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Inversión geomagnética

Polaridad geomagnética durante los últimos 5 millones de años ( Plioceno y Cuaternario , finales de la era Cenozoica ). 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 un planeta de modo que las posiciones del norte magnético y el sur magnético se intercambian (no debe confundirse con el norte geográfico y el sur geográfico ). El campo magnético de la Tierra ha alternado entre períodos de polaridad normal , en los que la dirección predominante del campo era la misma que la dirección actual, y de polaridad inversa , en la que era la opuesta. Estos períodos se denominan crones .

Las ocurrencias de reversiones son estadísticamente aleatorias. Ha habido al menos 183 reversiones en los últimos 83 millones de años (en promedio una vez cada ~450.000 años). La última, la reversión Brunhes-Matuyama , ocurrió hace 780.000 años [1] con estimaciones muy variables sobre la rapidez con la que ocurrió. Otras fuentes estiman que el tiempo que tarda una reversión en completarse es en promedio alrededor de 7.000 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] La duración de una reversión completa varía entre 2.000 y 12.000 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. Los crones de polaridad estable a menudo muestran excursiones direccionales grandes y rápidas, que ocurren con más frecuencia que las inversiones, y podrían verse como 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. [5]

Historia

A principios del siglo XX, geólogos como Bernard Brunhes fueron los primeros en observar que algunas rocas volcánicas estaban magnetizadas en dirección opuesta a la del campo magnético local de la Tierra. La primera evidencia sistemática y estimación a escala temporal de las inversiones magnéticas fue realizada por Motonori Matuyama a finales de la década de 1920; observó que las rocas con campos magnéticos invertidos eran todas del Pleistoceno temprano o más antiguas. En ese momento, la polaridad de la Tierra era poco comprendida y la posibilidad de inversión despertó poco interés. [6] [7]

Tres décadas después, cuando se comprendió mejor el campo magnético de la Tierra , se propusieron teorías que sugerían que el campo magnético de la Tierra podría haberse invertido en el pasado remoto. La mayoría de las investigaciones paleomagnéticas a finales de la década de 1950 incluyeron un examen de la deriva de los polos y de los continentes . Aunque 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 de la Tierra en el momento en que las rocas se habían enfriado. En ausencia de métodos fiables para obtener edades absolutas de las rocas, se pensó que las inversiones ocurrían aproximadamente cada millón de años. [6] [7]

El siguiente gran avance en la comprensión de las inversiones se produjo cuando las técnicas de datación radiométrica se mejoraron 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. 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 Australiana . Un grupo dirigido por Neil Opdyke en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty demostró que el mismo patrón de inversiones se registró en sedimentos de núcleos de aguas profundas. [7]

Durante los años 1950 y 1960, la información sobre las variaciones del campo magnético de la Tierra se recogía en gran medida mediante buques de investigación, pero las complejas rutas de los cruceros oceánicos dificultaban la asociación de los datos de navegación con las lecturas del magnetómetro . Sólo cuando se representaban los datos en un mapa se hacía 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 sencilla combinando la teoría de expansión del fondo marino de Harry Hess con la escala de tiempo 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. [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 expansión del fondo marino de la deriva continental. [7]

Las inversiones de campo del pasado se registran en los minerales ferromagnéticos solidificados de los depósitos sedimentarios consolidados o de los flujos volcánicos enfriados en tierra. A principios 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 del Atlántico norte . Se encontraron las mismas anomalías magnéticas en la mayoría de los océanos del mundo, lo que permitió realizar estimaciones de cuándo se había desarrollado la mayor parte de la corteza oceánica . [6] [7]

Observando campos pasados

Polaridad geomagnética desde el Jurásico medio . Las áreas oscuras indican períodos en los que la polaridad coincide con la actual, mientras que las áreas claras indican períodos en los que dicha polaridad se invierte. El supercrón normal del Cretácico es visible como la banda negra ancha e ininterrumpida cerca del centro de la imagen.

Dado que ningún fondo marino no subducido (o fondo marino empujado sobre placas continentales ) tiene más de 180 millones de años ( Ma ), se necesitan otros métodos para detectar inversiones más antiguas. La mayoría de las rocas sedimentarias incorporan cantidades minúsculas 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 posteriormente por un cambio químico, físico o biológico .

