گفتوگوی آناتک با استاد «دانشگاه کوچی ژاپن» درباره وارونگی میدان مغناطیسی زمین
در گفتگوی پیش روی آناتک، پژوهشگر اصلی این مطالعه، پروفسور یوهجی یاماموتو، استاد دانشگاه کوچی ژاپن و متخصص دیرینهمغناطیسشناسی از سازوکار این وارونگیهای کُند، روشهای کشف آنها و پیامدهای احتمالیشان برای حیات و محیط زمین سخن میگوید.
پروفسور یوهجی یاماموتو، استاد دانشگاه کوچی ژاپن، منبع عکس: Peter Lippert
برای خوانندگان عمومی بگویید، میدان مغناطیسی زمین چیست و چرا برای حیات روی سیاره ما تا این اندازه ضروری است؟
میدان مغناطیسی زمین از طریق فرایند القای الکترومغناطیسی-که به عنوان «سازوکار دینامو» شناخته میشود-ایجاد میشود؛ فرایندی که در آن آهن و نیکل مایع درون هسته زمین دچار حرکت همرفتی میشوند. گفته شده است که این میدان ژئومغناطیسی ممکن است از حدود ۴٫۲ میلیارد سال پیش شکل گرفته باشد.
از دوران باستان، بشر از میدان مغناطیسی زمین بهره برده است. نمونه شاخص آن قطبنمای مغناطیسی است که به انسان امکان میدهد با استفاده از خاصیت عقربه مغناطیسی که به سمت شمال اشاره میکند و مقایسه این اطلاعات با نقشه، جهت حرکت خود را تعیین کند. این فناوری برای ناوبری اهمیت حیاتی داشته و توانایی کنترل مسیر کشتی با قطبنما، نقش بزرگی در گسترش فعالیتهای دریایی ناوگانها در سراسر جهان در عصر اکتشافات ایفا کرده است.
هرچند میدان مغناطیسی زمین نامرئی است، اما همچون یک «سد» حیاتی عمل میکند که سیاره را از تابش خورشیدی زیانبار و پرتوهای کیهانی محافظت میکند. در تمدن مدرن نیز این میدان به کاهش بروز اختلال در مدارهای الکترونیکی ماهوارههای (ساخت بشر) در حال گردش به دور زمین کمک میکند.
افزون بر این، مریخ امروزی هیچ اقیانوسی ندارد و تنها دارای جوی بسیار نازک است. یکی از عواملی که تصور میشود در ایجاد این وضعیت نقش داشته، از دست رفتن میدان مغناطیسیِ پیشین مریخ است؛ رخدادی که عملکرد حفاظتی آن را تضعیف کرد و اجازه داد تابش خورشیدی و پرتوهای کیهانی مستقیما به سطح مریخ برسند.
اگر زمین نیز میدان مغناطیسی خود را از دست بدهد، باور بر این است که اقیانوسها و جو آن نیز از میان خواهند رفت و محیطی به شدت نامساعد برای حیات پدید خواهد آمد.
وارونگی ژئومغناطیسی دقیقا چیست و این جابهجاییها چند بار در تاریخ زمین رخ دادهاند؟
ساختار میدان مغناطیسی زمین که توسط سازوکار دینامو ایجاد میشود، عمدتا دوقطبی است؛ یعنی دارای یک قطب شمال (N) و یک قطب جنوب (S) بوده و بسیار شبیه به یک آهنربای میلهای است.
این میدان مغناطیسی حالت دوقطبی دارد و میتواند در دو وضعیت پایدارِ بلندمدت باقی بماند: در حالت نخست، قطب جنوبِ مغناطیسیِ دوقطبی به سمت قطب جغرافیایی شمالِ امروزی قرار میگیرد که به آن قطبیت عادی گفته میشود.
در حالت دوم، قطب شمالِ مغناطیسیِ دوقطبی به سوی قطب جغرافیایی شمال قرار میگیرد که به آن قطبیت وارونه گفته میشود. پایداری این دو حالت را به تاثیر چرخش زمین نسبت میدهند.
