Геомагнитные экскурсии: природа, частота и возможные причины
Geomagnetic excursion
Геомагнитные экскурсии: кратковременные изменения магнитного поля Земли до 45° от текущего положения. Лашамп – пример глобальной экскурсии. Изучение частоты явлений.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Геомагнитная экскурсия, как и геомагнитное переполяривание, представляет собой значительное изменение магнитного поля Земли. В отличие от переполяриваний, экскурсия не является "постоянной" переориентацией крупномасштабного поля, а скорее представляет собой резкое, как правило (геологически) кратковременное изменение интенсивности поля, сопровождающееся отклонением полярности до 45° от предыдущего положения. Поскольку событие Лашампа было зафиксировано в различных точках земного шара, оно считается одним из немногих примеров действительно глобальной экскурсии.
A geomagnetic excursion, like a geomagnetic reversal, is a significant change in the Earth's magnetic field. Unlike reversals, an excursion is not a "permanent" re orientation of the large scale field, but rather represents a dramatic, typically a (geologically) short lived change in field intensity, with a variation in pole orientation of up to 45° from the previous position. Since the Laschamp event has also been seen in sites around the Earth, it is suggested as one of the few examples of a truly global excursion.
Возникновение
За исключением недавних периодов геологического прошлого, частота геомагнитных экскурсий до конца не изучена. В отличие от геомагнитных инверсий, которые легко выявляются по изменению направления поля, относительно кратковременные экскурсии могут быть легко пропущены в долгосрочных записях интенсивности геомагнитного поля с низким разрешением. Современные данные свидетельствуют о том, что они примерно в десять раз чаще, чем инверсии, и в течение текущего периода инверсии Брунес-Матуяма задокументировано до 12 экскурсий. Геомагнитные экскурсии для геомагнитного хрона Брунес относительно хорошо описаны. Геомагнитные экскурсии в хронах Матуяма, Гаусс и Гилберт также зафиксированы, и на основе анализа глубоководных кернов из озера Байкал, а также их сравнения с океаническими кернами (ODP) и китайскими отложениями лёсса, предлагаются новые возможные экскурсии для этих хронов.
Except for recent periods of the geologic past, it is not well known how frequently geomagnetic excursions occur. Unlike geomagnetic reversals, which are easily detected by the change in field direction, the relatively short lived excursions can be easily overlooked in long duration, coarsely resolved, records of past geomagnetic field intensity. Present knowledge suggests that they are around ten times more abundant than reversals, with up to 12 excursions documented within the current reversal period Brunhes–Matuyama reversal. Geomagnetic excursions for the Brunhes geomagnetic chron are relatively well described. Geomagnetic excursions in the Matuyama, Gauss and Gilbert chrons are also reported and new possible excursions are suggested for these chrons based on analysis of the deep drilling cores from Lake Baikal and their comparison with the oceanic core (ODP) and Chinese loess records.
Возможные причины
Научные мнения относительно причин геомагнитных экскурсий расходятся. Преобладающая гипотеза состоит в том, что они являются неотъемлемой нестабильностью динамо-процессов, генерирующих магнитное поле. Это хорошо согласуется с наблюдениями событий в рамках текущей хронологии переполюсов, для завершения которых требуется 3000–7000 лет, тогда как экскурсии обычно длятся 500–3000 лет. Однако эта временная шкала не всегда соответствует наблюдаемым событиям, и необходимость отдельной генерации полей подвергается сомнению, поскольку изменения могут возникать спонтанно в математических моделях.
Scientific opinion is divided on what causes geomagnetic excursions. The dominant hypothesis is that they are an inherent instability of the dynamo processes that generates the magnetic field. This fits well with observations of events within the current chron of reversals taking 3,000–7,000 years to complete, while excursions typically last 500–3,000 years. However, this timescale does not hold true for all events, and the need for separate generation of fields has been contested, since the changes can be spontaneously generated in mathematical models.
Тектонические плиты
Мнение меньшинства, разделяемое такими учеными, как Ричард А. Мюллер, состоит в том, что геомагнитные экскурсии – это не спонтанные процессы, а скорее результат внешних событий, напрямую нарушающих поток в ядре Земли. К таким событиям могут относиться опускание континентальных плит в мантию под действием тектоники плит в зонах субдукции, зарождение новых мантийных плюмов от границы ядро-мантия, а также, возможно, сдвиговые силы и смещения между ядром и мантией, вызванные очень крупными столкновениями. Сторонники этой теории полагают, что любое из этих событий приводит к масштабному сбою в работе геодинамо, фактически отключая геомагнитное поле на время, необходимое для его восстановления.
