A reversão do campo magnético da Terra (também chamado de campo geomagnético) é um fenômeno recorrente na história geológica da Terra, o Pólo Norte magnético movendo-se para o Pólo Sul geográfico e vice-versa. É o resultado de uma perturbação da estabilidade do núcleo da Terra . O campo geomagnético entra em pânico por um curto período (1.000 a 10.000 anos), durante o qual os pólos magnéticos se movem rapidamente por toda a superfície do globo ou desaparecem, dependendo das teorias.
Durante essa transição, a intensidade do campo geomagnético é muito fraca e a superfície do planeta pode ficar exposta ao vento solar , potencialmente perigoso para os organismos vivos . Se isso acontecesse hoje, muitas tecnologias que usam o campo geomagnético também poderiam ser afetadas.
No final deste período de transição, ou os pólos magnéticos voltam às suas posições iniciais, trata-se apenas de uma excursão geomagnética, ou se permutam e fala-se então em inversão.
O campo da Terra se inverteu cerca de 300 vezes nos últimos 200 milhões de anos. A última reversão ocorreu 780.000 anos atrás e a última excursão 33.000 anos atrás, ninguém sabe quando a próxima ocorrerá.
Foi em 1905 que Bernard Brunhes mostrou que certas rochas vulcânicas eram magnetizadas na direção oposta à do campo magnético terrestre local; ele conclui que o campo pode ser revertido.
A primeira estimativa do tempo das reversões magnéticas é feita na década de 1920 por Motonori Matuyama , que observa que todas as rochas com campos invertidos datam do início do Pleistoceno ou antes. Na época, a polaridade do campo terrestre era mal compreendida e a possibilidade de reversões despertou pouco interesse.
Mas 30 anos depois, quando o campo magnético da Terra é melhor compreendido, teorias mais avançadas sugerem que o campo da Terra pode ter sido revertido em um passado distante. Grande parte da pesquisa paleomagnética do final da década de 1950 inclui um exame da errância dos pólos e da deriva continental . Embora tenha sido descoberto que algumas rochas invertem seu campo magnético durante o resfriamento, torna-se evidente que a maioria das rochas vulcânicas magnetizadas retêm traços do campo magnético da Terra conforme a rocha esfria. Na ausência de métodos confiáveis para a datação precisa de rochas, acredita-se que as inversões ocorram cerca de uma vez a cada milhão de anos.
As técnicas de datação radiométrica desenvolvidas na década de 1950 permitem um grande avanço no entendimento das inversões magnéticas. 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 projetaram a primeira escala de tempo de polaridade magnética em 1959 . Conforme os dados se acumulavam, eles continuaram a refinar essa escala, competindo com Don Tarling e Ian McDougall, da Australian National University . Um grupo liderado por Neil Opdyke no Observatório Geológico Lamont-Doherty mostrou que o mesmo padrão de reversões é registrado em sedimentos coletados do coração de águas profundas.
Durante as décadas de 1950 e 1960 , as informações sobre as variações no campo magnético da Terra foram coletadas principalmente de navios oceanográficos . Mas as rotas complexas das rotas marítimas tornam difícil associar os dados de navegação às leituras do magnetômetro . Foi somente quando os dados foram plotados em um mapa que bandas 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 Harry Hess da expansão do fundo do oceano com a escala de tempo conhecida de inversões: se um novo fundo do mar é magnetizado na direção do campo, ele mudará sua polaridade quando o campo é invertido. Assim, a expansão do fundo do oceano a partir de uma crista central produzirá bandas magnéticas paralelas à crista.
O Canadiens LW Morley oferece de forma independente uma explicação semelhanteJaneiro 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 é o primeiro passo científico decisivo na teoria da expansão do fundo do oceano e da deriva continental.
Começando em 1966 , os cientistas do Observatório Geológico Lamont-Doherty descobriram que os perfis magnéticos da trilha Pacific Crest Trail eram simétricos e combinavam com os dos cumes da cordilheira Reykjanes, no Atlântico Norte. As mesmas anomalias magnéticas são encontradas na maioria dos oceanos do mundo, permitindo uma estimativa de quando a maior parte da crosta oceânica se desenvolveu.
