지자기 반전

Geomagnetic reversal
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지난 500만 년 동안의 지자기 극성(신생대 후기 플리오센과 제4기).어두운 영역은 극성이 오늘날의 정상 극성과 일치하는 기간을 나타냅니다. 밝은 영역은 극성이 반전되는 기간을 나타냅니다.

지자기역전은 행성의 자기장의 변화로 자북과 자남의 위치가 서로 교환된다(지리적 북부와 지리적 남부와 혼동하지 말 것).지구장은 현재 방향과 같은 방향인 정상 극성 주기와 반대 방향인 역극성 사이를 번갈아 왔다.이 기간을 크론이라고 합니다.

반전 발생은 통계적으로 랜덤입니다.지난 8300만 년 동안 183번의 역전이 있었다.가장 최근의 브룬슈-마쓰야마 역전 사건은 78만 [1]년 전에 일어났으며, 얼마나 빨리 일어났는지에 대한 추정치가 매우 다양했다.다른 자료들은 가장 최근의 4번의 [2]역전이 완료되기까지 걸리는 시간이 평균 약 7,000년이라고 추정한다.Clement(2004)는 이 지속시간이 위도에 따라 다르며, 저위도에서는 지속시간이 짧고 중위도 [2]및 고위도에서는 지속시간이 길다고 주장한다.가변적이긴 하지만, 완전한 반전의 지속기간은 보통 2,000년에서 [3]12,000년 사이입니다.

수백 [4]년 동안 필드가 전체적으로 역전된 기간이 있었지만(예: 라샴프 익스커전), 이러한 이벤트는 완전한 지자기 역전이 아닌 Excursion으로 분류된다.안정적인 극성 크론은 종종 크고 빠른 방향 이탈을 나타내며, 이는 반전보다 더 자주 발생하며 반전 실패로 간주될 수 있습니다.이러한 탐색 동안, 장은 액체 외핵에서는 반전되지만 고체 내핵에서는 반전되지 않습니다.액체 외핵의 확산은 500년 이하의 기간이며, 고체 내핵의 확산은 3,000년 [5]정도로 길다.

역사

20세기 초, Bernard Brunhes와 같은 지질학자들은 일부 화산암들이 지구장의 방향과 반대 방향으로 자화된다는 것을 처음 알아챘다.1920년대 후반 마쓰야마 모토노리(Motonori Matuyama)가 자기 반전에 대한 최초의 체계적인 증거와 시간 척도 추정을 했다. 그는 자기장이 거꾸로 된 암석이 모두 플라이스토세 초기 나이 이상이라는 것을 관찰했다.그 당시에는 지구의 극성을 제대로 이해하지 못했고, 반전의 가능성은 거의 [6][7]관심을 일으키지 않았다.

30년 후, 지구의 자기장이 더 잘 이해되었을 때, 지구의 자기장이 먼 과거에 역전되었을지도 모른다는 이론이 발전했다.1950년대 후반의 대부분의 고자기학 연구는 극의 방황과 대륙 이동에 대한 조사를 포함했다.비록 몇몇 암석들이 식는 동안 자기장을 역전시킨다는 것이 발견되었지만, 대부분의 자화된 화산암들은 암석들이 식었을 때 지구 자기장의 흔적을 보존했다는 것이 명백해졌다.암석의 절대 연령을 구하는 신뢰할 수 있는 방법이 없을 때, 반전은 대략 백만 [6][7]년마다 일어난다고 생각되었다.

반전에 대한 이해의 다음 큰 발전은 1950년대에 방사선 측정 측정 기술이 개선되었을 때 이루어졌다.미국 지질 조사국의 앨런 콕스와 리처드 돌은 역전이 정기적으로 일어나는지 알고 싶어했고 지질 연대학자 브렌트 달림플을 그들의 그룹에 초대했다.그들은 1959년에 최초의 자기 극성 시간 척도를 만들었다.그들은 데이터를 축적하면서 호주 국립 대학의 Don Tarling과 Ian McDougall과의 경쟁에서 이 규모를 지속적으로 개선했습니다.라몬트-도허티 지구 관측소의 닐 옵다이크가 이끄는 그룹은 심해 [7]중심핵의 퇴적물에서도 같은 패턴의 역전이 기록되었음을 보여주었다.

1950년대와 1960년대 동안 지구 자기장의 변화에 대한 정보는 주로 연구선을 통해 수집되었지만, 해양 순항선의 복잡한 경로는 항해 데이터와 자력계 수치를 연결하는 것을 어렵게 만들었다.데이터가 지도에 표시되었을 때 비로소 현저하게 규칙적이고 연속적인 자기 줄무늬가 [6][7]해저에 나타난다는 것이 명백해졌다.

