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Inversión geomagnética

Polaridad geomagnética durante los últimos 5 millones de años ( Plioceno y Cuaternario , Cenozoico tardío ). Las áreas oscuras indican períodos en los que la polaridad coincide ...

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Polaridad geomagnética durante los últimos 5 millones de años ( Plioceno y Cuaternario , Cenozoico tardío ). Las áreas oscuras indican períodos en los que la polaridad coincide con la polaridad normal actual; las áreas claras indican períodos en los que dicha polaridad se invierte.

Una inversión geomagnética es un cambio en el campo magnético dipolar de la Tierra que intercambia las posiciones del norte magnético y el sur magnético (que no debe confundirse con el norte geográfico y el sur geográfico ). El campo magnético terrestre ha alternado entre períodos de polaridad normal , en los que la dirección predominante del campo era la misma que la actual, y polaridad inversa , en los que era la opuesta. Estos períodos se denominan cronos .

Las reversiones parecen ser estadísticamente aleatorias. Se han producido al menos 183 reversiones en los últimos 83 millones de años (es decir, en promedio, una vez cada ~450 000 años). La más reciente, la reversión de Brunhes-Matuyama , ocurrió hace 780 000 años [ 1 ] , con estimaciones muy variables sobre su rapidez. Algunas fuentes estiman que las cuatro reversiones más recientes tardaron en promedio 7 000 años en producirse [ 2 ] . Clement (2004) sugiere que esta duración depende de la latitud, siendo más corta en latitudes bajas y más larga en latitudes medias y altas [ 2 ] . Otros estiman que la duración de las reversiones completas varía entre 2 000 y 12 000 años [ 3 ] , aunque algunas pueden durar hasta 70 000 años [ 4 ] .

También se han producido episodios en los que el campo se invirtió durante solo unos pocos cientos de años (como la excursión de Laschamp [ 5 ] ). Estos eventos se clasifican como excursiones en lugar de inversiones geomagnéticas completas. Los cronos de polaridad estable suelen mostrar excursiones direccionales grandes y rápidas, que ocurren con más frecuencia que las inversiones y podrían considerarse inversiones fallidas. Durante una excursión de este tipo, el campo se invierte en el núcleo externo líquido , pero no en el núcleo interno sólido . La difusión en el núcleo externo se produce en escalas de tiempo de 500 años o menos, mientras que la del núcleo interno es más larga, alrededor de 3000 años. [ 6 ]

Historia

A principios del siglo XX, geólogos como Bernard Brunhes observaron por primera vez que algunas rocas volcánicas estaban magnetizadas en dirección opuesta al campo magnético terrestre local. La primera evidencia sistemática y la primera estimación de la escala temporal de las inversiones magnéticas fueron realizadas por Motonori Matuyama a finales de la década de 1920; observó que todas las rocas con campos invertidos eran del Pleistoceno temprano o anteriores. En aquel entonces, la polaridad de la Tierra era poco conocida y la posibilidad de inversión despertaba escaso interés. [ 7 ] [ 8 ]

Tres décadas después, cuando se comprendió mejor el campo magnético terrestre , se propusieron teorías que sugerían que este podría haberse invertido en el pasado remoto. La mayor parte de la investigación paleomagnética a finales de la década de 1950 incluyó el estudio del desplazamiento de los polos y la deriva continental . Si bien se descubrió que algunas rocas invertían su campo magnético al enfriarse, se hizo evidente que la mayoría de las rocas volcánicas magnetizadas conservaban rastros del campo magnético terrestre en el momento en que se habían enfriado por debajo de la temperatura de Curie . Ante la ausencia de métodos fiables para obtener edades absolutas de las rocas, se creía que las inversiones ocurrían aproximadamente cada millón de años. [ 7 ] [ 8 ]

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 los Estados Unidos , querían saber si las inversiones ocurrían a intervalos regulares e invitaron al geocronólogo Brent Dalrymple a unirse a su grupo. En 1959, elaboraron la primera escala de tiempo de polaridad magnética. A medida que acumulaban datos, continuaron perfeccionando esta escala en competencia con Don Tarling e Ian McDougall, de la Universidad Nacional de Australia . Un grupo liderado por Neil Opdyke, del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty, demostró que el mismo patrón de inversiones se registraba en sedimentos de núcleos de aguas profundas. [ 8 ]