Em 2017, pesquisadores de Grenoble conseguiram modelar a turbulência no núcleo externo da Terra, o que ajuda a entender as mudanças geomagnéticas.
De acordo com a teoria atual, o núcleo da Terra , como o de outros planetas, é um gigantesco dínamo magneto-hidrodinâmico que gera o campo magnético da Terra . Esse fenômeno seria devido aos movimentos do núcleo externo , composto por ligas de ferro e níquel fundido, e às correntes elétricas induzidas em relação ao núcleo interno (sólido).
Nas simulações, observa-se que as linhas do campo magnético às vezes podem ficar desorganizadas e emaranhadas devido aos movimentos caóticos do metal líquido no núcleo terrestre .
Gary Glatzmaier e seu colaborador Paul Roberts, da Universidade da Califórnia em Los Angeles , simularam o campo magnético da Terra por mais de 40.000 anos e uma inversão foi observada. Inversões irregulares também foram observadas em laboratório durante experimentos com metal líquido ( experimento VKS ).
Nessas simulações, o campo magnético se inverte espontaneamente como resultado da instabilidade do núcleo. Este cenário é apoiado por observações do campo magnético solar , que sofre reversões espontâneas a cada 9-12 anos ou mais. No entanto, observa-se que a intensidade magnética solar aumenta consideravelmente antes de uma inversão, enquanto na Terra as inversões parecem ocorrer durante períodos de baixa intensidade de campo.
Em geral, acredita-se que o dínamo terrestre pára, espontaneamente ou após um evento desencadeante, e que após um período de transição (de 1000 a 10 000 anos) ele dispara novamente por si mesmo com o pólo norte magnético para cima ou para baixo. Quando o norte reaparece na direção oposta, é uma inversão; quando ele retorna à sua posição inicial, é uma excursão geomagnética .
Outra teoria é proposta por uma equipe de cientistas franceses. Durante essa transição, de acordo com o trabalho de paleomagnetismo que realizaram, o pólo norte se move, cruza o equador (às vezes atingindo a Antártica ), então se dirige para o leste antes de retornar ao norte verdadeiro de acordo com uma grande volta desenhada no sentido horário; às vezes a excursão ocorre na direção oposta, mas seguindo o mesmo caminho. Em todos os casos, esse movimento é acompanhado por um enfraquecimento significativo do valor do campo.
Essa semelhança de trajetórias leva esses cientistas a hipotetizar que o campo magnético da Terra é composto por dois campos distintos, o da semente (núcleo interno), composto de metal sólido, e o do núcleo externo. A semente constitui uma espécie de "reservatório magnético" que acumula esse campo externo.
Quando, por alguma razão desconhecida, o campo magnético do núcleo externo se inverte, o campo magnético da semente pode ou não acompanhar esse movimento, dependendo de sua magnitude: se os dois campos mudarem, obtém-se uma reversão total; se o campo da semente resiste, o campo do núcleo externo volta à sua orientação inicial, é uma excursão.
Uma vez que a orientação dos pólos permanece a mesma após uma excursão geomagnética, é difícil reconhecê-los nos registros geológicos naturais. Portanto, há poucos dados sobre eles.
Outra hipótese resultante de medições correlacionadas é a de uma ligação entre mudanças magnéticas terrestres e mudanças nos campos gravitacionais induzidas por mudanças no fluxo dentro do núcleo da terra , a relação de causa e efeito ainda a ser provada e o modelo teórico a ser provado. construir.
Hipótese do evento desencadeadorAlguns cientistas, como Richard A. Muller , acreditam que as reversões geomagnéticas são desencadeadas por eventos que interrompem o fluxo do núcleo da Terra . Esses eventos podem ser de origem externa, como o impacto de um cometa , ou internos, como a entrada de placas continentais no manto pela ação das placas tectônicas ou a ressurgência de lava na borda do manto.
Os defensores desta teoria argumentam que qualquer um desses eventos poderia levar a uma perturbação em grande escala do dínamo, extinguindo completamente o campo geomagnético. Como o campo magnético é estável tanto na orientação norte-sul atual quanto na orientação reversa, eles sugerem que, após a transição, ele espontaneamente escolhe uma direção e que há uma chance em duas de que ocorra uma reversão.
