Geomagnetische Umkehrung

Eine geomagnetische Umpolung ist eine Veränderung des Erdmagnetfelds, bei der die Positionen von magnetisch Nord und magnetisch Süd vertauscht werden (nicht zu verwechseln mit geografisch Nord und geografisch Süd ). Das Erdmagnetfeld wechselt zwischen Perioden normaler Polarität, in denen die vorherrschende Feldrichtung der heutigen entsprach, und Perioden umgekehrter Polarität, in denen sie entgegengesetzt war. Diese Perioden werden als Chronen bezeichnet .

Das Auftreten von Polumkehrungen scheint statistisch zufällig zu sein. In den letzten 83 Millionen Jahren gab es mindestens 183 Polumkehrungen (also durchschnittlich eine alle 450.000 Jahre). Die letzte, die Brunhes-Matuyama-Polumumkehr , ereignete sich vor 780.000 Jahren ^{[ 1 ]} , wobei die Schätzungen ihrer Dauer stark variieren. Einige Quellen gehen davon aus, dass die letzten vier Polumkehrungen im Durchschnitt 7.000 Jahre dauerten ^{[ 2 ]} . Clement (2004) vermutet, dass diese Dauer vom Breitengrad abhängt, mit kürzeren Dauern in niedrigen und längeren Dauern in mittleren und hohen Breiten ^{[ 2 ]} . Andere schätzen die Dauer vollständiger Polumkehrungen auf 2.000 bis 12.000 Jahre ^{[ 3 ]} , wobei einige Polumkehrungen bis zu 70.000 Jahre dauern können ^{[ 4 ] .}

Es gab auch Episoden, in denen sich das Magnetfeld nur für einige hundert Jahre umkehrte (wie die Laschamp-Exkursion ^{[ 5 ]} ). Diese Ereignisse werden als Exkursionen und nicht als vollständige geomagnetische Umpolungen klassifiziert. Chroniken stabiler Polarität zeigen oft große, schnelle Richtungsänderungen, die häufiger auftreten als Umpolungen und als gescheiterte Umpolungen interpretiert werden könnten. Während einer solchen Exkursion kehrt sich das Magnetfeld im flüssigen äußeren Kern um , nicht aber im festen inneren Kern . Die Diffusion im äußeren Kern erfolgt in Zeiträumen von 500 Jahren oder weniger, während sie im inneren Kern länger dauert, etwa 3000 Jahre. ^{[ 6 ]}

Anfang des 20. Jahrhunderts bemerkten Geologen wie Bernard Brunhes erstmals, dass einige vulkanische Gesteine ​​entgegen der Richtung des lokalen Erdmagnetfelds magnetisiert waren. Die ersten systematischen Belege für und eine zeitliche Einordnung der magnetischen Umpolungen lieferte Motonori Matuyama Ende der 1920er Jahre; er stellte fest, dass Gesteine ​​mit umgekehrten Magnetfeldern alle aus dem frühen Pleistozän oder älter stammten. Damals war die Polarität der Erde noch wenig erforscht, und die Möglichkeit einer Umpolung stieß auf wenig Interesse. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Drei Jahrzehnte später, als das Erdmagnetfeld besser verstanden wurde, entstanden Theorien, die nahelegten, dass sich das Erdmagnetfeld in ferner Vergangenheit umgekehrt haben könnte. Die meisten paläomagnetischen Forschungen der späten 1950er Jahre befassten sich mit der Polwanderung und der Kontinentaldrift . Obwohl man entdeckte, dass einige Gesteine ​​beim Abkühlen ihr Magnetfeld umkehrten, wurde deutlich, dass die meisten magnetisierten Vulkanite Spuren des Erdmagnetfelds zum Zeitpunkt ihrer Abkühlung unter die Curie-Temperatur bewahrten . Mangels zuverlässiger Methoden zur absoluten Altersbestimmung von Gesteinen ging man davon aus, dass solche Umpolungen etwa alle Million Jahre stattfanden. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Der nächste bedeutende Fortschritt im Verständnis von Polumkehrungen gelang in den 1950er Jahren mit der Verbesserung radiometrischer Datierungsmethoden . Allan Cox und Richard Doell vom United States Geological Survey wollten herausfinden, ob Polumkehrungen in regelmäßigen Abständen auftreten, und luden den Geochronologen Brent Dalrymple ein, sich ihrer Arbeitsgruppe anzuschließen. 1959 erstellten sie die erste Zeitskala der magnetischen Polarität. Mit zunehmender Datenmenge verfeinerten sie diese Skala kontinuierlich, im Wettbewerb mit Don Tarling und Ian McDougall von der Australian National University . Eine Gruppe um Neil Opdyke am Lamont-Doherty Earth Observatory zeigte, dass dasselbe Muster von Polumkehrungen auch in Sedimenten aus Tiefseekernen aufgezeichnet ist. ^{[ 8 ]}