در مقابل، جریان آهن مذاب در هسته بیرونی که دینامو را به حرکت درمیآورد، در طول زمان ثابت نیست و با نوسانات مداوم همراه است. هنگامی که این نوسانات به اندازه کافی بزرگ شوند، پدیدهای رخ میدهد که در آن قطبیت عادی و وارونه با یکدیگر جابهجا میشوند. این پدیده «وارونگی ژئومغناطیسی» نام دارد.
تاریخ وارونگیهای ژئومغناطیسی تا حدود ۱۷۰ میلیون سال پیش روشن شده و مشخص است که تاکنون حدود ۵۴۰ وارونگی رخ داده است.
آخرین وارونگی کامل حدود ۷۷۰ هزار سال پیش اتفاق افتاد و از آن زمان میدان مغناطیسی زمین در حالت قطبیت عادی باقی مانده است.
با این حال، حتی در این دوره نیز شدت و جهت میدان ژئومغناطیسی همچنان نوساناتی با اندازههای گوناگون نشان داده است. اگرچه این تغییرات به وارونگی کامل منجر نشدند؛ اما حالتهای موقتی نزدیک به وارونگی رخ دادهاند. نمونه شاخص آن «رویداد ژئومغناطیسی لاشامپ» است که حدود ۴۲ هزار سال پیش رخ داد.
این رویداد حدود ۲ هزار سال ادامه داشت و مشخص شده است که در ضعیفترین مرحله، شدت میدان ژئومغناطیسی به حدود یکدهم مقدار کنونی کاهش یافت. برخی مطالعات ارتباط احتمالی میان این تضعیف سریع میدان مغناطیسی و انقراض نئاندرتالها را در تاریخ بشر مطرح کردهاند.
تا پیش از این، دانشمندان باور داشتند وارونگیها معمولا حدود ۱۰ هزار سال طول میکشند. چه چیزی باعث شد گروه شما این خط زمانی متعارف را زیر سؤال ببرد؟
من در یک ماموریت پژوهشی «برنامه یکپارچه حفاری اقیانوس» (IODP) که در سال ۲۰۱۲ انجام شد، شرکت داشتم. در آن ماموریت، تجزیه و تحلیلهای دیرینهمغناطیسی را درون کشتی حفاری روی توالیهای رسوبیِ مربوط به حدود ۴۰ میلیون سال پیش انجام دادم؛ رسوباتی که از کف دریا بازیابی شده بودند و دادههای حاصل را با دقت بررسی کردم.
در جریان تجزیه و تحلیل، متوجه شدم که در برخی بازههای لایهای مربوط به دوره ائوسن [از دورههای زمین شناسی بین ۵۶ تا ۳۴ میلیون سال]، قطبیت مغناطیسی بسیار پایداری به طور مداوم در یک جهت مشاهده میشود، در حالی که در بازههای دیگر، قطبیت به همان اندازه پایدار، اما در جهت مخالف وجود دارد.
آنچه به ویژه قابل توجه بود، کشف یک بازه با قطبیت ناپایدار میان این دو قطبیت پایدار بود؛ بازهای که در آن قطبیت به سوی جهت مخالف گذار میکرد. این بازه ناپایدار چندین ده سانتیمتر ضخامت داشت.
گذار قطبیتی همراه با چنین بازه ناپایدار طولانی، در مقایسه با موارد گزارش شده پیشین در ادبیات علمی و نیز نتایجی که خود من در تجربههای قبلی از رسوبات کف اقیانوس به دست آورده بودم، بسیار غیرمعمول است.
در نتیجه، به طور شهودی احساس کردم این پدیده ممکن است از نظر ماهیت با وارونگیهای عادی تفاوت داشته باشد و همین باعث شد اعتبار مقیاس زمانی متعارف وارونگیهای ژئومغناطیسی را زیر سؤال ببرم.
پژوهش شما وارونگیهایی تا ۷۰ هزار سال را گزارش میکند. چرا چنین وارونگی کند و طولانی تا این حد شگفتآور است؟
مطالعات متعارف مبتنی بر تجزیه و تحلیل توالیهای چینهشناسی و سنگها مدتها بر این باور بودهاند که یک وارونگی ژئومغناطیسی از آغاز تا پایان در حدود ۱۰ هزار سال تکمیل میشود.
