地磁気逆転

地磁気逆転とは、惑星の双極子磁場が変化し、磁北と磁南の位置が入れ替わることです（地理上の北と南を混同しないでください）。地球の磁場は、磁場の主な方向が現在の方向と同じである通常極性の期間と、磁場の主な方向が現在の方向と逆である逆極性の期間を交互に繰り返しています。これらの期間はクロンと呼ばれます。

逆転の発生は統計的にランダムです。過去 8,300 万年間に少なくとも 183 回の逆転が発生しています (平均すると約 45 万年に 1 回)。最新の逆転は78 万年前に発生したブリュンヌ・マツヤマ逆転です^[1]。その発生速度についてはさまざまな推定値があります。他の情報源によると、最近の 4 回の逆転の完了にかかる時間は平均して約 7,000 年です^[2] 。クレメント (2004) は、この期間は緯度に依存し、低緯度では期間が短く、中緯度と高緯度では期間が長くなると示唆しています^[2] 。完全な逆転の期間は 2,000 年から 12,000 年の間で変化します^{[3] 。}

数百年にわたって磁場が世界的に逆転した期間（ラシャンプ・エクスカーションなど）もあったが、 ^[4]これらのイベントは完全な地磁気逆転ではなくエクスカーションとして分類されている。安定した極性クロンでは、大きく急速な方向性エクスカーションが見られることが多く、これは逆転よりも頻繁に発生し、失敗した逆転と見なすことができる。このようなエクスカーションの間、磁場は液体の外核では逆転するが、固体の内核では逆転しない。外核の拡散は500年以下のタイムスケールであるのに対し、内核の拡散はより長く、約3,000年である。^[5]

20世紀初頭、ベルナール・ブリュンヌなどの地質学者は、一部の火山岩が地球の磁場の方向とは反対方向に磁化されていることに初めて気づいた。磁場反転の最初の体系的な証拠と時間スケールの推定は、1920年代後半に松山元則によってなされた。彼は、磁場が反転した岩石はすべて更新世初期かそれより古いものであることを観察した。当時、地球の極性は十分に理解されておらず、反転の可能性にはほとんど関心が寄せられていなかった。^{[6] [7]}

30年後、地球の磁場がよりよく理解されると、地球の磁場は遠い昔に逆転したかもしれないという理論が提唱された。1950年代後半の古地磁気研究のほとんどには、極の移動と大陸移動の調査が含まれていた。一部の岩石は冷却中に磁場を逆転させることが発見されたが、ほとんどの磁化された火山岩は、岩石が冷却した時点での地球の磁場の痕跡を保存していることが明らかになった。岩石の絶対年齢を取得する信頼できる方法がなかったため、逆転は約100万年ごとに発生したと考えられていた。^{[6] [7]}

逆転現象の理解における次の大きな進歩は、1950年代に放射年代測定の技術が改良されたときにもたらされた。米国地質調査所のアラン・コックスとリチャード・ドエルは、逆転現象が一定の間隔で起こっているかどうかを知りたいと考え、地質年代学者のブレント・ダルリンプルをグループに招いた。彼らは1959年に最初の磁気極性時間スケールを作成した。彼らはデータを蓄積するにつれて、オーストラリア国立大学のドン・ターリングとイアン・マクドゥーガルと競い合いながら、このスケールを改良し続けた。ラモント・ドハティ地球観測所のニール・オプダイク率いるグループは、深海コアの堆積物に同じ逆転パターンが記録されていることを示した。^[7]

1950年代から1960年代にかけて、地球の磁場の変動に関する情報は主に研究船によって収集されましたが、海洋航行の複雑なルートのため、航海データと磁力計の測定値を関連付けることは困難でした。データが地図上にプロットされて初めて、海底に非常に規則的で連続した磁気縞が現れることが明らかになりました。^{[6] [7]}

1963年、フレデリック・ヴァインとドラモンド・マシューズは、ハリー・ヘスの海底拡大説と既知の逆転の時間スケールを組み合わせることで、シンプルな説明を提示した。海底の岩石は、形成されると磁場の方向に磁化される。したがって、中央の海​​嶺から海底が拡大すると、海嶺と平行な一対の磁気ストライプが生成される。^[8]カナダ人のLWモーリーは、1963年1月に同様の説明を独自に提案したが、彼の研究は科学雑誌のネイチャーとジャーナル・オブ・ジオフィジカル・リサーチに拒否され、1967年に文芸雑誌サタデー・レビューに掲載されるまで未発表のままだった。^[6]モーリー・ヴァイン・マシューズ仮説は、大陸移動の海底拡大説を科学的に検証した最初の重要なものだった。^[7]

過去の磁場の逆転は、固まった堆積物や陸上の冷却された火山流の固化した強磁性鉱物に記録されています。1966年以降、ラモント・ドハティ地質観測所の科学者は、太平洋・南極海嶺の磁気プロファイルが対称的で、北大西洋のレイキャネス海嶺のパターンと一致していることを発見しました。同じ磁気異常は世界のほとんどの海洋で発見され、海洋地殻の大部分がいつ発達したかを推定することができました。 ^{[6] [7]}