In den 1950er und 1960er Jahren wurden Informationen über Variationen des Erdmagnetfelds hauptsächlich mithilfe von Forschungsschiffen gesammelt. Die komplexen Routen der Ozeankreuzfahrten erschwerten jedoch die Verknüpfung von Navigationsdaten mit Magnetometermessungen . Erst die kartografische Darstellung der Daten machte deutlich, dass bemerkenswert regelmäßige und durchgehende Magnetstreifen auf dem Meeresboden auftraten. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

1963 lieferten Frederick Vine und Drummond Matthews eine einfache Erklärung, indem sie Harry Hess ’ Theorie der Meeresbodenausbreitung mit der bekannten Zeitskala der Umpolungen kombinierten: Meeresbodengestein wird bei seiner Entstehung in Richtung des Magnetfelds magnetisiert. Die Ausbreitung des Meeresbodens von einem zentralen Rücken erzeugt daher Paare magnetischer Streifen, die parallel zum Rücken verlaufen. ^{[ 9 ]} Der Kanadier L. W. Morley schlug unabhängig davon im Januar 1963 eine ähnliche Erklärung vor, doch seine Arbeit wurde von den Fachzeitschriften Nature und Journal of Geophysical Research abgelehnt und blieb bis 1967 unveröffentlicht, als sie in der Literaturzeitschrift Saturday Review erschien . ^{[ 7 ]} Die Morley-Vine-Matthews-Hypothese war der erste wichtige wissenschaftliche Test der Theorie der Meeresbodenausbreitung als Ursache der Kontinentaldrift. ^{[ 8 ]}

Vergangene Feldumkehrungen sind in den erstarrten ferrimagnetischen Mineralen verfestigter Sedimentablagerungen oder abgekühlter vulkanischer Lavaströme an Land aufgezeichnet. Ab 1966 stellten Wissenschaftler des Lamont-Doherty Geological Observatory fest, dass die Magnetfeldprofile entlang des Pazifisch-Antarktischen Rückens symmetrisch verlaufen und dem Muster des Reykjanes-Rückens im Nordatlantik entsprechen . Dieselben magnetischen Anomalien wurden über den meisten Weltmeeren gefunden, wodurch sich abschätzen ließ, wann sich der größte Teil der ozeanischen Kruste gebildet hatte. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Da kein existierender, nicht subduzierter Meeresboden (oder auf Kontinentalplatten aufgeschobener Meeresboden ) älter als etwa 180 Millionen Jahre ist , sind andere Methoden erforderlich, um ältere Magnetfeldumkehrungen nachzuweisen. Die meisten Sedimentgesteine ​​enthalten geringe Mengen eisenreicher Minerale , deren Ausrichtung vom umgebenden Magnetfeld zum Zeitpunkt ihrer Entstehung beeinflusst wurde. Diese Gesteine ​​können eine Aufzeichnung des Magnetfelds bewahren, sofern diese nicht später durch chemische, physikalische oder biologische Veränderungen gelöscht wird .

