerne-mantelgrænsen, der fremmer vending. Vi ved endnu ikke, om det aktuelle felt vil vende tilbage i de næste par tusinde år, eller blot fortsætte med at svække i løbet af de næste par århundreder.
Men ledetrådene fra forfædrene til moderne sydafrikanere vil utvivlsomt hjælpe os med at videreudvikle vores foreslåede mekanisme til vending. Hvis det er korrekt, kan polvending være "Uden for Afrika."
John Tarduno, professor i geofysik, University of Rochester og Vincent Hare, postdoktor i jord- og miljøvidenskab, University of Rochester
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.