Oceanic.Stripe.Magnetic.Anomalies.Scheme.svg

1963년, 프레드릭 바인과 드럼몬드 매튜스는 해리 헤스의 해저 확산 이론과 알려진 역전의 시간 척도를 결합함으로써 간단한 설명을 했습니다: 새로운 해저는 당시 전류장의 방향으로 자화됩니다.따라서 중앙 능선에서 펼쳐진 해저에서는 능선과 [8]평행하게 한 쌍의 자기 줄무늬가 생성된다.캐나다인 L. W. 몰리는 1963년 1월 독자적으로 비슷한 설명을 제안했지만 그의 연구는 과학 저널 네이처와 지구물리학 연구 저널에 의해 거절당했고, 문학 잡지 토요일 리뷰에 실린 1967년까지 [6]발표되지 않았다.몰리-바인-매튜 가설은 대륙 [7]이동의 해저 확산 이론에 대한 첫 번째 과학 실험이었다.

1966년부터, 라몬트-도허티 지질 관측소 과학자들은 태평양-남극 능선을 가로지르는 자기 프로파일이 대칭이며 북대서양 레이케인 능선의 패턴과 일치한다는 것을 발견했다.세계 대부분의 바다에서 동일한 자기 이상 현상이 발견되었고, 이는 대부분의 해양 지각이 [6][7]언제 발달했는지 추정할 수 있게 해 주었다.

과거 필드 관찰

쥐라기 중기 이후 지자기 극성이야어두운 영역은 극성이 오늘날의 극성과 일치하는 기간을 나타내며, 밝은 영역은 극성이 반전되는 기간을 나타냅니다.백악기 노멀 초시계는 이미지 중앙 부근에 넓고 끊김이 없는 검은 띠로 보입니다.

과거의 필드 역전은 육지의 굳은 퇴적물이나 냉각된 화산 흐름의 "동결" 강자성 광물(더 정확하게는 강자성)에 기록된다.

지자기 역전의 과거 기록은 해저의 자기 띠 "이상"을 관찰함으로써 처음 눈에 띄었다.로렌스 W. 몰리, 프레드릭 존 바인, 드럼몬드 호일 매튜스는 몰리-바인-매튜 가설에서[8][9] 해저 확산과 연관성을 만들었고, 이는 곧 판구조론의 발전으로 이어졌다.해저의 확산 속도가 비교적 일정하기 때문에 기판 "스트라이프"가 발생하는데, 이 기판 "스트라이프"는 해저에 따라 견인되는 자력계에서 과거의 자기장 극성을 추정할 수 있습니다.

기존의 전도되지 않은 해저(또는 대륙 판에 떠밀리는 해저)는 약 1억 8천만 년 이상 된 것이 아니기 때문에, 오래된 역전을 감지하기 위해서는 다른 방법이 필요합니다.대부분의 퇴적암은 철분이 풍부한 광물을 포함하고 있으며, 그 방향은 그들이 형성되었을 때의 주변 자기장에 의해 영향을 받습니다.이 암석들은 나중에 화학적, 물리적 또는 생물학적 변화에 의해 지워지지 않는다면 그 분야의 기록을 보존할 수 있다.

자기장은 전체적으로[citation needed] 일정하기 때문에 서로 다른 장소에서 비슷한 패턴의 자기 변화를 사용하여 서로 다른 위치의 나이를 상관시킬 수 있습니다.지난 40년 동안 해저 나이(최대 250Ma)에 대한 많은 고지자기 데이터가 수집되었으며 지질 단면의 나이를 추정하는 데 유용하다.독립적인 연대 측정 방법이 아닌, 숫자 나이를 도출하기 위해 방사성 동위원소 시스템과 같은 "절대" 나이 측정 방법에 의존합니다.이것은 지표 화석이 거의 없는 변성 및 화성 지질학자들에게 특히 유용해졌다.

지자기 극성 시간 척도

상세정보 : 자기구조학

고생자기학자들은 해저 자기 이상 분석과 육지에서의 반전 시퀀스의 연대를 통해 지자기 극성 시간 척도(GPTS)를 개발해왔다.현재 시간 척도는 지난 8300만 년 동안 184개의 극성 간격(따라서 183개의 반전)[10][11]을 포함합니다.