Durante las décadas de 1950 y 1960, la información sobre las variaciones del campo magnético terrestre se recopiló principalmente mediante buques de investigación, pero las complejas rutas de las expediciones oceánicas dificultaron la correlación de los datos de navegación con las lecturas del magnetómetro . Solo al representar los datos en un mapa se hizo evidente la aparición de franjas magnéticas notablemente regulares y continuas en el fondo oceánico. [ 7 ] [ 8 ]

En 1963, Frederick Vine y Drummond Matthews proporcionaron una explicación sencilla combinando la teoría de la expansión del fondo marino de Harry Hess con la escala temporal conocida de las inversiones: la roca del fondo marino se magnetiza en la dirección del campo cuando se forma. Por lo tanto, la expansión del fondo marino desde una dorsal central producirá pares de franjas magnéticas paralelas a la dorsal. [ 9 ] 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 . [ 7 ] La hipótesis de Morley-Vine-Matthews fue la primera prueba científica clave de la teoría de la expansión del fondo marino de la deriva continental. [ 8 ]

Las inversiones de campo magnético pasadas se registran en los minerales ferrimagnéticos solidificados de depósitos sedimentarios consolidados o flujos volcánicos enfriados en tierra. A partir de 1966, los científicos del Observatorio Geológico Lamont-Doherty descubrieron que los perfiles magnéticos a lo largo de la Dorsal Pacífico-Antártica eran simétricos y coincidían con el patrón de la dorsal de Reykjanes en el Atlántico Norte . Se encontraron las mismas anomalías magnéticas en la mayor parte de los océanos del mundo, lo que permitió estimar cuándo se desarrolló la mayor parte de la corteza oceánica . [ 7 ] [ 8 ]

Observando campos pasados

Polaridad geomagnética desde mediados del Jurásico . Las áreas oscuras indican periodos en los que la polaridad coincide con la actual, mientras que las áreas claras indican periodos en los que se invierte. El supercron Normal del Cretácico se observa como una banda negra ancha e ininterrumpida cerca del centro de la imagen.

Dado que ningún fondo marino existente sin subducción (o fondo marino empujado sobre placas continentales ) tiene más de unos 180 millones de años ( Ma ), se necesitan otros métodos para detectar inversiones más antiguas. La mayoría de las rocas sedimentarias incorporan cantidades ínfimas de minerales ricos en hierro , cuya orientación está influenciada por el campo magnético ambiental en el momento de su formación. Estas rocas pueden conservar un registro del campo si este no se borra posteriormente por cambios químicos, físicos o biológicos .

Dado que el campo magnético terrestre es un fenómeno global, patrones similares de variaciones magnéticas en diferentes lugares pueden utilizarse para calcular la edad en distintas ubicaciones. Los datos paleomagnéticos de las últimas cuatro décadas sobre la edad del fondo marino (hasta ~ 250 Ma ) han sido útiles para estimar la edad de secciones geológicas en otros lugares. Si bien no es un método de datación independiente, depende de métodos de datación de edad "absoluta", como los sistemas radioisotópicos, para obtener edades numéricas. Ha resultado especialmente útil al estudiar formaciones de rocas metamórficas e ígneas , donde los fósiles guía son escasos.

