היפוך גאומגנטי

היפוך גאומגנטי הוא שינוי בשדה המגנטי של כוכב הלכת כך שהמיקומים של צפון מגנטי ודרום מגנטי מתחלפים (לא להתבלבל עם צפון גאוגרפי ודרום גאוגרפי). השדה המגנטי של כדור הארץ התחלף בין תקופות של קוטביות נורמלית, שבהן הכיוון השולט של השדה היה זהה לכיוון הנוכחי, לבין קוטביות הפוכה, שבה הוא היה הפוך. תקופות אלו נקראות כרונים.

מופעי היפוך הם אקראיים סטטיסטית. היו לפחות 183 היפוכים במהלך 83 מיליון השנים האחרונות (בממוצע אחת ל-450,000 שנה). האחרון, היפוך ברונס-מטויאמה (Brunhes–Matuyama), התרחש לפני 780,000 שנים ויש הערכות שונות לגבי מהירות התהליך. היפוך מושלם בממוצע תוך כ-7,000 שנים במקרה של ארבעת ההיפוכים האחרונים. קלמנט (Clement, 2004) סבור שמשך זמן זה תלוי בקווי הרוחב, ושיש משכים קצרים יותר בקווי רוחב נמוכים ומשך זמן ארוך יותר בקווי רוחב בינוניים וגבוהים. היפוך מלא נמשך בין 2,000 ל-12,000 שנים.

היו תקופות שבהן השדה התהפך באופן גלובלי (כגון אירוע לשמפ, Laschamp) במשך כמה מאות שנים. אירועים אלו לא מסווגים כהיפוכים גאומגנטיים מלאים. כרוני קוטביות יציבים מראים לעיתים קרובות תנועות כיווניות גדולות ומהירות, המתרחשות לעיתים קרובות יותר מאשר היפוכים, ואולי הם היפוכים כושלים. במהלך אירוע כזה, השדה מתהפך בליבה החיצונית הנוזלית אך לא בליבה הפנימית המוצקה. הדיפוזיה בליבה החיצונית מתרחשת בטווחי זמן של 500 שנים או פחות ואילו זו של הליבה הפנימית היא ארוכה יותר, ונמשכת בסביבות 3,000 שנים.

 היסטוריה של גילוי ההיפוכים 
בתחילת המאה ה-20, גאולוגים ובהם ברנרד ברונס הבחינו לראשונה שכמה סלעים געשיים ממוגנטים בניגוד לכיוון השדה המקומי של כדור הארץ. את העדויות השיטתיות הראשונות לאומדן של ההיפוכים המגנטיים ואת הערכת טווח הזמן שלהם עשה מוטונורי מאטויאמה (Motonori Matuyama) בסוף שנות ה-20; הוא הבחין שסלעים עם שדות מגטניים הפוכים היו כולם בגיל הפליסטוקן הקדום ומעלה. באותה תקופה, הקוטביות של כדור הארץ לא הייתה מובנת, והאפשרות של היפוך עוררה עניין מועט.

שלושה עשורים מאוחר יותר, כאשר השדה המגנטי של כדור הארץ הובן טוב יותר, התפתחו תיאוריות המצביעות על כך ששדה כדור הארץ עשוי היה להתהפך בעבר. רוב המחקר הפלאומגנטי בסוף שנות ה-50 כלל בדיקה של שיטוט הקטבים המגנטיים ונדידת היבשות. התגלה שחלק מהסלעים הפכו את השדה המגנטי שלהם תוך כדי התקררות, אך התברר שרוב הסלעים הוולקניים הממוגנטים שימרו עקבות של השדה המגנטי של כדור הארץ בזמן שהסלעים התקררו. בהיעדר שיטות מהימנות לקבלת גילאים מוחלטים לסלעים, חשבו שההיפוכים מתרחשים בערך כל מיליון שנים.