Da das Erdmagnetfeld ein globales Phänomen ist, können ähnliche Muster magnetischer Variationen an verschiedenen Orten zur Altersbestimmung genutzt werden. Die in den letzten vier Jahrzehnten gewonnenen paläomagnetischen Daten zum Alter des Meeresbodens (bis zu ca. 250 Millionen Jahre ) waren hilfreich, um das Alter geologischer Profile anderswo abzuschätzen. Obwohl es sich nicht um eine eigenständige Datierungsmethode handelt, basiert sie auf Methoden zur Bestimmung des absoluten Alters, wie beispielsweise der Radioisotopenmethode, um numerische Altersangaben zu erhalten. Sie hat sich insbesondere bei der Untersuchung metamorpher und magmatischer Gesteinsformationen als nützlich erwiesen, da Leitfossilien dort selten vorkommen.

Durch die Analyse magnetischer Anomalien am Meeresboden und die Datierung von Umpolungssequenzen an Land haben Paläomagnetiker eine geomagnetische Polaritätszeitskala entwickelt . Die aktuelle Zeitskala umfasst 184 Polaritätsintervalle der letzten 83  Millionen Jahre (und somit 183 Umpolungen). ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Die Häufigkeit der Umpolungen des Erdmagnetfelds hat im Laufe der Zeit stark geschwankt. Vor etwa 72 Millionen Jahren kehrte sich das Feld innerhalb einer Million Jahre fünfmal um. In einem vier Millionen Jahre dauernden Zeitraum um 54 Millionen Jahre ereigneten sich zehn Umpolungen; um etwa 42 Millionen Jahre fanden 17 Umpolungen innerhalb von drei  Millionen Jahren statt. In einem drei  Millionen Jahre dauernden Zeitraum um 24 Millionen Jahre ereigneten sich 13 Umpolungen. Nicht weniger als 51 Umpolungen ereigneten sich in einem zwölf Millionen Jahre dauernden Zeitraum um 15 Millionen Jahre . Zwei Umpolungen ereigneten sich innerhalb von 50.000 Jahren. Diesen Perioden häufiger Umpolungen standen einige wenige „Superchrone“ gegenüber: lange Perioden ohne Umpolungen. ^{[ 12 ]}

Ein Superchron ist ein Polaritätsintervall von mindestens 10  Millionen Jahren. Zwei gut belegte Superchrons sind der Kreidezeit-Normal -Superchron ^{[ 13 ]} und der Kiaman-Superchron ^{[ 14 ]} . Ein dritter Kandidat, der Moyero-Superchron ^{[ 15 ]} , ist umstrittener. Die jurassische Ruhezone in den ozeanischen Magnetfeldanomalien wurde einst als Superchron angesehen, wird aber heute anderen Ursachen zugeschrieben.

Das Kreide-Normal-Superchron (auch Kreide-Superchron oder C34 genannt) dauerte 37  Millionen Jahre, von etwa 120 bis 83 Millionen Jahren vor heute , und umfasste Abschnitte der Kreidezeit vom Aptium bis zum Santonium . Die Häufigkeit magnetischer Umpolungen nahm vor diesem Zeitraum stetig ab und erreichte währenddessen ihren Tiefpunkt (keine Umpolungen). Zwischen dem Kreide-Normal-Superchron und heute hat die Häufigkeit im Allgemeinen langsam zugenommen. ^{[ 16 ]}

Der Kiaman-Reverse-Superchron dauerte vom späten Karbon bis zum späten Perm , also über 50  Millionen Jahre, von etwa 312 bis 262 Millionen Jahren vor unserer Zeitrechnung . ^{[ 16 ]} Das Magnetfeld wies eine umgekehrte Polarität auf. Der Name „Kiaman“ leitet sich von der australischen Stadt Kiama ab , wo 1925 einige der ersten geologischen Belege für den Superchron gefunden wurden. ^{[ 17 ]}