시간 경과에 따른 주파수 변경

지구 자기장의 역행 속도는 시간이 지남에 따라 크게 달라졌다.7200만 년 전(Ma) 이 장은 100만 년 동안 5번 역전되었습니다.54 Ma를 중심으로 한 400만 년 동안 10번의 역전이 있었고, 42 Ma 무렵에는 300만 년 동안 17번의 역전이 일어났다.24 Ma를 중심으로 300만년 동안 13번의 역전이 일어났다.1500만년 전을 중심으로 1200만년 동안 무려 51번의 역전이 일어났다.5만년 동안 두 번의 역전이 일어났다.이러한 빈번한 역전의 시대는 역전이 [12]일어나지 않았던 오랜 기간인 소수의 "슈퍼크론"에 의해 균형을 이루었습니다.

슈퍼크론

슈퍼크로닉은 1000만 년 이상 지속되는 극성 간격입니다.백악기 노멀과 키아만이라는 두 개의 잘 확립된 초크론이 있다.세 번째 후보인 모예로는 더 논란이 많다.해양 자기 이상에서 쥬라기 정숙대는 한때 초시계를 나타내는 것으로 생각되었지만, 지금은 다른 원인에 기인한다.

백악기 정상기(중백기 슈퍼 연대기 또는 C34라고도 함)는 약 1억 2천만 년 전부터 8천 3백만 년 전까지 약 4천만 년 동안 지속되었으며, 여기에는 압티안부터 산톤기에 이르는 백악기 단계가 포함됩니다.자기 역전의 빈도는 그 기간 전에 꾸준히 감소하여 그 기간 동안 낮은 지점(역전이 없음)에 도달했다.백악기 정상기와 현재 시기 사이에는 빈도가 일반적으로 [13]서서히 증가해 왔다.

Kiaman Reverse Superchron은 대략 석탄기 후기부터 페름기 후기, 또는 약 3억1200만 [13]년에서 2억6200만 년 전까지 5천만 년 이상 지속되었습니다.자기장이 극성을 역전시켰다."Kiaman"이라는 이름은 호주의 [14]Kiama 마을에서 유래했는데, 이 마을에서 1925년에 초연기의 지질학적 증거 중 일부가 발견되었다.

오르도비스기는 2천만 년 이상(4억8천5백만 년 전에서 4억6천3백만 년 전) 지속된 모예로 역행 초시계라고 불리는 또 다른 초시계를 숙주한 것으로 의심된다.지금까지 이 초시계일 가능성이 있는 것은 [15]시베리아의 극원 북쪽 모예로 강 부분에서만 발견되었습니다.게다가, 세계 다른 곳의 최고의 데이터는 이러한 [16]초연기에 대한 증거를 보여주지 않는다.

160Ma보다 오래된 해저의 일부 지역은 해석하기 어려운 저진폭 자기 이상을 가지고 있다.그들은 북아메리카의 동쪽 해안, 아프리카의 북서쪽 해안, 그리고 서태평양에서 발견됩니다.그들은 한때 쥐라기 정숙대라고 불리는 초시계를 나타내는 것으로 생각되었지만, 이 기간 동안 육지에서는 자기 이상 현상이 발견됩니다.지자기장은 약 130~170Ma의 낮은 강도로 알려져 있으며, 해저의 이러한 구간은 특히 깊어서 해저와 [16]지표면 사이에서 지자기 신호가 감쇠하는 원인이 된다.

역전의 통계적 특성

몇몇 연구는 그들의 기본 메커니즘에 대해 무언가를 배우기를 희망하며 역전의 통계적 특성을 분석했습니다.통계적 테스트의 식별력은 극성 간격의 수가 작기 때문에 제한됩니다.그럼에도 불구하고 몇 가지 일반적인 특징이 잘 확립되어 있습니다.특히, 역전의 패턴은 랜덤입니다.극성 [17]간격의 길이 사이에는 상관관계가 없습니다.정규 극성과 반전 극성 모두 선호되지 않으며 이러한 극성 분포 간의 통계적 차이는 없습니다.이러한 편견의 부족은 발전기 [13]이론의 강력한 예측이기도 하다.

통계적으로 랜덤하기 때문에 반전율은 없습니다.반전의 무작위성은 주기성과 일치하지 않지만, 몇몇 저자들은 주기성을 [18]찾는다고 주장해 왔다.그러나 이러한 결과는 슬라이딩 창을 사용하여 반전율을 [19]결정하려는 분석의 결과일 수 있습니다.