Debido a que el campo magnético de la Tierra es un fenómeno global, se pueden utilizar patrones similares de variaciones magnéticas en diferentes sitios para ayudar a calcular la edad en diferentes lugares. Las últimas cuatro décadas de datos paleomagnéticos sobre las edades 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 derivar edades numéricas. Se ha vuelto especialmente útil al estudiar formaciones rocosas metamórficas e ígneas 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 secuencias de inversión en tierra, los paleomagnetistas han estado desarrollando una Escala de Tiempo de Polaridad Geomagnética . La escala de tiempo actual contiene 184 intervalos de polaridad en los últimos 83  millones de años (y por lo tanto 183 inversiones). [9] [10]

Cambio de frecuencia a lo largo del tiempo

La tasa de inversiones en el campo magnético de la Tierra ha variado ampliamente a lo largo del tiempo. Alrededor de 72 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 inversiones; alrededor de 42 Ma , tuvieron lugar 17 inversiones en el lapso de 3  millones de años. En un período de 3  millones de años centrado en 24 Ma , ocurrieron 13 inversiones. No menos de 51 inversiones ocurrieron en un período de 12 millones de años, centrado en 15 Ma . Ocurrieron dos inversiones durante un lapso de 50.000 años. Estas eras de frecuentes inversiones han sido contrarrestadas por unos pocos "supercrones": largos períodos en los que no se produjeron inversiones. [11]

Supercrones

Un supercrón es un intervalo de polaridad que dura al menos 10  millones de años. Hay dos supercrones bien establecidos, el Cretácico Normal y el Kiaman. Un tercer candidato, el Moyero, es más controvertido. En un principio se pensó que la Zona Tranquila Jurásica en las anomalías magnéticas oceánicas representaba un supercrón, pero ahora se atribuye a otras causas.

El Cretácico Normal (también llamado Cretácico Superchron o C34) duró casi 40  millones de años, desde hace unos 120 a 83 millones de años , incluyendo etapas del período Cretácico desde el Aptiense hasta el Santoniano . La frecuencia de las inversiones magnéticas disminuyó de manera constante 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. [12]

El supercrón 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 a 262 millones de años . [12] El campo magnético había invertido su polaridad. El nombre "Kiaman" deriva de la ciudad australiana de Kiama , donde se encontró parte de la primera evidencia geológica del supercrón en 1925. [13]

Se sospecha que el Ordovícico albergó otro supercrón, llamado Supercrón Inverso de Moyero , 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. [14] Además, los mejores datos de otras partes del mundo no muestran evidencia de este supercrón. [15] Ciertas regiones del fondo oceánico, con 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 Tranquila Jurásica , pero se encuentran anomalías magnéticas en la 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 hace que la señal geomagnética se atenúe entre el lecho marino y la superficie. [15]

Propiedades estadísticas

Varios estudios han analizado las propiedades estadísticas de las inversiones con la esperanza de aprender algo sobre su mecanismo subyacente. El poder discriminatorio 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 inversiones es aleatorio. No hay correlación entre las longitudes de los intervalos de polaridad. [16] No hay preferencia por la polaridad normal o invertida, y no hay diferencia estadística entre las distribuciones de estas polaridades. Esta falta de sesgo también es una predicción sólida de la teoría del dinamo . [12]

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 haber encontrado periodicidad. [17] Sin embargo, estos resultados son probablemente artefactos de un análisis que utiliza ventanas deslizantes para intentar determinar las tasas de reversiones. [18]

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 utilizar 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 significar simplemente que se han pasado por alto algunos intervalos de polaridad más cortos. [12] 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. [19] [20] Los datos también son consistentes con un proceso determinista, pero caótico. [21]

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, [12] pero algunas estimaciones son tan breves como una vida humana. [22] Durante una transición, el campo magnético no desaparecerá por completo, pero muchos polos podrían formarse caóticamente en diferentes lugares durante la inversión, hasta que se estabilice nuevamente. [23] [24]

Los 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. [25] Esto fue recibido inicialmente con escepticismo por 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 inferiores a unos pocos meses. Se propuso una variedad de posibles mecanismos magnéticos de roca que conducirían a una señal falsa. [26] Dicho esto, los estudios paleomagnéticos de otras secciones de la misma región (los basaltos de inundación de la meseta de Oregón ) dan resultados consistentes. [27] [28] Parece que la transición de polaridad invertida a normal que marca el final de Chron C5Cr ( hace 16,7 millones de años ) contiene una serie de inversiones y excursiones. [29] Además, los geólogos Scott Bogue del Occidental College y Jonathan Glen del Servicio Geológico de Estados Unidos, al tomar muestras de los flujos de lava en Battle Mountain, Nevada , encontraron evidencia de un breve intervalo de varios años durante una inversión cuando la dirección del campo cambió en más de 50 grados. La inversión se fechó  hace aproximadamente 15 millones de años. [30] [31] En 2018, los investigadores informaron una inversión que duró solo 200 años. [32] Un artículo de 2019 estima que la inversión más reciente, hace 780.000 años, duró 22.000 años. [33] [34]