Im Ordovizium existierte vermutlich ein weiterer Superchron, der sogenannte Moyero-Reverse-Superchron , der über 20  Millionen Jahre (  vor 485 bis 463 Millionen Jahren) andauerte. Bislang wurde dieser mögliche Superchron nur im Flussabschnitt des Moyero nördlich des Polarkreises in Sibirien nachgewiesen. ^{[ 18 ]} Die besten Daten aus anderen Teilen der Welt liefern zudem keine Hinweise auf diesen Superchron. ^{[ 19 ]} Bestimmte Meeresbodenregionen, die älter als 160 Millionen Jahre sind, weisen schwache, schwer zu interpretierende magnetische Anomalien auf. Sie befinden sich vor der Ostküste Nordamerikas, der Nordwestküste Afrikas und im westlichen Pazifik. Früher nahm man an, dass es sich um einen Superchron namens „ Jurassic Quiet Zone“ handelte , doch magnetische Anomalien wurden in diesem Zeitraum auch an Land gefunden. Das Erdmagnetfeld weist bekanntermaßen zwischen etwa 130 und 170 Millionen Jahren eine geringe Intensität auf , und diese Meeresbodenabschnitte sind besonders tief, wodurch das geomagnetische Signal zwischen Meeresboden und Oberfläche abgeschwächt wird. ^{[ 19 ]}

Mehrere Studien haben die statistischen Eigenschaften von Polaritätsumkehrungen analysiert, um deren zugrundeliegenden Mechanismus zu verstehen. Die Aussagekraft statistischer Tests ist aufgrund der geringen Anzahl an Polaritätsintervallen begrenzt. Dennoch sind einige allgemeine Merkmale gut belegt. Insbesondere ist das Umkehrmuster zufällig. Es besteht keine Korrelation zwischen den Längen der Polaritätsintervalle. ^{[ 20 ]} Es gibt keine Präferenz für normale oder umgekehrte Polarität und keinen statistischen Unterschied zwischen den Verteilungen dieser Polaritäten. Diese Unvoreingenommenheit ist auch eine robuste Vorhersage der Dynamotheorie . ^{[ 16 ]}

Es gibt keine festgelegte Umkehrrate, da die Umkehrungen statistisch zufällig sind. Die Zufälligkeit der Umkehrungen ist mit Periodizität unvereinbar, dennoch haben mehrere Autoren behauptet, Periodizität gefunden zu haben. ^{[ 21 ]} Diese Ergebnisse sind jedoch wahrscheinlich Artefakte einer Analyse, die gleitende Fenster zur Bestimmung von Umkehrraten verwendet. ^{[ 22 ]}

Most statistical models of reversals have analyzed them in terms of a Poisson process or other kinds of renewal process. A Poisson process would have, on average, a constant reversal rate, so it is common to use a non-stationary Poisson process. However, compared to a Poisson process, there is a reduced probability of reversal for tens of thousands of years after a reversal. This could be due to an inhibition in the underlying mechanism, or it could just mean that some shorter polarity intervals have been missed.^[16] A random reversal pattern with inhibition can be represented by a gamma process. In 2006, a team of physicists at the University of Calabria found that the reversals also conform to a Lévy distribution, which describes stochastic processes with long-ranging correlations between events in time.^[23][24] The data are also consistent with a deterministic, but chaotic, process.^[25]

Most estimates for the duration of a polarity transition are between 1,000 and 10,000 years,^[16] but some estimates are as quick as a human lifetime.^[26] During a transition, the magnetic field will not vanish completely, but many poles might form chaotically in different places during reversal, until it stabilizes again.^[27][28]

