Berputar di sekeliling teras batin teras planet kita, lebih daripada 1, 800 batu di bawah permukaan, besi cair panas menghasilkan medan magnet yang melampaui atmosfera. Bidang ini memberikan kita segala-galanya dari arahan kompas untuk perlindungan dari sinar kosmik, jadi tidak mengejutkan bahawa para saintis cemas pada awal tahun ini apabila mereka menyedari bahawa tiang magnet utara sedang melayang ke arah Siberia. Ketika ahli geofisika bergegas membebaskan medan magnet Bumi yang dikemaskini menjelang jadual lima tahun, tiang yang berpindah itu menimbulkan persoalan yang mendesak: Adakah medan magnet Bumi bersedia untuk membalikkan?
Keadaan magnetik dunia kita sentiasa berubah, dengan kutub utara dan selatan magnetik berkeliaran beberapa derajat setiap abad atau lebih. Kadang-kadang medan magnet mengalami pembalikan kutub lengkap, menyebabkan kutub utara dan selatan magnetik untuk beralih tempat, walaupun tidak ada yang tahu apa yang menyebabkan perubahan ini. (Malah, tiang utara planet ini adalah kutub selatan magnetik sekarang, tetapi ia masih dirujuk sebagai "utara magnetik" sesuai dengan ukuran geografi kita.)
Dalam satu kajian yang diterbitkan hari ini dalam Kemajuan Sains, para penyelidik melaporkan garis masa baru yang dianggarkan dari pembalikan kutub terakhir, menamakan pembalikan Brunhes-Matuyama, yang berlaku sekitar 780, 000 tahun yang lalu. Menggunakan gabungan sampel lava, sedimen lautan dan teras ais, mereka dapat menjejaki perkembangan pembalikan ini dan menunjukkan bahawa coraknya lebih panjang dan lebih kompleks daripada yang dicadangkan oleh model terdahulu. Penemuan ini membolehkan pemahaman yang lebih baik mengenai bagaimana persekitaran magnetik planet kita berkembang dan diharapkan dapat membimbing ramalan untuk gangguan utama seterusnya.
"[Polaritas pembalikan] adalah salah satu daripada beberapa fenomena geofizik yang benar-benar global, " kata Brad Singer, profesor geosains di University of Wisconsin-Madison dan penulis utama kajian itu. "Ia adalah satu proses yang bermula di bahagian-bahagian paling dalam Bumi, tetapi ia dapat dilihat di dalam batuan di seluruh permukaan bumi dan memberi kesan kepada suasana dengan cara yang sangat penting. ... Jika kita dapat menubuhkan kronologi untuk masa pembalikan, kita mempunyai penanda yang boleh kita gunakan untuk membuat batuan tarikh di seluruh planet ini dan mengetahui titik masa bersama di seluruh Bumi. "
Penjanaan medan magnet bumi bermula di pusatnya. Haba dari teras batin pepejal yang dihasilkan oleh kerosakan radioaktif menghangatkan besi cecair di sekitarnya, menyebabkan ia beredar seperti periuk air pada dapur. Gerak bendalir, atau perolakan, besi menghasilkan arus elektrik, yang menghasilkan medan magnet. Apabila bumi berputar, medan magnet kira-kira sejajar dengan paksi putaran, mewujudkan kutub utara dan selatan magnetik.
Selama 2.6 juta tahun yang lalu, medan magnet Bumi bergulir 10 kali dan hampir dibalik lebih daripada 20 kali semasa acara yang disebut lawatan. Sesetengah penyelidik percaya bahawa pembalikan kutub disebabkan oleh gangguan dalam keseimbangan antara putaran bumi dan suhu di teras, yang mengubah gerakan bendalir cecair, tetapi proses yang tepat masih menjadi misteri.