پایه اصلی این دیدگاه، مقالهای در نشریه Nature است که دکتر کلمنت در سال ۲۰۰۴ منتشر کرد و نیز مقاله Nature دیگری از دکتر والِه در سال ۲۰۱۲.
این مطالعات بسیار اثرگذار بودهاند و چون پس از آن کشفیات تازهای که نتیجهگیری آنها را به طور جدی دگرگون کند به دست نیامده بود، این درک که وارونگیها در مقیاس حدود ۱۰ هزار سال رخ میدهند، عملا به یک پارادایم غالب تبدیل شد.
اما وقتی مقیاس زمانی ۷۰ هزار سال را در چارچوب تاریخ بشر در نظر بگیریم، اهمیت آن اصلا کوچک نیست.
برای نمونه، انسانهای مدرن از نظر کالبدشناسی (هوموساپینس) پس از حدود ۵۰ هزار سال پیش شروع به پراکندگی از آفریقا به دیگر نقاط جهان کردند.
اگر وارونگیهای ژئومغناطیسی بتوانند در دورههایی همطراز یا حتی طولانیتر از این زمان ادامه یابند، این بدان معناست که محیط زمین میتواند در سراسر دوره شکوفایی بشر، دستخوش تغییرات پایدار و چشمگیر شود.
از این منظر، بازنگری در مدت وارونگیهای ژئومغناطیسی از دیدگاه بلندمدت، صرفا یک مسئله ژئوفیزیکی نیست؛ بلکه ما را به بازاندیشی جدی درباره یک پرسش بنیادین فرا میخواند: اینکه انسان چگونه با زمین و محیطِ در حال تغییر آن همزیستی میکند.
مغزههای رسوبی اقیانوس اطلس شمالی چگونه جمعآوری شدند و چه چیزی آنها را به «کپسولهای زمانی» ارزشمند از گذشته زمین تبدیل میکند؟
نمونههایی که در این پژوهش استفاده شدند از طریق حفاری در اعماق دریا به دست آمدند؛ حفاریای که در جریان ماموریت ۳۴۲ برنامه IODP و با کشتی حفاری آمریکایی JOIDES Resolution انجام شد. این عملیات بخشی از «برنامه یکپارچه حفاری اقیانوس» (IODP) بود که بین سالهای ۲۰۰۳ تا ۲۰۱۳ اجرا شد.
برخلاف لایههای زمینی که بسیار در معرض فرایندهای پس از رسوبگذاری مانند فرسایش و هوازدگی قرار دارند، رسوبات کف اقیانوس از طریق انباشت نسبتا پیوسته ذرات و گلولای شکل میگیرند؛ موادی که شرایط محیطی زمین را در زمان رسوبگذاری بازتاب میدهند.
به همین علت، توالیهای رسوبی دریایی را میتوان آرشیوهایی دانست که گذشته محیط زمین را با درجه بالایی از حفظشدگی در خود نگه داشتهاند.
علاوه بر این، حفاری عمیقتر در رسوبات کف دریا امکان بازیابی اطلاعات محیطی از دورههای زمینشناسی قدیمیتر را فراهم میکند.
پس از رسوبگذاری، لایههای رسوبی به تدریج زیر رسوبات جوانتر دفن میشوند؛ بنابراین لایههایی که در عمق حفظ شدهاند، در عمل محیط همزمانِ زمین را در خود محصور میکنند.
از این نظر، رسوبات اعماق دریا ویژگیهایی مشابه یک «کپسول زمانی» دارند که سوابق گذشته را حفظ میکند.
آیا میتوانید توضیح دهید دیرینهمغناطیسشناسان چگونه سیگنالهای مغناطیسی باستانی حفظ شده در رسوبات را شناسایی میکنند؟
رسوبات کف اقیانوس حاوی کانیهای مغناطیسی میکروسکوپی هستند؛ یعنی «آهنرباهای بسیار کوچک».