Untersuchungen an 16,7 Millionen Jahre alten Lavaströmen am Steens Mountain in Oregon deuten darauf hin, dass sich das Erdmagnetfeld mit einer Geschwindigkeit von bis zu 6 Grad pro Tag verschieben kann. ^{[ 29 ]} Paläomagnetiker begegneten dieser Beobachtung zunächst mit Skepsis. Selbst wenn Veränderungen im Erdkern so schnell erfolgen, gleicht der Erdmantel – als Halbleiter – Variationen vermutlich innerhalb weniger Monate aus. Es wurden verschiedene mögliche gesteinsmagnetische Mechanismen vorgeschlagen, die zu einem falschen Signal führen würden. ^{[ 30 ]} Paläomagnetische Untersuchungen anderer Gesteinsschichten aus derselben Region (den Flutbasalten des Oregon-Plateaus) liefern jedoch übereinstimmende Ergebnisse. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Der Übergang von umgekehrter zu normaler Polarität, der das Ende des Chron C5Cr (  vor 16,7 Millionen Jahren ) markiert, scheint eine Reihe von Umpolungen und Exkursionen zu beinhalten. ^{[ 33 ]} Darüber hinaus fanden die Geologen Scott Bogue vom Occidental College und Jonathan Glen vom US Geological Survey bei der Untersuchung von Lavaströmen am Battle Mountain in Nevada Hinweise auf ein kurzes, mehrere Jahre andauerndes Intervall während einer Umpolung, bei der sich die Feldrichtung um über 50 Grad änderte. Diese Umpolung wurde auf etwa 15  Millionen Jahre vor unserer Zeitrechnung datiert. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Im Jahr 2018 berichteten Forscher von einer nur 200 Jahre andauernden Umpolung. ^{[ 36 ]} Eine Studie aus dem Jahr 2019 schätzt, dass die jüngste Umpolung vor 780.000 Jahren 22.000 Jahre andauerte. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Das Magnetfeld der Erde und anderer Planeten mit Magnetfeldern entsteht durch den Dynamoeffekt . Dabei erzeugt die Konvektion von geschmolzenem Eisen im Planetenkern elektrische Ströme, die wiederum Magnetfelder erzeugen. ^{[ 16 ]} In Simulationen planetarer Dynamos treten Umpolungen häufig spontan aus der zugrundeliegenden Dynamik auf. So nutzten Gary Glatzmaier und sein Mitarbeiter Paul Roberts von der UCLA ein numerisches Modell der Kopplung zwischen Elektromagnetismus und Fluiddynamik im Erdinneren. Ihre Simulation reproduzierte wesentliche Merkmale des Magnetfelds über einen Zeitraum von mehr als 40.000 Jahren, und das computergenerierte Feld kehrte sich um. ^{[ 39 ] [ 40 ]} Globale Feldumpolungen in unregelmäßigen Abständen wurden auch im Laborexperiment „VKS2“ mit flüssigem Metall beobachtet. ^{[ 41 ]}

In einigen Simulationen führt dies zu einer Instabilität, bei der das Magnetfeld spontan seine Richtung ändert. Dieses Szenario wird durch Beobachtungen des solaren Magnetfelds gestützt , das alle 9–12 Jahre spontane Umpolungen erfährt . Bei der Sonne wurde beobachtet, dass die solare Magnetfeldstärke während einer Umpolung stark ansteigt, während Umpolungen auf der Erde in Perioden geringer Feldstärke auftreten. ^{[ 42 ]}

Einige Wissenschaftler, wie beispielsweise Richard A. Muller , gehen davon aus, dass geomagnetische Umpolungen keine spontanen Prozesse sind, sondern durch externe Ereignisse ausgelöst werden, die den Fluss im Erdkern direkt stören. Zu den vorgeschlagenen Ursachen zählen Impaktereignisse ^{[ 43 ] [ 44 ]} oder interne Ereignisse wie das Absinken kontinentaler Platten in den Erdmantel durch die Plattentektonik an Subduktionszonen oder die Entstehung neuer Mantelplumes an der Kern-Mantel-Grenze ^{[ 45 ]} . Befürworter dieser Hypothese argumentieren, dass jedes dieser Ereignisse zu einer großflächigen Störung des Dynamos und damit zur effektiven Abschaltung des Erdmagnetfelds führen kann. Da das Magnetfeld sowohl in seiner gegenwärtigen Nord-Süd-Ausrichtung als auch in einer umgekehrten Ausrichtung stabil ist, nehmen sie an, dass es sich nach einer solchen Störung spontan für einen der beiden Zustände entscheidet, wobei die Hälfte der Erholungen zu Umpolungen führt. Dieser vorgeschlagene Mechanismus scheint in einem quantitativen Modell nicht zu funktionieren, und die stratigraphischen Belege für einen Zusammenhang zwischen Umpolungen und Impaktereignissen sind schwach. Es gibt keine Hinweise auf eine Umkehrung im Zusammenhang mit dem Einschlagereignis, das das Massenaussterben an der Kreide-Paläogen-Grenze verursachte . ^{[ 46 ]}