No entanto, o mecanismo proposto não parece funcionar quantitativamente , e a evidência estratigráfica de uma correlação entre inversões e impacto cósmico é fraca. O mais impressionante é que não há evidências de uma reversão do impacto cósmico que causou a extinção do período cretáceo-terciário .
O campo magnético pode não desaparecer completamente, com muitos pólos se formando caoticamente em lugares diferentes, até que a reversão se estabilize novamente. Um modelo da NASA (ao lado) mostra que, durante este período, o eixo do campo magnético muda extremamente rapidamente até ser completamente revertido.
Em geral, a duração de uma transição de polaridade é estimada entre 1.000 e 10.000 anos. No entanto, várias transições mais rápidas foram observadas:
De acordo com uma teoria, a transição é apenas o segundo dos três estágios da reversão, cada um durando em média 2.000 anos. A primeira é a chamada fase precursora: os pólos movem-se em direção ao equador terrestre e retornam à sua posição original; após a transição, uma terceira fase, o rebote, traz os pólos de volta ao equador antes que se inclinem definitivamente.
Durante essa transição, a força do campo magnético é muito fraca e a superfície do planeta pode ser exposta à radiação solar . Muitas tecnologias que usam o campo magnético também podem ser afetadas.
Radiação solar e ventosVários cientistas especularam que, se a força do campo magnético diminuir drasticamente, as partículas de alta energia presas no cinturão de Van Allen poderiam ser liberadas e bombardear a Terra.
Outra hipótese de McCormac e Evans assume que o campo terrestre desapareceria inteiramente durante as inversões. Eles argumentam que a atmosfera de Marte pode ter sido erodida pelo vento solar porque não tinha um campo magnético para protegê-la.
No entanto, medições de paleointensidade nos últimos 800.000 anos mostram que o campo magnético nunca desaparece completamente. A magnetopausa sempre permanece a uma distância estimada de cerca de três raios da Terra durante a reversão Brunhes-Matuyama .
Se o campo magnético enfraquece fortemente ou desaparece, o impacto do vento solar pode induzir um campo magnético suficiente na ionosfera para proteger a superfície das partículas energéticas , mas esta colisão geraria uma radiação secundária do tipo 10 Be ou 36 Cl que ou durante as excursões ou durante as inversões.
Perturbações eletromagnéticasCertos efeitos podem ser muito prejudiciais para nossas sociedades modernas, desde distúrbios de sinais eletromagnéticos , dispositivos eletrônicos , corrosão prematura de dutos , até cortes de energia massivos como em 1989 em Quebec , as consequências são inúmeras.
Tempestades solares menores ocorreram em 2003 , causando o desligamento da rede elétrica sueca . Em 1859 , uma série de explosões solares tinha causado as luzes do norte para chegar às ilhas das Caraíbas . Uma reversão completa do campo magnético poderia levar à extinção de todos os aparelhos elétricos do planeta, “o que custaria à economia dezenas de bilhões de dólares por dia” .
ExtinçõesLogo depois que a primeira escala de tempo da polaridade geomagnética foi produzida, os cientistas começaram a questionar se os eventos de polaridade poderiam estar ligados a extinções.
Os testes de correlação entre extinções e reversões são difíceis por vários motivos. Animais grandes são muito raros no registro fóssil para boas estatísticas. Mesmo os dados de microfósseis podem ser questionáveis, uma vez que o registro fóssil não é fundamentalmente completo. Pode parecer que ocorreu uma extinção no final de um intervalo de polaridade quando simplesmente não descobrimos nenhum dado sobre o resto desse intervalo de polaridade.
Também foram apresentadas hipóteses ligando reversões a extinções em massa. A maioria desses argumentos baseava-se em uma aparente periodicidade de reversões. Mas análises mais detalhadas mostram que a taxa de reversões não é constante. É possível, no entanto, que as pontas dos supercrons experimentaram convecção vigorosa levando a um vulcanismo muito extenso, e as cinzas lançadas no ar causaram extinções.