ההתקדמות הגדולה הבאה בהבנת היפוכים הגיעה כאשר טכניקות של תיארוך רדיומטרי שופרו בשנות החמישים. אלן קוקס וריצ'רד דואל, במכון הסקר הגאולוגי של ארצות הברית, רצו לדעת אם היפוכים התרחשו במרווחי זמן קבועים, והזמינו את הגאוכרונולוג ברנט דאלרימפל להצטרף לקבוצה שלהם. הם ייצרו את סולם זמן הקוטביות המגנטית הראשון ב-1959. הם צברו נתונים והמשיכו לחדד את קנה המידה הזה בתחרות עם דון טרלינג ואיאן מקדוגל מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה. קבוצה בראשות ניל אודייק במצפה כדור הארץ למונט-דוהרטי הראתה שאותו דפוס של היפוכים תועד במשקעים מליבות ים עמוקים.

במהלך שנות החמישים והשישים נאסף מידע על וריאציות בשדה המגנטי של כדור הארץ בעיקר באמצעות ספינות מחקר, אך המסלולים המורכבים של הפלגות באוקיינוסים הקשו על הקשר בין נתוני ניווט לקריאות מגנומטר. רק כאשר נרשמו נתונים על מפה, התברר כי פסים מגנטיים קבועים ורציפים להפליא הופיעו על קרקעית האוקיינוס.
ממוזער
בשנת 1963 סיפקו פרדריק ויין ודראמונד מתיוס הסבר פשוט על ידי שילוב תאוריית התפשטות קרקעית הים של הארי הס עם סולם הזמן הידוע של היפוכים: סלע קרקעית הים מתמגנט לכיוון השדה כאשר הוא נוצר. לפיכך, קרקעית הים המתפשטת מרכס מרכזי תייצר זוגות של פסים מגנטיים במקביל לרכס. הקנדי מורלי (LW Morley) הציע באופן עצמאי הסבר דומה בינואר 1963, אך עבודתו נדחתה על ידי כתבי העת המדעיים Nature ו-Journal of Geophysical Research, ונותרה לא מפורסמת עד 1967, אז הופיעה במגזין הספרותי Saturday Review. השערת מורלי-ויין-מתיוס הייתה המבחן המדעי הראשון לתאוריית התפשטות קרקעית הים של סחיפת יבשות.

היפוכי שדות בעבר מתועדים במינרלים הפרימגנטיים המוצקים של מרבצי משקע מאוחדים או בזרימות געשיות מקוררות ביבשה. החל משנת 1966, מדענים מהמצפה הגאולוגי של למונט-דוהרטי גילו שהפרופילים המגנטיים על פני רכס האוקיינוס השקט-אנטארקטיקה היו סימטריים ותואמים לתבנית שברכס רייקיין שבצפון האוקיינוס האטלנטי. אותן חריגות מגנטיות נמצאו ברוב האוקיינוסים בעולם, מה שאפשר להעריך מתי רוב קרום האוקיינוס התפתח.

 התבוננות בשדות עבר 
ימין|ממוזער|קוטביות גיאומגנטית מאז אמצע תור היורה. אזורים כהים מציינים תקופות שבהן הקוטביות תואמת את הקוטביות של היום, בעוד שאזורים בהירים מציינים תקופות שבהן הקוטביות הפוכה. הסופרכרון (תקופת הזמן) הרגיל של קרטיקון נראה כפס השחור הרחב והבלתי מופרע ליד אמצע התמונה.
מכיוון ששום קרקעית ים לא מושחתת (או קרקעית ים הנדחפת על לוחות יבשתיים) אינה בת יותר מ-180 מיליון שנה, שיטות אחרות נחוצות לזיהוי היפוכים ישנים יותר. רוב סלעי המשקע כוללים כמויות זעירות של מינרלים עשירים בברזל, שהכיוון שלהם מושפע מהשדה המגנטי הסביבתי בזמן היווצרותם. סלעים אלה יכולים לשמר תיעוד של השדה אם הוא לא יימחק מאוחר יותר על ידי שינוי כימי, פיזי או ביולוגי.

מכיוון שהשדה המגנטי של כדור הארץ הוא תופעה כלל-עולמית, ניתן להשתמש בדפוסים דומים של וריאציות מגנטיות באתרים שונים כדי לסייע בחישוב גיל שכבת הקרקע במקומות שונים. בארבעת העשורים האחרונים נאספו נתונים פליאומגנטיים על גיל קרקעית הים עד לפני 250 מיליון שנה והיו שימושיים בהערכת גילם של קטעים גאולוגיים במקומות אחרים. זו אינה שיטת תיארוך עצמאית. היא תלויה בשיטות תיארוך גיל אחרות, למשל מערכות רדיואיזוטופיות כדי לקבוע גיל. שיטה זו הפכה לשימושית במיוחד כאשר חוקרים תצורות סלע יסוד וסלע מטמורפי, בהם מאובני אינדקס זמינים לעיתים רחוקות.