این کانیهای مغناطیسی هنگام تهنشست و انباشت روی کف دریا، تحت تأثیر شدت و جهت میدان مغناطیسی زمین در زمان رسوبگذاری قرار میگیرند و این اطلاعات را همچون آهنربا در خود حفظ میکنند.
در نتیجه، یک «مغزه دریایی» که از حفاری رسوبات کف اقیانوس به دست میآید، در مجموع ویژگیهای یک آهنربای بسیار ضعیف را دارد.
با اندازهگیری میدان مغناطیسی بسیار ضعیفی که این مغزه ایجاد میکند و با استفاده از یک مغناطیسسنج ابررسانای فوقحساس، میتوان جهت و شدت مغناطش ثبت شده در مغزه را بازسازی کرد.
اطلاعات مغناطش بدستآمده از این طریق، به عنوان یک سیگنال دیرینهمغناطیسی شناسایی و تجزیه و تحلیل میشود که میدان مغناطیسی زمین را در زمان رسوبگذاری بازتاب میدهد.
این دادهها شواهد بنیادی و ضروری برای بازسازی تغییرات ژئومغناطیسی گذشته و پدیدههای وارونگی هستند.
بلورهای مگنتیت و میکروارگانیسمها چه نقشی در ثبت قطبیت مغناطیسی زمین دارند؟
منشا ذرات مغناطیسی میکروسکوپی موجود در رسوبات کف دریا را میتوان به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد.
دسته نخست شامل ذراتی با منشا زمینی است: سنگهایی در خشکی که دچار هوازدگی و فرسایش شدهاند، به دانههای ریز تبدیل شدهاند، انتقال یافتهاند و در نهایت در کف دریا رسوب کردهاند.
دسته دوم شامل ذرات با منشا زیستی است: کانیهای مغناطیسی که پس از مرگ باکتریهای مغناطیسدوست باقی میمانند و به صورت ماده معدنی غیرآلی انباشته میشوند. این باکتریها درون سلولهای خود آهنرباهای میکروسکوپی دارند.
همانگونه که توضیح داده شد، این ذرات مغناطیسی هنگام تهنشست روی کف دریا تحت تأثیر شدت و جهت میدان مغناطیسی زمین قرار میگیرند و در نتیجه اطلاعات دیرینهمغناطیسی را در لایههای رسوبی ثبت میکنند.
در دادههای شما، چه سیگنال کلیدی نشان داد که یک وارونگی غیرمعمولاً طولانی در حال رخ دادن است؟
در بازهای به ضخامت ۸ متر که تمرکز اصلی این مطالعه بود، دادههای جهتگیری دیرینهمغناطیسی که نشاندهنده قطبیت ژئومغناطیسی پایدار بودند، هم در بالاترین و هم در پایینترین بخش این توالی مشاهده شدند.
در مقابل، بخش میانی این بازه با توزیع متراکمی از دادههای جهتگیری دیرینهمغناطیسی مشخص میشد که تغییرات بزرگمقیاس در قطبیت ژئومغناطیسی را نشان میدادند.
علاوه بر این، در همین بازهای که قطبیت ژئومغناطیسی نوسانات چشمگیری داشت، دادههای شدت دیرینهمغناطیسی که همزمان تجزیه و تحلیل شدند، تضعیف قابل توجه میدان ژئومغناطیسی را آشکار کردند.
این کاهش همزمان و چشمگیر در شدت میدان، یک سیگنال تعیین کننده است که پدیده مشاهده شده در این پژوهش را مشخص میکند.
چگونه تایید کردید که این الگو بازتاب تغییرات واقعی میدان مغناطیسی بوده و نه تغییرات در خود رسوبات؟
ما همچنین بررسی دقیقی از ترکیب کانیهای مغناطیسیِ حامل سیگنال دیرینهمغناطیسی انجام دادیم.
نتایج نشان داد که در سراسر بازه ۸ متری بررسی شده در این مطالعه، ثبت دیرینهمغناطیسی به طور یکنواخت توسط مگنتیت زیستی حمل میشده است.