Em 2010, dois cientistas franceses do INSU argumentaram que o enfraquecimento do escudo magnético permitiu que os prótons emitidos pelo sol penetrassem mais profundamente nas camadas da atmosfera, onde gerariam reações químicas em cascata que resultariam, em particular, na formação de óxido nítrico . uma substância que destrói a camada de ozônio . Os seres vivos, então, têm que lidar com um aumento na produção de UV-B por um longo tempo, com picos significativos durante as explosões solares . Esses efeitos foram estudados na América do Sul por causa da Anomalia Magnética do Atlântico Sul . No entanto, a análise estatística não sugere qualquer correlação entre reversões e extinções.
O estudo da magnetita presente na cerâmica antiga permite medir a intensidade do campo magnético terrestre no momento da criação do objeto. Essa técnica permite dizer que a intensidade do campo terrestre vem diminuindo há 1.500 anos. Medições realizadas em todo o mundo confirmam que a intensidade diminuiu 10% em 50 anos.
O Pólo Norte magnético da Terra mudou-se do norte do Canadá para a Sibéria (1.100 km ) com uma velocidade atualmente crescente. Em 1970 , movia-se 10 km por ano, contra 40 km em 2003 e, desde então, só acelerou. Na última década, o norte magnético mudou cerca de um grau a cada cinco anos.
Em 2013 , a Agência Espacial Europeia lançou a missão SWARM , um dos objetivos da qual é prever a data da próxima reversão.
Em artigo publicado em 2017 no The Conversation , dois pesquisadores da University of Leeds explicam que uma nova reversão dos pólos magnéticos da Terra pode ocorrer dentro de 2.000 anos.
No entanto, ninguém tem certeza de que a redução no campo continuará no futuro. Como ninguém jamais observou essas inversões e como o mecanismo de geração do campo magnético ainda não é bem compreendido, é difícil dizer se as variações observadas são sinais de uma nova inversão ou de uma excursão geomagnética.
A taxa de diminuição e a intensidade da corrente estão dentro da faixa normal de variação, como evidenciado pelas variações anteriores, impressas na rocha, do campo magnético.
A natureza do campo magnético da Terra é uma das flutuações heterocedásticas . Uma medição instantânea do campo, ou várias medições dele ao longo de décadas ou séculos, não é suficiente para extrapolar uma tendência geral na intensidade do campo. Ele subiu e desceu no passado sem razão aparente. Além disso, observar a intensidade local do campo dipolar (ou suas flutuações) é insuficiente para caracterizar o campo magnético terrestre como um todo, porque não é estritamente dipolar. O elemento dipolo do campo terrestre pode diminuir mesmo que o campo magnético total permaneça o mesmo ou aumente.
Por meio da análise de anomalias magnéticas no fundo do oceano e da datação de sequências de inversão na Terra, os paleomagnéticos desenvolveram uma escala de tempo de polaridade geomagnética (TAG). O intervalo de tempo entre duas inversões é chamado de intervalo de polaridade . A escala de tempo atual contém 184 nos últimos 83 milhões de anos.
Os intervalos de polaridade foram classificados de acordo com sua duração:
Intervalos de polaridade que duram menos de 30.000 anos são chamados de criptócrons , porque as técnicas atuais não podem distingui-los das excursões geomagnéticas.
O campo da Terra inverteu cerca de 300 vezes nos últimos 200 milhões de anos. A última reversão ocorreu 780.000 anos atrás.
SupercronsExistem dois supercrons bem estabelecidos, o Cretáceo Normal e o Kiaman . Um terceiro candidato, o Moyero , é mais polêmico. A Jurassic Quiet Zone já foi considerada um supercron, mas agora é atribuída a outras causas.
Certas áreas do fundo do oceano, acima de 160 Ma , exibem 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 . Foi inicialmente pensado para ser um supercron chamado de Zona Silenciosa do Jurássico , mas anomalias magnéticas que ocorreram durante este tempo foram descobertas. O campo geomagnético é conhecido por ter uma baixa intensidade entre cerca de 170 Ma e 130 Ma ANE, e essas partes do fundo do oceano são particularmente profundas, o que atenua o sinal entre o fundo do oceano e a superfície.
A frequência das reversões do campo magnético da Terra tem variado consideravelmente ao longo do tempo.
Esses períodos durante os quais a inversão é frequente se alternam com alguns supercrons.
Normalmente damos a uma excursão o nome do lugar onde foi descoberto:
Todas essas excursões aconteceram durante a crônica atual, ou seja, após a última reversão até agora . Outras excursões mais antigas foram descobertas, como a Montanha Cobb , que ocorreu há 1,2 milhões de anos .