 סולם זמן של קוטביות גיאומגנטית 
באמצעות ניתוח חריגות מגנטיות בקרקעית הים ותארוך של רצפי היפוך ביבשה, חוקרי פליאומגנטיות פיתחו סולם זמן של קוטביות גיאומגנטית. סולם הזמן הנוכחי מכיל 184 מקטעים של קוטביות ב-83 מיליון השנים האחרונות ולכן מדובר ב-183 היפוכים.

 השתנות התדירות לאורך זמן 
קצב ההיפוכים בשדה המגנטי של כדור הארץ השתנה מאוד לאורך זמן. לפני כ-72 מיליון שנה, השדה התהפך 5 פעמים במשך מיליון שנים. בתקופה שנמשכה 4 מיליון שנה לפני 54 מיליון שנה, היו 10 היפוכים; לפני כ-42 מיליון שנה, התרחשו 17 היפוכים בטווח של 3 מיליון שנים. בתקופה של 3 מיליון שנים שהייתה באמצע תקופה של 24 מיליון שנים לפני זמננו, התרחשו 13 היפוכים. 51 היפוכים התרחשו בתקופה של 12 מיליון שנה, במרכז של התקופה שהחלה לפני 15 מיליון שנה. שני היפוכים התרחשו במהלך תקופה של 50,000 שנה. תקופות אלה של היפוכים תכופים אוזנו על ידי כמה "סופרכרונים": תקופות ארוכות שבהן לא התרחשו היפוכים.

 סופרכרונים 
סופרכרון הוא מרווח קוטביות הנמשך לפחות 10 מיליון שנים. ישנם שני סופרכרונים מבוססים, הקרטיקון הנורמלי (Cretaceous Normal) והקיאמן (Kiaman). מועמד שלישי, המואיירו (Moyero), שנוי יותר במחלוקת. אזור היורה השקט שהתקיים ללא אנומליות מגנטיות באוקיינוס נחשב בעבר כמייצג סופרכרון, אך כעת מיוחס לסיבות אחרות.

הקרטיקון הנורמלי (נקרא גם קרטיקון סופרכרון או C34) נמשך כמעט 40 מיליון שנים, מ-120 מיליון שנים לפני זמננו בערך עד 83 מיליון שנים לפני זמננו, כולל שלבים של תקופת הקרטיקון מתת-התקופה האפטיאנית (Aptian) ועד תת-התקופה הסנטוניאנית (Santonian). תדירות ההיפוכים המגנטיים ירדה בהתמדה לפני הקרטיקון והגיעה לנקודת השפל שלה, ללא היפוכים, במהלך הקרטיקון. בין הקרטיקון הנורמלי להווה, התדירות גדלה בדרך כלל לאט.

היפוך הסופרכרון הקיאמני (Kiaman Reverse Superchron) נמשך מסוף הקרבון עד סוף הפרם, יותר מ-50 מיליון שנים, מסביבות 312 מיליון שנה לפני זמננו עד 262 מיליון שנים לפני זמננו. לשדה המגנטי הייתה קוטביות הפוכה. השם "קיאמאן" נובע מהעיירה האוסטרלית קיאמה, שבה נמצאו כמה מהעדויות הגאולוגיות הראשונות לסופרכרון ב-1925.