Escala temporal de polaridad geomagnética

Mediante el análisis de anomalías magnéticas en el fondo marino y la datación de secuencias de inversión en tierra, los paleomagnetistas han desarrollado una Escala de Tiempo de Polaridad Geomagnética . La escala actual contiene 184 intervalos de polaridad en los últimos 83  millones de años (y, por lo tanto, 183 inversiones). [ 10 ] [ 11 ]

Frecuencia variable a lo largo del tiempo

La frecuencia de las inversiones del campo magnético terrestre ha variado considerablemente a lo largo del tiempo. Alrededor de los 72 Ma , el campo se invirtió 5 veces en un millón de años. En un período de 4 millones de años centrado en los 54 Ma , se produjeron 10 inversiones; alrededor de los 42 Ma , tuvieron lugar 17 inversiones en el lapso de 3  millones de años. En un período de 3  millones de años centrado en los 24 Ma , se produjeron 13 inversiones. No menos de 51 inversiones ocurrieron en un período de 12 millones de años, centrado en los 15 Ma . Dos inversiones ocurrieron durante un lapso de 50 000 años. Estas eras de inversiones frecuentes se han visto contrarrestadas por algunos «supercronos»: largos períodos en los que no se produjeron inversiones. [ 12 ]

Supercronos

Un supercron es un intervalo de polaridad que dura al menos 10  millones de años. Existen dos supercron bien establecidos: el Supercron Normal del Cretácico [ 13 ] y el Supercron de Kiaman [ 14 ] . Un tercer candidato, el Supercron de Moyero [ 15 ] , es más controvertido. La Zona de Silencio del Jurásico en las anomalías magnéticas oceánicas se consideró en su momento un supercron, pero ahora se atribuye a otras causas.

El Supercron Normal Cretácico (también llamado Supercron Cretácico o C34) duró 37  millones de años, desde hace aproximadamente 120  hasta hace  83 millones de años , incluyendo etapas del período Cretácico desde el Aptiense hasta el Santoniense . La frecuencia de las inversiones magnéticas disminuyó progresivamente antes de este período, alcanzando su punto más bajo (sin inversiones) durante el mismo. Entre el Supercron Normal Cretácico y la actualidad, la frecuencia ha aumentado generalmente de forma lenta. [ 16 ]

El supercron inverso de Kiaman duró aproximadamente desde finales del Carbonífero hasta finales del Pérmico , o durante más de 50  millones de años, desde hace unos 312  hasta  262 millones de años . [ 16 ] El campo magnético tenía polaridad invertida. El nombre "Kiaman" deriva de la ciudad australiana de Kiama , donde se encontraron algunas de las primeras evidencias geológicas del supercron en 1925. [ 17 ]

Se sospecha que el Ordovícico albergó otro supercron, llamado Supercron Inverso de Moyero , que duró más de 20  millones de años (  hace 485 a 463 millones de años). Hasta ahora, este posible supercron solo se ha encontrado en la sección del río Moyero al norte del círculo polar en Siberia. [ 18 ] Además, los mejores datos de otras partes del mundo no muestran evidencia de este supercron. [ 19 ] Ciertas regiones del fondo oceánico, más antiguas que 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. En un momento se pensó que representaban un supercron llamado Zona Tranquila Jurásica , pero se encuentran anomalías magnéticas en tierra durante este período. Se sabe que el campo geomagnético tiene baja intensidad entre aproximadamente 130 Ma y 170 Ma , y estas secciones del fondo oceánico son especialmente profundas, lo que provoca que la señal geomagnética se atenúe entre el lecho marino y la superficie. [ 19 ]

Propiedades estadísticas

Diversos estudios han analizado las propiedades estadísticas de las inversiones con la esperanza de comprender su mecanismo subyacente. El poder discriminatorio de las pruebas estadísticas se ve limitado por el reducido número de intervalos de polaridad. No obstante, algunas características generales están bien establecidas. En particular, el patrón de inversiones es aleatorio. No existe correlación entre la longitud de los intervalos de polaridad. [ 20 ] No hay preferencia por la polaridad normal ni por la invertida, ni diferencia estadística entre las distribuciones de estas polaridades. Esta falta de sesgo es también una predicción sólida de la teoría de la dinamo . [ 16 ]

No existe una tasa de reversiones, ya que son estadísticamente aleatorias. La aleatoriedad de las reversiones es incompatible con la periodicidad, pero varios autores han afirmado encontrarla. [ 21 ] Sin embargo, estos resultados probablemente sean artefactos de un análisis que utiliza ventanas deslizantes para intentar determinar las tasas de reversión. [ 22 ]