Kurz nach der Erstellung der ersten geomagnetischen Polaritätszeitskalen begannen Wissenschaftler, die Möglichkeit eines Zusammenhangs zwischen Polumkehrungen und Aussterbeereignissen zu untersuchen . ^{[ 21 ]} Viele dieser Argumente basierten auf einer scheinbaren Periodizität der Polumkehrungen, doch genauere Analysen zeigen, dass die Polumkehrungen nicht periodisch sind. ^{[ 22 ]} Möglicherweise führten die Enden von Superchronen zu starker Konvektion, die wiederum weitverbreiteten Vulkanismus auslöste, und die daraus resultierende Aschewolke verursachte das Aussterben. ^{[ 47 ]} Korrelationsstudien zwischen Aussterben und Polumkehrungen sind aus mehreren Gründen schwierig. Größere Tiere sind im Fossilienbestand zu selten für aussagekräftige Statistiken, daher analysieren Paläontologen mikrofossile Aussterbedaten. Selbst mikrofossile Daten können unzuverlässig sein, wenn Lücken im Fossilienbestand vorhanden sind. Es kann den Anschein haben, als ob das Aussterben am Ende eines Polaritätsintervalls auftritt, obwohl der Rest dieses Intervalls einfach abgetragen wurde. ^{[ 30 ]} Statistische Analysen liefern keine Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Umkehrungen und Aussterben. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Die meisten Erklärungsansätze, die Umpolungen mit Massenaussterben in Verbindung bringen, gehen davon aus, dass das Erdmagnetfeld während einer Umpolung deutlich schwächer wäre. Eine der ersten Hypothesen dieser Art besagte, dass hochenergetische Teilchen, die im Van-Allen-Gürtel gefangen sind , freigesetzt werden und die Erde bombardieren könnten. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Detaillierte Berechnungen bestätigen, dass, wenn das Dipolfeld der Erde vollständig verschwände (und nur noch das Quadrupolfeld und höhere Komponenten übrig blieben), der größte Teil der Atmosphäre zwar für hochenergetische Teilchen zugänglich wäre, aber gleichzeitig als Barriere für diese wirken würde. Kollisionen mit kosmischer Strahlung würden dann Sekundärstrahlung von Beryllium-10 oder Chlor-36 erzeugen . Eine deutsche Studie aus dem Jahr 2012, die grönländische Eiskerne untersuchte, zeigte einen Peak von Beryllium-10 während einer kurzen, vollständigen Umpolung vor 41.000 Jahren . Diese führte dazu, dass die Magnetfeldstärke während der Umpolung auf schätzungsweise 5 % des Normalwerts sank. ^{[ 51 ]} Es gibt Hinweise darauf, dass dies sowohl bei säkularen Variationen ^{[ 52 ] [ 53 ]} als auch bei Umkehrungen auftritt. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

Eine Hypothese von McCormac und Evans geht davon aus, dass das Erdmagnetfeld während Umpolungen vollständig verschwindet. ^{[ 56 ]} Sie argumentieren, dass die Marsatmosphäre durch den Sonnenwind abgetragen worden sein könnte, da sie kein schützendes Magnetfeld besaß. Sie sagen voraus, dass Ionen oberhalb von 100 km aus der Erdatmosphäre herausgelöst würden. Paläointensitätsmessungen zeigen jedoch, dass das Magnetfeld während Umpolungen nicht verschwunden ist. Basierend auf Paläointensitätsdaten der letzten 800.000 Jahre ^{[ 57 ]} wird die Magnetopause während der Brunhes-Matuyama-Umpolung noch auf etwa drei Erdradien geschätzt. ^{[ 49 ]} Selbst wenn das interne Magnetfeld verschwunden wäre, könnte der Sonnenwind in der Ionosphäre der Erde ein Magnetfeld induzieren , das ausreicht, um die Oberfläche vor energiereichen Teilchen zu schützen. ^{[ 58 ]}

• Liste der geomagnetischen Umpolungen , einschließlich ihrer Zeitpunkte
• Magnetische Anomalie

• Stimmt es, dass sich das Erdmagnetfeld bald umkehren wird? physics.org , abgerufen am 8. Januar 2019
• Polumkehr findet ständig (geologisch) statt. NASA , abgerufen am 1. März 2022.