על פי החשד, באורדוביק קרה סופרכרון נוסף, היפוך הסופרכרון מוירו (Moyero Reverse Superchron), שנמשך יותר מ-20 מיליון שנים (לפני 485 ועד לפני 463 מיליון שנים). עד כה, הסופרכרון האפשרי הזה נמצא רק בקטע נהר מוירו מצפון למעגל הקוטב בסיביר. נתונים ממקומות אחרים בעולם אינם מראים עדויות לסופרכרון הזה. באזורים מסוימים של קרקעית האוקיינוס, שגילם מעל 160 מיליון שנים, יש חריגות מגנטיות בעלות משרעת נמוכה שקשה לפרש. הם נמצאים מול החוף המזרחי של צפון אמריקה, החוף הצפון מערבי של אפריקה ומערב האוקיינוס השקט. בעבר חשבו שהם מייצגים סופרכרון שנקרא אזור היורה השקט (Jurassic Quiet Zone), אך אנומליות מגנטיות נמצאות ביבשה בתקופה זו. השדה הגיאומגנטי היה בעל עוצמה נמוכה בין 130–170 מיליון שנה לפני זמננו, וקטעים אלה של קרקעית האוקיינוס הם עמוקים במיוחד, מה שגורם להחלשת האות הגיאומגנטי בין קרקעית הים לפני השטח.

 מאפיינים סטטיסטיים 
מספר מחקרים ניתחו את המאפיינים הסטטיסטיים של היפוכים בתקווה ללמוד משהו על המנגנון הבסיסי שלהם. כוח ההבחנה של בדיקות סטטיסטיות מוגבל על ידי המספר הקטן של מרווחי קוטביות. עם זאת, כמה תכונות כלליות מבוססות היטב. בפרט, דפוס ההיפוכים הוא אקראי. אין מתאם בין אורכיהם של מרווחי הקוטביות. אין עדיפות לקוטביות נורמלית או הפוכה, ואין הבדל סטטיסטי בין ההתפלגות של הקוטביות הללו. חוסר ההטיה הזה הוא גם תחזית יציבה של תאוריית הדינמו.

אין שיעור של היפוכים, מכיוון שהם אקראיים סטטיסטית. האקראיות של ההיפוכים אינה עולה בקנה אחד עם המחזוריות, אך מספר מחברים טענו שמצאו מחזוריות. עם זאת, תוצאות אלו הן כנראה תוצאות של ניתוח באמצעות חלונות הזזה (מודלים שמניחים את המשוער) כדי לנסות לקבוע שיעורי היפוך.

רוב המודלים הסטטיסטיים של היפוכים ניתחו אותם במונחים של תהליך פואסון או סוגים אחרים של תהליך חידוש. לתהליך פואסון יהיה, בממוצע, קצב היפוך קבוע, ולכן מקובל להשתמש בתהליך פואסון לא נייח. עם זאת, בהשוואה לתהליך פואסון, ישנה הסתברות מופחתת להיפוך במשך עשרות אלפי שנים לאחר היפוך. זה יכול להיות בגלל עיכוב במנגנון הבסיסי, או שזה רק אומר שכמה מרווחי קוטביות קצרים יותר הוחמצו. דפוס היפוך אקראי עם עיכוב יכול להיות מיוצג על ידי תהליך גמא. בשנת 2006, צוות של פיזיקאים מאוניברסיטת קלבריה מצא שההיפוכים תואמים גם התפלגות לוי (Lévy), המתארת תהליכים סטוכסטיים עם מתאמים ארוכי טווח בין אירועים בזמן. הנתונים תואמים גם תהליך דטרמיניסטי, אך כאוטי.

 אופי של מעברים 

 משך 
רוב ההערכות בנושא משך הזמן שנדרש לשם מעבר בין קוטביות לקוטביות הן בין 1,000 ל-10,000 שנים, אך חלק מההערכות הן שהמהירות היא משך חיי אדם. במהלך מעבר, השדה המגנטי לא נעלם לחלוטין אך קטבים רבים עשויים להיווצר בצורה כאוטית במקומות שונים במהלך היפוך, עד שיתייצבו.