Ilustrasi skematik garis medan magnet yang tidak dapat dijana oleh Bumi, yang diwakili sebagai medan magnet dipol. Pada hakikatnya, perisai magnet kita diperas di bumi lebih dekat ke sisi matahari dan sangat memanjang di sebelah malam kerana angin matahari. (Peter Reid / NASA) Penyanyi dan rakan sekerja memperoleh perkiraan kronologi yang lebih tepat untuk pembalikan polaritas terakhir dengan menggunakan teknik-teknik baru untuk melekatkan lava yang padat. Lava basalt, yang meletus sekitar 1, 100 darjah Celsius (2, 012 darjah Fahrenheit), mengandungi magnetit, oksida besi yang elektron terluar mengorientasikan diri di sepanjang medan magnet Bumi. Apabila lava menyejukkan hingga 550 darjah Celsius (1022 darjah Fahrenheit), "arah magnetisasi akan dikunci, secara literal dibakar ke aliran, " kata Singer. Akibatnya, sejarah medan magnet dilekatkan ke dalam lava kuat, yang Singer dan pasukannya dapat membaca dengan menggunakan proses khusus untuk mengukur isotop-argon isotop dari sampel lava yang rosak.
Malangnya bagi ahli-ahli geologi (tetapi nasib baik bagi yang lain), gunung berapi tidak meletus sepanjang masa, menjadikan lava sebagai penyimpan rekod yang jelas dari evolusi medan magnet. Untuk menjahit bersama tarikh yang hilang, pasukan penyelidikan menggabungkan pengukuran baru dari tujuh sumber lava yang berlainan di seluruh dunia dengan rekod masa lalu unsur magnet di sedimen lautan dan teras ais Antartika. Tidak seperti lava, lautan menyediakan rekod magnetisasi berterusan, kerana bijirin bahan magnetnya sentiasa menetap di dasar laut dan sejajar dengan medan planet. "Tetapi rekod-rekod ini menjadi lancar dan cacat dengan pemadatan, dan terdapat banyak makhluk yang hidup di dasar laut ... jadi rekod itu akan dimusnahkan sedikit, " kata Singer.
Es ais Antartika menawarkan cara ketiga untuk menyelesaikan sejarah medan magnet bumi, kerana ia mengandungi sampel isotop berilium yang terbentuk apabila sinaran kosmik berinteraksi dengan atmosfera atas-tepatnya apa yang berlaku apabila medan magnet melemah semasa lawatan atau pembalikan.
Dengan menggabungkan ketiga-tiga sumber tersebut, para penyelidik menyusun satu kisah menyeluruh tentang bagaimana medan magnet berkembang semasa pembalikan terakhir. Walaupun kajian terdahulu mencadangkan bahawa semua pembalikan melepasi tiga fasa dalam masa yang tidak melebihi 9, 000 tahun, pasukan Singer mendapati proses pembalikan yang lebih kompleks yang mengambil masa lebih 22, 000 tahun untuk diselesaikan.
"Kami dapat melihat lebih banyak nuansa waxing dan kelemahan kekuatan dan tingkah laku arah sepanjang tempoh 22, 000 tahun ini berbanding sebelum ini, " kata Singer. "Dan ia tidak sepadan dengan pola [tiga fasa] ... jadi saya rasa mereka perlu kembali ke papan lukisan."