اگر تغییرات در خود رسوب بر سیگنال دیرینهمغناطیسی اثر گذاشته بود، انتظار میرفت تغییرات متناظری در ترکیب کانیهای مغناطیسی مشاهده شود.
اما عملا هیچ تغییر ترکیبی قابل توجهی در این بازه دیده نشد.
این موضوع نشان میدهد که نوسانات بزرگ قطبیت ژئومغناطیسی و تضعیف شدید شدت میدان که در این پژوهش شناسایی شدهاند، اثرات ظاهری ناشی از تغییرات محیط رسوبگذاری نیستند بلکه بازتاب تغییرات واقعی میدان مغناطیسی زمیناند.
این وارونگیهای طولانیتر چه چیزی درباره فرایندهای ژئودینامو در هسته بیرونیِ مایع زمین به ما میگویند؟
پژوهشهای دیرینهمغناطیسشناسی که سوابق مشاهدهای از تحول زمانی میدان مغناطیسی زمین فراهم میکنند، از دهه ۱۹۶۰ به طور پیوسته انباشته شدهاند.
در مقابل، مطالعاتی که هدفشان بازتولید فرایند ژئودینامو از طریق شبیهسازیهای عددی در حوزه مدلسازی نظری است، از دهه ۲۰۰۰ به بعد پیشرفت سریعی داشتهاند.
تا امروز، برای بسیاری از پدیدهها توافق کیفی و کمی میان مطالعات دیرینهمغناطیسی مبتنی بر مشاهده و شبیهسازیهای ژئودینامو مبتنی بر نظریه تایید شده است.
با این حال، در مورد مقیاس زمانی لازم برای وارونگیهای ژئومغناطیسی، اعتبارسنجی مشاهدهای کافی وجود نداشت و همین باعث شده بود تطابق میان این دو رویکرد روشن نباشد.
مطالعه حاضر نشان میدهد که مقیاس زمانی پیشبینیشده توسط شبیهسازیهای ژئودینامو اکنون بار دیگر توسط سوابق مشاهدهای پشتیبانی میشود.
این یک دستاورد مهم است که اعتبار مشاهدهای مدلهای نظری را تثبیت میکند.
در نتیجه، میتوان با وضوحی تازه بیان کرد که شبیهسازیهای ژئودینامو ابزار پژوهشی بسیار قدرتمند و ارزشمندی برای پیشبرد درک ما از تغییرات ژئومغناطیسی بلندمدت و فرایندهای ژئودینامو، از جمله وارونگیهای ژئومغناطیسی، به شمار میروند.
در دورههای طولانیِ تضعیف سپر ژئومغناطیسی، چه اثراتی ممکن است در جو یا اقلیم زمین رخ دهد؟
همانطور که در پاسخ پرسش اول گفته شد، مریخ امروزی فاقد اقیانوس است و تنها جوی بسیار رقیق دارد.
تصور میشود این وضعیت تا حدی ناشی از، از دست رفتن میدان مغناطیسی پیشین مریخ باشد؛ رخدادی که باعث کاهش عملکرد سدّ محافظتی آن در برابر تابش خورشیدی و پرتوهای کیهانی شد و اجازه داد این ذرات پرانرژی مستقیما به سطح مریخ برسند.
اگر زمین نیز میدان مغناطیسی خود را به طور کامل از دست بدهد، انتظار میرود اقیانوسها و جو آن نیز از میان بروند و محیطی به شدت خصمانه برای حیات ایجاد شود.
علاوه بر این، حتی اگر میدان مغناطیسی زمین کاملا ناپدید نشود، سناریویی که در آن میدان برای مدت طولانی در وضعیتی بسیار ضعیف باقی بماند، میتواند به خروج تدریجی لایههای بالایی جو زمین منجر شود.
چنین احتمالاتی، خطرات بلندمدتی را برجسته میکنند که تغییرات ژئومغناطیسی ممکن است برای محیط و زیستکره زمین ایجاد کنند.
از سوی دیگر، پدیدههای شفق قطبی زمانی رخ میدهند که ذرات باردار، هدایتشده در امتداد خطوط میدان مغناطیسی، به سوی مناطق قطبی رانده شوند و با جو زمین برخورد کنند.