Causas

Simulación por computadora de la NASA usando el modelo de Glatzmaier y Roberts. [35] Los tubos representan líneas de campo magnético , azules cuando el campo apunta hacia el centro y amarillas cuando apunta hacia afuera. El eje de rotación de la Tierra está centrado y vertical. Los densos grupos de líneas están dentro del núcleo de la Tierra. [24]

El campo magnético de la Tierra, y de otros planetas que tienen campos magnéticos, es generado por la acción de una dinamo en la que la convección de hierro fundido en el núcleo planetario genera corrientes eléctricas que a su vez dan lugar a campos magnéticos. [12] En las simulaciones de dinamos planetarios, las inversiones suelen surgir espontáneamente de la dinámica subyacente. Por ejemplo, Gary Glatzmaier y su colaborador Paul Roberts de la UCLA realizaron 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 a lo largo de más de 40.000 años de tiempo simulado, y el campo generado por ordenador se invirtió a sí mismo. [35] [36] También se han observado inversiones de campo globales a intervalos irregulares en el experimento de laboratorio con metal líquido "VKS2". [37]

En algunas simulaciones, esto conduce a una inestabilidad en la que el campo magnético se invierte espontáneamente hacia 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 magnética solar aumenta considerablemente durante una inversión, mientras que las inversiones en la Tierra parecen ocurrir durante períodos de baja intensidad del campo. [38]

Algunos científicos, como Richard A. Muller , piensan que las inversiones geomagnéticas no son procesos espontáneos, sino que son provocadas por eventos externos que interrumpen directamente el flujo en el núcleo de la Tierra. Las propuestas incluyen eventos de impacto [39] [40] o eventos internos como la llegada de losas continentales arrastradas hacia el manto por la acción de la tectónica de placas en las zonas de subducción o la iniciación de nuevas columnas del manto desde el límite núcleo-manto . [41] Los partidarios de esta hipótesis sostienen que cualquiera de estos eventos podría conducir a una interrupción a gran escala del dinamo, apagando efectivamente el campo geomagnético. Debido a 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 tal interrupción 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 de la estratigrafía para una correlación entre las inversiones y los eventos de impacto es débil. No hay evidencia de una reversión relacionada con el evento de impacto que causó la extinción del Cretácico-Paleógeno . [42]

Efectos sobre la biosfera

Poco después de que se produjeran las primeras escalas temporales de polaridad geomagnética, los científicos comenzaron a explorar la posibilidad de que las inversiones pudieran estar vinculadas a eventos de extinción . [17] 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. [18] Puede ser que los finales de los supercrones hayan causado una convección vigorosa que condujo a un vulcanismo generalizado, y que la ceniza transportada por el aire posterior haya causado extinciones. [43] 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 las extinciones de microfósiles. Incluso los datos de microfósiles pueden ser poco confiables 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. [26] El análisis estadístico no muestra evidencia de una correlación entre las reversiones y las extinciones. [44] [45]

La mayoría de las propuestas que vinculan las reversiones a los eventos de extinción asumen que el campo magnético de la Tierra sería mucho más débil durante las reversiones. 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. [45] [46] 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 las colisiones de rayos cósmicos 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 cayera a un estimado del 5% de lo normal durante la reversión. [47] Hay evidencia de que esto ocurre tanto durante la variación secular [48] [49] como durante las reversiones. [50] [51]

Una hipótesis de McCormac y Evans supone que el campo magnético de la Tierra desaparece por completo durante las inversiones de polarización. [52] Argumentan que la atmósfera de Marte puede haber sido erosionada por el viento solar porque no tenía un campo magnético que la protegiera. Predicen que los iones serían eliminados de la atmósfera de la Tierra por encima de los 100 km. Las mediciones de paleointensidad muestran que el campo magnético no ha desaparecido durante las inversiones de polarización. Basándose en datos de paleointensidad de los últimos 800.000 años, [53] se estima que la magnetopausa todavía estaba a unos tres radios terrestres durante la inversión de Brunhes-Matuyama. [45] 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. [54]

Véase también

Referencias

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