La mayoría de los modelos estadísticos de reversiones las 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 reversión constante, por lo que es común usar un proceso de Poisson no estacionario. Sin embargo, en comparación con un proceso de Poisson, hay 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 podría simplemente significar que se han omitido algunos intervalos de polaridad más cortos. [ 16 ] Un patrón de reversión aleatorio con inhibición puede representarse mediante un proceso gamma . En 2006, un equipo de físicos de la Universidad de Calabria descubrió que las reversiones también se ajustan a una distribución de Lévy , que describe procesos estocásticos con correlaciones de largo alcance entre eventos en el tiempo. [ 23 ] [ 24 ] Los datos también son consistentes con un proceso determinista, pero caótico. [ 25 ]

Carácter de las transiciones

Duración

La mayoría de las estimaciones sobre la duración de una transición de polaridad se sitúan entre 1.000 y 10.000 años, [ 16 ] pero algunas estimaciones son tan rápidas como una vida humana. [ 26 ] Durante una transición, el campo magnético no desaparecerá por completo, sino que muchos polos podrían formarse caóticamente en diferentes lugares durante la inversión, hasta que se estabilice de nuevo. [ 27 ] [ 28 ]

Estudios de flujos de lava de 16,7 millones de años en Steens Mountain , Oregón, indican que el campo magnético de la Tierra es capaz de cambiar a una velocidad de hasta 6 grados por día. [ 29 ] 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 menores a unos pocos meses. Se propusieron varios mecanismos magnéticos de rocas posibles que llevarían a una señal falsa. [ 30 ] Dicho esto, los estudios paleomagnéticos de otras secciones de la misma región (los basaltos de inundación de la Meseta de Oregón ) dan resultados consistentes. [ 31 ] [ 32 ] Parece que la transición de polaridad invertida a normal que marca el final del Cron C5Cr ( hace 16,7  millones de años ) contiene una serie de inversiones y excursiones. [ 33 ] Además, los geólogos Scott Bogue del Occidental College y Jonathan Glen del Servicio Geológico de los Estados Unidos, al muestrear flujos de lava en Battle Mountain, Nevada , encontraron evidencia de un breve intervalo de varios años durante una inversión en la que la dirección del campo cambió en más de 50 grados. La inversión se dató en aproximadamente 15  millones de años atrás. [ 34 ] [ 35 ] En 2018, los investigadores informaron de una inversión que duró solo 200 años. [ 36 ] Un artículo de 2019 estima que la inversión más reciente, hace 780 000 años, duró 22 000 años. [ 37 ] [ 38 ]

Causas

Simulación por computadora de la NASA utilizando el modelo de Glatzmaier y Roberts. [ 39 ] Los tubos representan líneas de campo magnético , azules cuando el campo apunta hacia el centro y amarillas cuando se aleja. El eje de rotación de la Tierra está centrado y es vertical. Los densos grupos de líneas se encuentran dentro del núcleo de la Tierra. [ 28 ]

El campo magnético de la Tierra, y de otros planetas que poseen campos magnéticos, se genera mediante la acción de una dinamo, en la cual la convección de hierro fundido en el núcleo planetario genera corrientes eléctricas que, a su vez, dan lugar a campos magnéticos. [ 16 ] En simulaciones de dinamos planetarias, las inversiones suelen surgir espontáneamente de la dinámica subyacente. Por ejemplo, Gary Glatzmaier y su colaborador Paul Roberts de la UCLA ejecutaron un modelo numérico del acoplamiento entre el electromagnetismo y la 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. [ 39 ] [ 40 ] También se han observado inversiones globales del campo a intervalos irregulares en el experimento de laboratorio con metal líquido "VKS2". [ 41 ]

En algunas simulaciones, esto conduce a una inestabilidad en la que el campo magnético se invierte espontáneamente a la orientación opuesta. Este escenario está respaldado por observaciones del campo magnético solar , que experimenta inversiones espontáneas cada 9 a 12 años. En el caso del Sol, se observa que la intensidad del campo magnético solar aumenta considerablemente durante una inversión, mientras que en la Tierra las inversiones parecen ocurrir durante períodos de baja intensidad de campo. [ 42 ]

