Linie ziemskiego pola magnetycznego zmieniają powoli swoją orientację. Wraz z nimi wędrują bieguny magnetyczne – północny i południowy – w tempie kilkudziesięciu kilometrów rocznie. Co do tego nie ma wątpliwości, bo potrafimy bez problemu ustalić położenie biegunów: wskazuje je zwykły kompas.
Ziemskie pole magnetyczne można schematycznie przedstawić w postaci ogromnego magnesu (u góry). Jednak w rzeczywistości na ten ogólny obraz nakładają się jeszcze pomniejsze anomalie (u dołu), które utrudniają badanie pola magnetycznego w przeszłości. Schemat: Wikimedia Commons. Mapa anomalii: NASA.
Średnio co kilkaset tysięcy lat dochodzi jednak do tak zwanego przebiegunowania Ziemi: bieguny magnetyczne zamieniają się wówczas miejscami. Nie ma to nic wspólnego z położeniem biegunów geograficznych, które wyznacza oś wirującej Ziemi. To po prostu zmiana orientacji ziemskiego pola magnetycznego, a nie osi obrotu planety.
Skąd wiemy o przebiegunowaniach sprzed tysięcy lat, skoro nie było wówczas kompasów? Pomocą służą tutaj skały zawierające żelazo. Krystalizujące minerały tego pierwiastka zachowują namagnesowanie z czasów swojego powstania. A to oznacza, że wskazują kierunek równoległy do dawnych linii pola magnetycznego, zachowując go aż do współczesności.
Minerały i skały zawierające żelazo występują na naszej planecie powszechnie. a – Bryłka hematytu – rudy żelaza. Okaz ze zdjęcia ma około 5 cm szerokości. b – Minerał hematyt stanowi nie tylko rudę żelaza, ale niekiedy (jak tutaj) ma również znaczenie ozdobne; groniaste skupienia hematytu noszą nazwę „szklanych głów”. c – Minerał magnetyt – ważna ruda żelaza; bryłka z fotografii ma wysokość około 4 cm. d – Żelaziste konkrecje z okresu jurajskiego są często spotykane na terenie Polski, także w osadach polodowcowych. Ze skał tego samego wieku pochodzą osadowe rudy żelaza, które jeszcze w XX wieku podlegały eksploatacji.
Jest jednak istotne zastrzeżenie. W niektórych wypadkach dawne namagnesowanie skał może zostać nadpisane – na przykład na skutek ponownego podgrzania. To dlatego obok samych analiz namagnesowania jednocześnie prowadzi się jeszcze badania mające ustalić historię próbek, by wykluczyć epizody późniejszych zmian zachowanych linii pola magnetycznego.
Analizując długie profile skalne, czyli próbki skał, które tworzyły się na przestrzeni milionów lat, zauważymy, że orientacja linii pola magnetycznego ulegała ciągłym, choć niedużym zmianom. Wynikają one nie tylko ze zmian orientacji linii pola, ale także – z wędrówki kontynentów. Badanie magnetyzmu skał pozwala nam zatem na ustalenie położenia kontynentów w dalekiej przeszłości.
Studiując dane magnetyczne zapisane w skałach zauważymy jednak również, że co jakiś czas dochodzi do gwałtownej zmiany orientacji linii ziemskiego pola magnetycznego. Deklinacja – czyli kąt pomiędzy północą geograficzną a kierunkiem linii pola – zmienia się szybko o 180 stopni. Pokazują to załączone profile. To z kolei oznacza, że bieguny musiały zamienić się miejscami. W takiej sytuacji kąt pomiędzy starym kierunkiem do bieguna północnego, a nowym będzie bowiem wynosił właśnie około 180 stopni.