Vários estudos analisaram as propriedades estatísticas de inversões 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 modelo de inversões é aleatório . Não há correlação entre os comprimentos dos intervalos de polaridade. Não há preferência por polaridade normal ou reversa e nenhuma diferença estatística entre as distribuições dessas polaridades. Essa falta de preconceito também é uma previsão robusta da teoria do dínamo. Finalmente, conforme mencionado acima, a taxa de reversões varia ao longo do tempo.
A aleatoriedade da inversão é incompatível com a periodicidade , mas vários autores afirmam encontrar a periodicidade. No entanto, esses resultados são provavelmente artefatos de uma análise usando protocolos de janela deslizante para determinar as taxas de inversão.
A maioria dos modelos de inversão estatística os analisa como um processo de Poisson ou outros tipos de processo de renovação . Um processo de Poisson teria, em média, uma taxa de inversão 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 uma inversão por dezenas de milhares de anos após uma inversão. Isso pode ser devido a uma inibição no mecanismo subjacente ou pode apenas significar que alguns intervalos de polaridade mais curtos foram perdidos. Um modelo de inversão aleatória com inibição pode ser representado por um processo gama . Em 2006 , uma equipe de físicos da Universidade da Calábria descobriu que as inversões também podem se conformar a uma distribuição de Lévy , que descreve processos estocásticos com correlações de longo prazo entre eventos ao longo do tempo. Os dados também são compatíveis com um processo determinístico , mas caótico.
Existem duas disciplinas dedicadas ao estudo e datação de eventos de polaridade geomagnética:
Paleomagnetismo é o estudo das variações geomagnéticas terrestres.
As reversões de campo que já ocorreram foram registradas na solidificação de minerais ferromagnéticos (ou mais precisamente, ferrimagnéticos ) contidos em depósitos sedimentares consolidados ou em fluxos vulcânicos resfriados .
As reversões geomagnéticas que já ocorreram foram notadas pela primeira vez observando as anomalias das bandas magnéticas no fundo do oceano. Lawrence W. Morley , Frederick John Vine e Drummond Hoyle Matthews fizeram a conexão com a expansão oceânica na hipótese de Morley-Vine-Matthews que rapidamente levou ao desenvolvimento da teoria das placas tectônicas . A taxa relativamente constante em que o fundo do oceano se espalha cria bandas no substrato a partir das quais a polaridade do campo magnético anterior pode ser inferida, incluindo o reboque de um magnetômetro ao longo do fundo do oceano.
Visto que nenhuma zona de subducção (impulso do fundo do mar sobre as placas continentais) que existe hoje tem mais de 190 milhões de anos (Ma), outros métodos são necessários para detectar inversões mais antigas. A maioria das rochas sedimentares contém pequenas quantidades de minerais ricos em ferro, cuja orientação é influenciada pelo campo magnético circundante no momento em que foram formados. Essas rochas podem reter um registro do campo se não for apagado por uma alteração química , física ou biológica posterior.
Como o campo magnético é global, padrões semelhantes de variações magnéticas obtidos em diferentes lugares podem ser usados para confirmar a datação. Nas últimas quatro décadas, muitos dados paleomagnéticos sobre a idade do fundo do oceano (até ~ 250 Ma ) foram coletados e usados para estimar a idade de seções geológicas . Esta técnica depende de métodos de datação absoluta , como métodos radiométricos, para determinar a data de uma inversão. Tornou-se particularmente útil para geólogos metamórficos e magmáticos que possuem poucos fósseis estratigráficos .
O Arqueomagnetismo é o estudo das variações do campo magnético terrestre registradas pelos minerais magnéticos presentes na argila e permite o estudo das variações magnéticas recentes (na escala da história humana).
Outra escala de intervalo de polaridade.
O movimento do pólo norte magnético no Ártico canadense, 1831-2001.
Estrutura da magnetosfera.
O processo dínamo na origem do campo magnético da Terra.
Os magnetômetros podem medir o campo magnético dos planetas, como bússolas muito sensíveis.
Dimensões e temperaturas internas do globo terrestre.
Vista em corte da terra.