در دورههای وارونگی ژئومغناطیسی، تصور میشود قطبهای مغناطیسی کوچک و متعددی ممکن است به طور موقت در سطح زمین شکل بگیرند.
در نتیجه، مناطق وقوع شفق قطبی دیگر محدود به عرضهای جغرافیایی بالا نخواهند بود و ممکن است به نواحی بسیار گستردهتری گسترش یابند.
اگر چنین وضعیتی حدود ۷۰ هزار سال ادامه پیدا کند، میتوان زمینی را تصور کرد که شفقهای قطبی در بسیاری از نقاط جهان بهطور مکرر دیده شوند.
آیا چنین گذارهای طولانی میتوانستهاند بر تکامل یا توانایی جهتیابی جانداران اثر بگذارند؟
در دورههای قطبیت ژئومغناطیسی پایدار، خطوط میدان مغناطیسی زمین ساختاری منظم و بزرگمقیاس ایجاد میکنند که به طور کلی قطبهای جغرافیایی شمال و جنوب را به هم متصل میکند.
تصور میشود این پیکربندی میدان مغناطیسی توسط جانداران بزرگ خشکیزی؛ مانند پرندگان مهاجر، برای جهتیابی مورد استفاده قرار گیرد.
به همین ترتیب، در میکروارگانیسمهای دریایی نیز باور بر این است که این میدان به عنوان نشانهای عمل میکند که به باکتریهای مغناطیسدوست کمک میکند عمق مناسب زیستگاه خود را انتخاب کنند.
در مقابل، در دورههای وارونگی ژئومغناطیسی (بازههای گذار)، مشخص است که چنین ساختارهای پایدار و بزرگمقیاس میدان مغناطیسی از هم فرو میپاشند.
در نتیجه، این جانداران ممکن است برای جبران جهتیابی فضایی و کنترل رفتار خود به سازوکارهای جایگزین متکی شده باشند.
با این حال، برای گونههایی که سازگاری از طریق چنین راهکارهای جایگزینی دشوار بوده است، نمیتوان رد کرد که پیامدهایی مانند کاهش دامنه زیستپذیر یا افت چشمگیر اندازه جمعیت را تجربه کرده باشند.
گامهای بعدی پژوهش شما چیست؟ آیا انتظار دارید وارونگیهای حتی طولانیتر یا پیچیدهتری در سوابق زمینشناسی پیدا شود؟
میدانهای ژئومغناطیسی گذشته نه تنها در رسوبات کف اقیانوس، بلکه در سنگهای خشکی نیز ثبت شدهاند.
در میان آنها، جریانهای گدازهای باستانی ثبتکنندههای دیرینهمغناطیسی فوقالعاده قابل اعتمادی هستند؛ زیرا میدان مغناطیسی زمین را در زمان سرد شدن به طور پایدار کسب و حفظ میکنند.
مروری بر تاریخ وارونگیهای ژئومغناطیسی طی حدود ۱۷۰ میلیون سال گذشته نشان میدهد که بیشترین فراوانی وارونگی در زمان زمینشناسی نسبتا اخیر، حدود ۱۱ میلیون سال پیش رخ داده است.
با هدف روشن کردن تحول زمانی تغییرات ژئومغناطیسی در این دوره، ما قصد داریم پروژهای پژوهشی را آغاز کنیم تا جهتهای دیرینهمغناطیسی و شدت دیرینهمغناطیسی را با وضوح زمانی بالا، با استفاده از توالیهای گسترده گدازهای انباشته شده در ایسلند بازسازی کنیم.
از سوی دیگر، هرچند این برنامهای نیست که من شخصا در آینده نزدیک دنبال کنم، انتظار میرود پیشرفتهای مداوم در برنامههای بینالمللی حفاری اعماق دریا در نهایت به کشف پدیدههای وارونگی یا گذار ژئومغناطیسی ناشناختهای منجر شود.
چنین پدیدههایی ممکن است مدت زمانی طولانیتر داشته باشند یا پیچیدگی بیشتری نسبت به آنچه تاکنون شناخته شده است نشان دهند.
انتهای پیام/