Schemat poszukiwania przebiegunowań z dalekiej przeszłości (tu: z ostatnich kilku milionów lat). W pierwszym kroku pobierane są próbki z badanego profilu skał. W drugim – badane jest namagnesowanie pozostałe po czasach, w których skała się tworzyła. Przemieszczając się w górę profilu łatwo zauważyć, że namagnesowanie skał (deklinacja) zmienia się w niektórych miejscach gwałtownie, o 180 stopni (trzeci krok). To momenty przebiegunowań. Korelując je z globalną tabelą magnetostratygraficzną (czwarty krok), którą ustalono poprzez datowanie skał z czasów przebiegunowań, możemy ustalić wiek profilu i potwierdzić istnienie przebiegunowań w przeszłości. Schemat na podstawie pracy Zhou, Z., Pei, J., Li, J., Cai, Y., & Hou, L. (2022). High-resolution magnetostratigraphic records of the pliocene sedimentary successions in Yengisar section, NW China, and its tectonic implications. Frontiers in Earth Science, 10, 967346.
Mając długie profile skalne możemy wyznaczyć sekwencję zmian biegunów od czasów dzisiejszych daleko w przeszłość. Metodą tą sięgamy coraz dalej wstecz, obecnie nawet w czasy odległe o miliard lat! Datując z kolei skały z czasów przebiegunowań za pomocą metod opartych na rozpadzie izotopów promieniotwórczych możemy ustalić, kiedy dochodziło do przebiegunowań.
To właśnie dlatego dość dobrze orientujemy się, jak często i kiedy dochodziło do przebiegunowań. W ten sposób powstała tak zwana tabela magnetostratygraficzna, w której znajdują się kolejne poziomy o enigmatycznych symbolach (żyjemy w czasach poziomu C1n), dość precyzyjnie wydatowane, wskazujące momenty zmiany położenia biegunów.
Na czerwono zaznaczono aktualne południki magnetyczne. Nie pokrywają się one dokładnie z geograficznymi, bo biegun magnetyczny nie znajduje się w miejscu geograficznego. To orientację tych linii w przeszłości geologicznej ustalamy badając właściwości paleomagnetyczne skał. Źródło: Schm, Wikimedia Commons, licencja CC.
Oprócz długotrwałych przebiegunowań, po których pole magnetyczne stabilizowało się na setki tysięcy lat, w przeszłości zdarzały się również „wycieczki” biegunów, czyli krótkotrwałe, trwające kilkaset – kilkadziesiąt tysięcy lat zamiany biegunów, po których sytuacja wracała do punktu wyjścia. Niektóre z nich widoczne są na pokazanym wyżej schemacie, jednak inne nie zmieściły się na nim. Także w trakcie trwającego obecnie poziomu magnetostratygraficznego C1n miały miejsce „wycieczki” biegunów. Jedna z nich (tzw. zdarzenia Laschamp) miała miejsce około 42 tys. lat temu.
Wbrew teoriom pojawiającym się tu i ówdzie w sieci, przebiegunowania nie wiązały się z wielkimi katastrofami ani zmianami klimatu. W trakcie inwersji ziemskie pole magnetyczne słabnie, co może mieć negatywny wpływ na życie na Ziemi. Nie ma jednak dowodów na to, by miało to w przeszłości prowadzić do wielkich wymierań spowodowanych przez przebiegunowania. Trudno też doszukać się korelacji ze zmianami klimatu, aczkolwiek istnieją hipotezy wskazujące na możliwy wpływ „wycieczki” Laschamp sprzed 42 tysięcy lat na niestabilność klimatu, a w konsekwencji na populacje ludzkie. Nadal są to jednak tylko przypuszczenia.
Nie oznacza to, że ewentualne przebiegunowanie mające miejsce w najbliższych tysiącach lat nie będzie miało skutków tragicznych dla ludzkości – po prostu żadna z naszych cywilizacji nie miała jeszcze okazji przetrwać takiego wydarzenia. Jednak zamiana biegunów magnetycznych to proces, który nie wydarza się z dnia na dzień, a liczony jest w setkach lub tysiącach lat. Nie ma więc sensu wierzyć w teorie o czekającej nas nagłej zagładzie wskutek przebiegunowania.
Współczesne pole możemy nie tylko w łatwy sposób badać (zwykłym kompasem), ale nawet – zobaczyć. Zorza sfotografowana z kosmosu. Fot. NASA.