대부분의 역행 통계 모형은 포아송 공정이나 다른 종류의 갱신 공정의 관점에서 역행을 분석했습니다.포아송 공정은 평균적으로 일정한 반전율을 가지므로 비정상 포아송 공정을 사용하는 것이 일반적입니다.그러나 포아송 공정에 비해 반전 후 수만 년 동안 반전 확률이 감소합니다.이는 기본 메커니즘의 억제에 의한 것일 수도 있고 단지 일부 짧은 극성 간격이 [13]누락되었음을 의미할 수도 있습니다.억제를 수반하는 랜덤 반전 패턴을 감마 프로세스로 나타낼 수 있다.2006년, 칼라브리아 대학의 물리학자 팀은 이 역행들이 레비 분포에도 부합한다는 것을 알아냈다.레비 분포는 사건들 사이에 [20][21]긴 범위의 상관관계가 있는 확률적 과정을 기술한다.데이터는 결정론적이지만 혼란스러운 [22]공정과도 일관됩니다.

전환 특성

지속

극성 전환의 지속 시간은 대부분 1,000년에서 10,000년 [13]사이이지만, 일부 추정치는 인간의 [23]수명만큼 빠르다.오리건주 스틴스 산의 1,670만년 된 용암 흐름에 대한 연구는 지구의 자기장이 매일 [24]최대 6도의 속도로 이동할 수 있다는 것을 보여준다.이것은 처음에 고생자기학자들의 회의론에 부딪혔다.중심핵에서 그렇게 빨리 변화가 일어나더라도, 반도체인 맨틀은 몇 달 미만의 주기로 변화를 제거하는 것으로 생각된다.잘못된 [25]신호로 이어질 수 있는 다양한 암석 자기 메커니즘이 제안되었다.그러나 동일한 지역(오리건 고원 홍수 현무암)의 다른 부분에 대한 고지자기 연구는 일관된 [26][27]결과를 제공한다.Chron C5Cr(1670만년 전)의 종말을 알리는 역극성-정상 극성 전환에는 일련의 반전 및 [28]이탈이 포함되어 있는 것으로 보인다.게다가 네바다주 배틀 마운틴에서 용암류를 표본으로 추출한 옥시덴탈 칼리지의 지질학자 스콧 보그와 미국 지질조사국의 조나단 글렌은 필드 방향이 50도 이상 바뀌었을 때 역전이 일어나는 동안 짧고 긴 간격의 증거를 발견했다.그 반전은 대략 1500만년 [29][30]전으로 거슬러 올라간다.2018년 8월, 연구원들은 200년 동안만 [31]그 반전이 지속되었다고 보고했다.그러나 2019년 한 논문에 따르면 가장 최근의 반전은 78만 년 전으로, [32][33]22,000년 동안 지속되었다고 한다.

자기장

자기장이 완전히 사라지지는 않겠지만,[34][35] 많은 극이 다시 안정될 때까지 반전되는 동안 다른 장소에서 무질서하게 형성될 수 있습니다.

원인들

Glatzmaier와 [36]Roberts 모델을 사용한 NASA 컴퓨터 시뮬레이션.튜브는 자기장 선을 나타냅니다. 자기장이 중심을 가리킬 때는 파란색, 떨어져 있을 때는 노란색입니다.지구의 자전축은 중심과 수직이다.밀집된 선들은 지구의 [35]중심핵 안에 있다.

지구와 자기장을 가진 다른 행성들의 자기장은 행성 중심부에서 용융된 철의 대류가 전류를 발생시켜 자기장을 [13]발생시키는 발전기 작용에 의해 발생합니다.행성 역학의 시뮬레이션에서, 역학은 종종 기초 역학에서 자연스럽게 나타난다.예를 들어 UCLA의 Gary Glatzmaier와 공동 연구자인 Paul Roberts는 지구 내부의 전자기학과 유체 역학 사이의 결합에 대한 수치 모델을 실행했다.그들의 시뮬레이션은 4만 년 이상의 시뮬레이션 시간에 걸쳐 자기장의 주요 특징을 재현했고 컴퓨터가 생성한 자기장은 역전되었다.[36][37]불규칙한 간격의 지구장 역전이 실험실 액체 금속 실험 "VKS2"[38]에서도 관찰되었습니다.

일부 시뮬레이션에서는 이로 인해 자기장이 자연스럽게 반대 방향으로 뒤집히는 불안정성이 발생합니다.이 시나리오는 태양 자기장의 관측에 의해 뒷받침되며, 태양 자기장은 9-12년마다 자연 역전을 겪는다.그러나 태양과 함께 태양 자기 강도는 역전하는 동안 크게 증가하는 반면, 지구에서는 전계 강도가 [39]낮은 기간 동안 역전되는 것으로 보입니다.