A minority opinion, held by such figures as Richard A. Muller, is that geomagnetic excursions are not spontaneous processes but rather triggered by external events which directly disrupt the flow in the Earth's core. Such processes may include the arrival of continental slabs carried down into the mantle by the action of plate tectonics at subduction zones, the initiation of new mantle plumes from the core–mantle boundary, and possibly mantle core shear forces and displacements resulting from very large impact events. Supporters of this theory hold that any of these events lead to a large scale disruption of the dynamo, effectively turning off the geomagnetic field for a period of time necessary for it to recover.
Существенное космическое воздействие
Ричард А. Мюллер и Дональд Э. Моррис предполагают, что геомагнитные перевороты вызваны очень крупным событием столкновения и последующим резким изменением климата. Столкновение спровоцировало небольшой ледниковый период, а изменение перераспределения воды в сторону полюсов влияет на скорость вращения коры и мантии. Если изменение уровня моря достаточно велико (>10 метров) и происходит быстро (в течение нескольких сотен лет), то сдвиг скорости в жидком ядре нарушает конвективные ячейки, поддерживающие геодинамо Земли.
Richard A. Muller and Donald E. Morris suggest geomagnetic reversal due to very large impact event and following rapid climate change. The impact triggered a little ice age and change of water redistribution more to poles alters the rotation rate of crust and mantle. If the sea level change is sufficiently large (>10 meters) and rapid (in a few hundred years), then the velocity shear in the liquid core disrupts the convective cells that drive the Earth's dynamo.
Эффекты
Из-за ослабления магнитного поля, особенно в период перехода, большее количество радиации сможет достигать Земли, увеличивая образование бериллия-10 и уровень углерода-14. Однако, вероятно, ничего серьезного не произойдет, поскольку человеческий род, несомненно, пережил как минимум одно подобное событие: Homo erectus и, возможно, Homo heidelbergensis пережили переполюсивание Брунеса-Матуямы без каких-либо известных негативных последствий, а экскурсии длятся меньше и не приводят к необратимым изменениям магнитного поля. Основная угроза для современного общества, скорее всего, будет аналогична той, что связана с геомагнитными бурями, когда могут быть повреждены спутники и системы электроснабжения, хотя это также повлияет и на компасную навигацию. Некоторые формы жизни, ориентирующиеся по магнитному полю, могут столкнуться с нарушениями, но предполагается, что эти виды переживали экскурсии и ранее. Поскольку периоды экскурсий не всегда глобальны, воздействие может ощущаться лишь в определенных регионах, в то время как другие останутся относительно незатронутыми. Продолжительность этого периода может составлять от одного столетия до 10 000 лет.
Due to the weakening of the magnetic field, particularly during the transition period, greater amounts of radiation would be able to reach the Earth, increasing production of beryllium 10 and levels of carbon 14. However, it is likely that nothing serious would occur, as the human species has certainly lived through at least one such event; Homo erectus and possibly Homo heidelbergensis lived through the Brunhes–Matuyama reversal with no known ill effect, and excursions are shorter lived and do not result in permanent changes to the magnetic field. The major hazard to modern society is likely to be similar to those associated with geomagnetic storms, where satellites and power supplies may be damaged, although compass navigation would also be affected. Some forms of life that are thought to navigate based on magnetic fields may be disrupted, but again it is suggested that these species have survived excursions in the past. Since excursion periods are not always global, any effect might well only be experienced in certain places, with others relatively unaffected. The time period involved could be as little as a century, or as much as 10,000 years.
Отношение к климату
Существуют доказательства того, что геомагнитные экскурсии связаны с эпизодами быстрого кратковременного похолодания климата в периоды континентального оледенения (ледниковых периодов). Недавний анализ частоты геомагнитных переполюсований, данных по изотопам кислорода и скорости субдукции тектонических плит – индикаторов изменений теплового потока на границе ядра и мантии, климата и тектонической активности – показывает, что все эти изменения демонстрируют схожие ритмы в масштабе миллионов лет в эпоху кайнозоя, с общей фундаментальной периодичностью около 13 миллионов лет на протяжении большей части этого периода.
There is evidence that geomagnetic excursions are associated with episodes of rapid short term climatic cooling during periods of continental glaciation (ice ages). Recent analysis of the geomagnetic reversal frequency, oxygen isotope record, and tectonic plate subduction rate, which are indicators of the changes in the heat flux at the core mantle boundary, climate and plate tectonic activity, shows that all these changes indicate similar rhythms on million years' timescale in the Cenozoic Era occurring with the common fundamental periodicity of ~13 Myr during most of the time.