מחקרים על זרמי לבה בני 16.7 מיליון שנה בהר סטינס (Steens), אורגון, מצביעים על כך שהשדה המגנטי של כדור הארץ מסוגל לזוז בקצב של עד 6 מעלות ביום. נתון זה נתקל בתחילה בספקנות מצד פליאומגנטים. גם אם מתרחשים שינויים כל כך מהר בליבה, המעטפת – שהיא מוליך למחצה – נחשבת כגורם שמסיר וריאציות שקורות בתקופות של פחות מכמה חודשים. הוצעו מנגנונים מגנטיות סלעית אפשריים שיובילו לאות שווא. עם זאת, מחקרים פליאומגנטיים של קטעים אחרים מאותו אזור (בזלת המבול, flood basalt, של רמת אורגון, Oregon Plateau) נותנים תוצאות עקביות. נראה שמעבר הקוטביות ההפוכה לנורמלית, המסמן את סוף הכרון C5Cr (לפני 16.7 מיליון שנים), מכיל סדרה של היפוכים. בנוסף, הגאולוגים סקוט בוג מאוקסידנטל קולג' וג'ונתן גלן ממכון הסקר הגאולוגי של ארצות הברית, שדגמו זרימות לבה בבאטל מאונטיין, נבאדה, מצאו עדויות למרווח קצר של מספר שנים במהלך היפוך כאשר כיוון השדה השתנה ביותר מ-50 מעלות. המהפך תוארך ללפני 15 מיליון שנים בערך. בשנת 2018, חוקרים דיווחו על מהפך שנמשך רק 200 שנה. מאמר משנת 2019 מעריך שהמהפך האחרון, לפני 780,000 שנים, נמשך 22,000 שנים.

 גורמים 
ממוזער|350x350 פיקסלים|הדמיית מחשב של נאס"א באמצעות המודל של גלצמאייר ורוברטס. הצינורות מייצגים קווי שדה מגנטי, כחול כאשר השדה מצביע לכיוון המרכז וצהוב כאשר הוא מתרחק. ציר הסיבוב של כדור הארץ מרוכז ואנכי. צבירי הקווים הצפופים נמצאים בתוך ליבת כדור הארץ.
השדה המגנטי של כדור הארץ, ושל כוכבי לכת אחרים בעלי שדות מגנטיים, נוצר על ידי פעולת דינמו שבה הסעה של ברזל מותך בליבה הפלנטרית יוצרת זרמים חשמליים שבתורם מולידים שדות מגנטיים. בסימולציות של תופעות דינמו פלנטריות, היפוכים מופיעים לעיתים קרובות באופן ספונטני מהדינמיקה הבסיסית. לדוגמה, גארי גלצמאייר ופול רוברטס מ-UCLA הפעילו מודל מספרי של הצימוד בין אלקטרומגנטיות ודינמיקת נוזלים בחלק הפנימי של כדור הארץ. הסימולציה שחזרה מאפיינים מרכזיים של השדה המגנטי במשך יותר מ-40,000 שנים של זמן מדומה, והשדה שנוצר על ידי מחשב הפך את עצמו. היפוכי שדה גלובליים במרווחי זמן לא קבועים נצפו גם בניסוי המתכת הנוזלית המעבדתית VKS2.

בסימולציות מסוימות נוצרת אי יציבות שבה השדה המגנטי מתהפך באופן ספונטני. תרחיש זה נתמך על ידי תצפיות על השדה המגנטי של השמש, שעובר היפוכים ספונטניים כל 9–12 שנים. עוצמת המגנטיות הסולארית עולה במהלך היפוך, אך ההיפוכים על פני כדור הארץ מתרחשים בתקופות של עוצמת שדה נמוכה.

כמה מדענים, בהם ריצ'רד א' מולר, חושבים שהיפוכים גאומגנטיים אינם תהליכים ספונטניים אלא מופעלים על ידי אירועים חיצוניים המשבשים את הזרימה בליבת כדור הארץ. ההשערות כוללות אירועי התנגשות או אירועים פנימיים כגון הגעת לוחות יבשתיים הנישאים אל תוך המעטפת בפעולת טקטוניקת הלוחות באזורי ההפחתה או התחלת תימרות מעטפת חדשות מגבול הליבה והמעטפת. תומכי השערה זו גורסים שכל אחד מהאירועים הללו עלול להוביל לשיבוש בקנה מידה גדול של הדינמו, ולכבות את השדה הגיאומגנטי. מכיוון שהשדה המגנטי יציב בכיוון צפון–דרום הנוכחי או בכיוון ההפוך, הם משערים שכאשר השדה מתאושש משיבוש כזה הוא בוחר באופן ספונטני במצב זה או אחר, כך שמחצית מההתאוששויות הופכות להיפוכים. נראה כי המנגנון המוצע הזה אינו פועל במודל כמותי, והראיות מהסטרטיגרפיה לקורלציה בין היפוכים ואירועי השפעה חלשות. אין ראיות להיפוך הקשור לאירוע ההתנגשות שגרם לאירוע ההכחדה של הקרטיקון-פלאוגן.