Penemuan itu menimbulkan persoalan sama ada pembalikan bidang masa hadapan akan mempamerkan kerumitan dan jangka masa yang sama. "Ini adalah kertas penting kerana ia memaparkan data gunung berapi baru, dan menyatukan rekod vulkanik dan sedimen yang berkaitan dengan ketidakstabilan bidang geomagnetik sebelum pembalikan kutub terakhir, " kata James Channell, ahli geofizik dari University of Florida yang tidak terlibat dalam penyelidikan baru, dalam e-mel. "Adakah ini ketidakstabilan pra-pembalikan ciri semua pembalikan polariti? Buat masa ini, tidak ada bukti tentang pembalikan yang lebih tua ini. "
Penyelidik bersama Rob Coe dan Trevor Duarte mengetengahkan teras dari tapak aliran lava yang merekodkan pembalikan kutub magnet Matuyama-Brunhes di Haleakala National Park, Hawaii, pada tahun 2015. (Brad Singer) Walaupun dengan tiga set ukuran, sesetengah soalan tetap sama ada sejarah yang ditampal-sama memberikan maklumat yang mencukupi tentang berapa lama pembalikan mengambil dan betul-betul menyatakan keadaan lapangan apabila berlaku keruntuhan tersebut. "Selagi tidak ada catatan yang lengkap menunjukkan bukti untuk penggantian peristiwa-peristiwa yang kompleks yang digambarkan oleh pengarang, saya tidak yakin bahawa ketidakpastian di zaman ini membolehkan kita melihat lebih daripada dua fasa yang berbeza, " kata Jean-Pierre Valet, seorang ahli geofizik dari Institut Fizik Bumi Paris yang tidak terlibat dalam penyelidikan, dalam e-mel. Valet juga mempersoalkan tempoh pembalikan, dengan mengatakan bahawa ketidakpastian dalam data mencadangkan keseluruhan proses itu boleh berkisar antara 13, 000 tahun hingga 40, 000 tahun-lebih lama lagi daripada anggaran terdahulu.
Pembelajaran lebih lanjut mengenai proses-proses yang membawa kepada pembalikan kutub boleh menjadi kritikal untuk tamadun masa depan, memandangkan medan magnet beralih boleh mempunyai kesan yang meluas di planet ini.
"Apabila medan [magnet] lemah, iaitu semasa pembalikan, medan dipole utama runtuh kepada sesuatu pada urutan sepuluh peratus kekuatan normalnya, " kata Singer. Keruntuhan ini dapat menimbulkan masalah untuk kehidupan di Bumi, memandangkan medan magnet menstabilkan molekul ozon, melindungi planet ini dari radiasi ultraviolet. Penyanyi menunjukkan bahawa kerja baru-baru ini mencadangkan manusia moden disesuaikan untuk mempunyai gen pelindung selepas Neanderthal menderita radiasi semasa lawatan yang merosakkan medan magnet.
"Ia telah dibincangkan untuk seketika sama ada pembalikan magnetik memberi impak kepada biota di permukaan bumi, " katanya. "Kebanyakan tuntutan awal adalah tidak masuk akal, kerana kronologi itu tidak cukup baik untuk mengetahui bahawa penemuan fosil Neanderthal, sebagai contoh, berkait rapat dengan lawatan. Tetapi sekarang kita tahu masa-masa yang lebih baik. "
Sejak 200 tahun yang lalu atau lebih, medan magnet Bumi telah mengalami penurunan pada kadar lima peratus setiap abad. Jika ini melemahkan dan penghijrahan kutub magnet utara baru-baru ini menunjukkan pembalikan bidang yang menjulang, ia mungkin mempunyai implikasi yang serius terhadap teknologi yang bergantung kepada satelit, yang mungkin rosak oleh sinaran kosmik. Bagaimanapun, Singer memberi amaran bahawa pembalikan tidak akan berlaku untuk ribuan tahun yang akan datang.
"Apa yang kita lihat sekarang dengan kutub utara bergerak pantas, itu sebenarnya agak biasa, " kata Singer. "Terdapat kertas kerja yang diterbitkan di sana berdasarkan rekod yang lebih miskin daripada yang kita bekerjasama dengan yang mencadangkan pembalikan boleh berlaku dalam masa kurang daripada seumur hidup manusia, dan itu tidak disokong oleh majoriti rekod. ... Pembalikan sebenar, pembalikan akhir, mengambil beberapa ribu tahun. "
Yang sepatutnya membeli umat manusia beberapa lama untuk lebih melindungi teknologi dari radiasi dengan pembalikan seterusnya. Sehingga itu, jangan risau jika kompas anda bertukar dengan satu atau dua darjah.