가상 트리거

리차드 A와 같은 몇몇 과학자들. 뮬러, 지자기 역전은 자발적인 과정이 아니라 지구핵의 흐름을 직접적으로 방해하는 외부 사건에 의해 촉발된다고 생각해.제안에는 충돌 사건이나[40][41] 섭입대에서의 판구조론의 작용에 의해 맨틀로 내려오는 대륙 슬래브의 도착이나 코어-맨틀 [42]경계에서 새로운 맨틀 플룸의 시작과 같은 내부 사건이 포함된다.이 가설의 지지자들은 이러한 사건들 중 어떤 것이든 발전기의 대규모 교란으로 이어져 지자기장을 효과적으로 끌 수 있다고 주장한다.자기장은 현재의 남북방향 또는 역방향에서 안정적이기 때문에 이러한 혼란에서 회복될 때 자발적으로 한쪽 상태를 선택하여 회복의 절반이 역방향으로 되는 것을 제안합니다.그러나 제안된 메커니즘은 정량적 모델에서는 작동하지 않는 것으로 보이며, 역행과 충격 사건 사이의 상관관계에 대한 층서학의 근거는 약하다.백악기-팔레오진 대멸종의 [43]원인이 된 충돌 사건과 관련된 반전의 증거는 없다.

생물권에 미치는 영향

최초의 지자기 극성 시간 척도가 만들어진 직후, 과학자들은 역전이 멸종과 연관될 수 있는 가능성을 탐구하기 시작했다.대부분의 그러한 제안들은 지구 자기장이 역행하는 동안 훨씬 더 약해질 것이라는 가정에 근거하고 있다.아마도 그러한 첫 번째 가설은 밴 앨런 방사선 벨트에 갇힌 고에너지 입자들이 해방되어 지구를 [44][45]폭격할 수 있다는 것이었다.상세한 계산에 따르면 지구의 쌍극자장이 완전히 사라지면 (4극 이상의 구성 요소에서) 대부분의 대기는 고에너지 입자에 접근할 수 있게 되지만, 이러한 입자에 대한 장벽으로 작용하며, 우주선의 충돌은 베릴륨-10이나 염소-36의 2차 방사선을 발생시킬 것이다.2012년 독일의 그린란드 얼음 코어 연구는 41,000년 전 잠깐의 완전한 반전 동안 베릴륨-10의 피크를 나타냈으며,[46] 이로 인해 자기장 강도는 정상의 약 5%로 떨어졌다.이것이 영속적인[47][48] 변동과 [49][50]역행 중 모두 발생한다는 증거가 있다.

맥코맥과 에반스의 또 다른 가설은 지구장이 [51]역전되는 동안 완전히 사라진다고 가정한다.그들은 화성을 보호할 자기장이 없었기 때문에 화성의 대기가 태양풍에 의해 잠식되었을 수도 있다고 주장한다.그들은 지구 대기 100km 이상에서 이온이 제거될 것이라고 예측한다.그러나 고점 강도 측정 결과, 자기장은 반전 중에 사라지지 않았습니다.지난 80만 [52]년 동안의 고점 데이터에 근거해, 자기권계면은 브룬헤스-마쓰야마 [44]역전 동안 여전히 지구 반지름 약 3개에 있었던 것으로 추정된다.비록 내부 자기장이 사라졌다고 해도, 태양풍은 지구 전리층에 강력한 [53]입자로부터 표면을 보호하기에 충분한 자기장을 유도할 수 있다.

가설은 또한 역전을 [54]대멸종과 연관짓는 방향으로 발전했다.그러한 많은 주장들은 역전의 비율의 명백한 주기성에 기초했지만, 보다 신중한 분석에 따르면 역전의 기록은 [19]주기적이지 않다.그러나 초크론의 끝부분이 활발한 대류를 일으켜 광범위한 화산 활동을 일으켰고, 그 후 공기 중에 떠다니는 화산재가 [55]멸종을 일으켰을 수도 있다.

멸종과 역행의 상관관계 테스트는 여러 가지 이유로 어렵다.화석 기록에서 더 큰 동물들은 좋은 통계를 내기엔 너무 희귀하기 때문에 고생물학자들은 미세 화석이 멸종된 것을 분석했다.화석 기록에 히아투스가 있으면 미세 화석 데이터도 믿을 수 없다.극성 간격의 나머지 부분이 단순히 [25]잠식되었을 때 극성 간격의 끝에 소멸이 발생하는 것처럼 보일 수 있습니다.통계 분석은 역행과 [56][44]멸종 사이의 상관관계에 대한 증거를 보여주지 않는다.

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레퍼런스

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추가 정보

외부 링크

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