 השפעות על הביוספרה 
זמן קצר לאחר הפקת לוחות הזמנים הראשונים של הקוטביות הגיאומגנטית, החלו מדענים לנסות לקשר היפוכים לאירועי הכחדה. השערות אלה התבססו על מחזוריות לכאורה בשיעור ההיפוכים, אך ניתוחים מדוקדקים מראים שרשומה של ההיפוך אינה תקופתית. ייתכן שהקצוות של סופרכרונים גרמו להסעה נמרצת שהובילה לוולקניות נרחבת, ושהאפר שנישא באוויר לאחר מכן גרם להכחדות. קשה לבדוק מתאמים בין הכחדות והיפוכים כי בעלי חיים גדולים יותר הם נדירים בתיעוד המאובנים עבור הפקת נתונים סטטיסטיים טובים, ולכן פליאונטולוגים ניתחו הכחדות מיקרו מאובנים. גם נתוני מיקרו מאובנים יכולים להיות לא אמינים אם יש הפסקות בתיעוד המאובנים. ייתכן שזה ייראה כאילו הכחדה מתרחשת בסוף מרווח קוטביות כאשר שאר מרווח הקוטביות נשחק. ניתוח סטטיסטי לא מצא הוכחה למתאם בין היפוכים והכחדות.

רוב ההשערות הקושרות היפוכים לאירועי הכחדה מניחות שהשדה המגנטי של כדור הארץ חלש יותר במהלך ההיפוכים. אחת ההשערות הייתה שחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה שנלכדו בחגורת הקרינה של ואן אלן יכולים להשתחרר ולהפציץ את כדור הארץ. חישובים מפורטים מאשרים שאם שדה הדיפול של כדור הארץ ייעלם (יצא מהקוודרופול והרכיבים הגבוהים יותר), רוב האטמוספירה תהפוך נגישה לחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה אך תשמש מחסום בפניהם, והתנגשויות של קרניים קוסמיות ייצרו קרינה משנית של בריליום-10 או כלור-36. מחקר גרמני משנת 2012 על ליבות הקרח של גרינלנד הראה שיא של בריליום-10 במהלך היפוך מוחלט קצר-מועד לפני 41,000 שנה, מה שהוביל לירידה בעוצמת השדה המגנטי ל-5% מהנורמלי במהלך ההיפוך. ישנן עדויות לכך שזה מתרחש הן במהלך שינויים שנתיים (secular variation) והן במהלך היפוכים.

מקורמק ואוונס הניחו שהשדה המגנטי של כדור הארץ נעלם לחלוטין במהלך היפוכים. הם טענו שייתכן שהאטמוספירה של מאדים נשחקה על ידי רוח השמש כי לא היה שדה מגנטי שהגן עליה. הם צפו שיונים יוסרו מהאטמוספירה של כדור הארץ בגובה שמעל 100 ק"מ. מדידות פליאו-אינטנסיביות מראות שהשדה המגנטי לא נעלם במהלך היפוכים. בהתבסס על נתוני עוצמת פליאו במשך 800,000 השנים האחרונות, המגנטופאוזה (הגבול בין השדה המגנטי של כדור הארץ לבין השדות המגנטיים בחלל) עדיין מוערכת בשלושה רדיוסים של כדור הארץ במהלך היפוך ברונהס-מאטויאמה. גם אם השדה המגנטי הפנימי אכן נעלם, רוח השמש יכולה לגרום לשדה מגנטי ביונוספירה של כדור הארץ באופן שמספיק כדי להגן על פני השטח מחלקיקי אנרגיה.

 לקריאה נוספת 









 ראו גם 
 היפוך ג'רמילו
 נדידה גאומגנטית

 קישורים חיצוניים 
 האם זה נכון שהשדה המגנטי של כדור הארץ עומד להתהפך? physics.org, נקרא ב-8 בינואר 2019
 היפוך קוטב מתרחש כל הזמן (הגאולוגי), נאס"א, 1 במרץ 2022
קטגוריה:גאופיזיקה
קטגוריה:דפים עם תרגומים שלא נסקרו