Algunos científicos, como Richard A. Muller , creen que las inversiones geomagnéticas no son procesos espontáneos, sino que se desencadenan por eventos externos que perturban directamente el flujo en el núcleo terrestre. Entre las propuestas se incluyen impactos [ 43 ] [ 44 ] o eventos internos como la llegada de placas continentales arrastradas hacia el manto por la acción de la tectónica de placas en zonas de subducción o la formación de nuevas plumas del manto desde el límite núcleo-manto . [ 45 ] Los defensores de esta hipótesis sostienen que cualquiera de estos eventos podría provocar una perturbación a gran escala de la dinamo, desactivando efectivamente el campo geomagnético. Dado que el campo magnético es estable tanto en la orientación norte-sur actual como en una orientación invertida, proponen que cuando el campo se recupera de dicha perturbación, elige espontáneamente un estado u otro, de modo que la mitad de las recuperaciones se convierten en inversiones. Este mecanismo propuesto no parece funcionar en un modelo cuantitativo, y la evidencia estratigráfica de una correlación entre las inversiones y los impactos es débil. No hay evidencia de una reversión relacionada con el evento de impacto que causó el evento de extinción del Cretácico-Paleógeno . [ 46 ]

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 inversiones pudieran estar vinculadas a eventos de extinción . [ 21 ] Muchos de estos argumentos se basaban en una periodicidad aparente en la tasa de inversiones, pero análisis más cuidadosos muestran que el registro de inversiones no es periódico. [ 22 ] Puede ser que los finales de los supercronos hayan causado una convección vigorosa que condujo a un vulcanismo generalizado, y que la ceniza en suspensión en el aire causó extinciones. [ 47 ] Las pruebas de correlaciones entre extinciones e inversiones son difíciles por varias razones. Los animales más grandes son demasiado escasos en el registro fósil para obtener buenas estadísticas, por lo que los paleontólogos han analizado extinciones de microfósiles. Incluso los datos de microfósiles pueden ser poco fiables si hay hiatos 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. [ 30 ] El análisis estadístico no muestra evidencia de una correlación entre reversiones y extinciones. [ 48 ] [ 49 ]

La mayoría de las propuestas que vinculan las inversiones con eventos de extinción asumen 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. [ 49 ] [ 50 ] Cálculos detallados confirman que si el campo dipolar de la Tierra desapareciera por completo (dejando el cuadrupolo y componentes superiores), la mayor parte de la atmósfera se volvería accesible a partículas de alta energía pero actuaría como una barrera para ellas, y las colisiones de rayos cósmicos producirían radiación secundaria de berilio-10 o cloro-36 . Un estudio alemán de 2012 de núcleos de hielo de Groenlandia mostró un pico de berilio-10 durante una breve inversión completa hace 41 000 años , lo que llevó a que la fuerza del campo magnético cayera a un estimado del 5 % de lo normal durante la inversión. [ 51 ] Hay evidencia de que esto ocurre tanto durante la variación secular [ 52 ] [ 53 ] como durante las reversiones. [ 54 ] [ 55 ]

Una hipótesis de McCormac y Evans supone que el campo magnético terrestre desaparece por completo durante las inversiones. [ 56 ] Argumentan que la atmósfera de Marte podría haber sido erosionada por el viento solar debido a la falta de un campo magnético que la protegiera. Predicen que los iones se desprenderían de la atmósfera terrestre por encima de los 100  km. Las mediciones de paleointensidad muestran que el campo magnético no ha desaparecido durante las inversiones. Basándose en datos de paleointensidad de los últimos 800 000 años, [ 57 ] se estima que la magnetopausa se encontraba a unos tres radios terrestres durante la inversión Brunhes-Matuyama. [ 49 ] Incluso si el campo magnético interno desapareciera, el viento solar puede inducir un campo magnético en la ionosfera terrestre suficiente para proteger la superficie de partículas energéticas. [ 58 ]

Véase también

Referencias

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