沈み込んでいない現存する海底（または大陸プレートに押し付けられた海底）の年齢はおよそ1 億 8 千万年（Ma）を超えていないため、それより古い逆転を検出するには他の方法が必要です。ほとんどの堆積岩には微量の鉄分を豊富に含む鉱物が含まれており、その配向は形成された時点の周囲の磁場の影響を受けます。これらの岩石は、後に化学的、物理的、または生物学的変化によって消去されない限り、磁場の記録を保存することができます。

地球の磁場は地球規模の現象であるため、異なる場所での磁気変化の類似パターンは、異なる場所の年代を計算するのに役立つ場合があります。過去 40 年間の海底の年代 (最大約2 億 5000 万年前) に関する古地磁気データは、他の場所の地質断面の年代を推定するのに役立っています。独立した年代測定法ではありませんが、数値の年代を導き出すには、放射性同位体システムなどの「絶対」年代測定法に依存しています。これは、指標化石がほとんど入手できない 変成岩や火成岩層を研究するときに特に役立ちます。

古地磁気学者は、海底の磁気異常の分析と陸上での逆転系列の年代測定を通じて、地磁気極性時間スケールを開発してきました。現在の時間スケールには、過去8300 万年間の184の極性間隔（したがって183の逆転）が含まれています。^{[9] [10]}

地球の磁場の反転率は、時とともに大きく変化している。約72 Maには、100万年の間に5回磁場が反転した。約54 Maを中心とする400万年の期間には、10回の反転があった。約42 Maには、300万年の間に17回の反転が起こった。約24 Maを中心とする300万年の期間には、13回の反転が起こった。約15 Maを中心とする1200万年の期間には、51回もの反転が起こった。5万年の間に2回の反転が起こった。これらの頻繁な反転の時代は、反転が起こらなかった長い期間である「スーパークロン」によって相殺されてきた。^[11]  

スーパークロンとは、少なくとも 1,000 万年続く極性の間隔のことです。よく知られているスーパークロンには、白亜紀標準期とキアマン期の 2 つがあります。3 番目の候補であるモイエロ期は、より議論の的となっています。海洋磁気異常のジュラ紀静穏帯は、かつてはスーパークロンを表すと考えられていましたが、現在では他の原因によるものとされています。

白亜紀の常態（白亜紀超常態またはC34とも呼ばれる）は、約1億2000万年 前から8300万年前までの約4000万年間続き、アプチアン期からサントニアン期までの白亜紀の段階を含む。この期間以前は磁気反転の頻度は着実に減少し、この期間中に最低点（反転なし）に達した。白亜紀の常態から現在まで、頻度は一般的にゆっくりと増加している。^[12]

キアマン逆スーパークロンは、石炭紀後期からペルム紀後期にかけて、つまり約3億1200万年前から2億6200万年前まで の5000万年以上続いた。^[12]磁場の極性が逆転した。「キアマン」という名前は、1925年にスーパークロンの地質学的証拠が初めて発見されたオーストラリアの町キアマに由来している。 ^[13]

オルドビス紀には、モイエロ逆スーパークロン と呼ばれる、2000万年以上続いた別のスーパークロンが存在したと疑われている（4億8500万年前から4億6300 万年前）。これまでのところ、この可能性のあるスーパークロンは、シベリアの極圏北部のモイエロ川流域でのみ発見されている。^[14]さらに、世界の他の地域から得られた最良のデータでは、このスーパークロンの証拠は示されていない。^[15] 1億6000万年 前より古い海底の特定の領域には、解釈が難しい低振幅の磁気異常がある。それらは、北米東海岸、アフリカ北西海岸、および西太平洋で発見されている。かつてはジュラ紀静穏帯と呼ばれるスーパークロンを表していると考えられていたが、この期間の磁気異常は陸上でも発見されている。地磁気は1億3000万年前から1億7000万年前の間は強度が低いことが知られており、この海底部分は特に深く、海底と海面の間で地磁気信号が減衰する原因となっている。^[15]

いくつかの研究では、極性反転の統計的特性を分析し、その根底にあるメカニズムについて何かを学ぶことを期待しています。統計的検定の識別力は、極性間隔の数が少ないために制限されます。それでも、いくつかの一般的な特徴は十分に確立されています。特に、極性反転のパターンはランダムです。極性間隔の長さには相関関係がありません。^[16]通常の極性または反転極性のどちらかに優先順位はなく、これらの極性の分布に統計的な違いはありません。この偏りがないことは、ダイナモ理論の強力な予測でもあります。^[12]

反転率は統計的にランダムであるため、存在しません。反転のランダム性は周期性と矛盾しますが、複数の著者が周期性を発見したと主張しています。^[17]しかし、これらの結果は、反転率を決定するためにスライディングウィンドウを使用した分析の成果物である可能性があります。^[18]

反転の統計モデルのほとんどは、ポアソン過程またはその他の種類の更新過程の観点から分析しています。ポアソン過程は平均して一定の反転率を持つため、非定常ポアソン過程を使用するのが一般的です。ただし、ポアソン過程と比較すると、反転後数万年間は反転の確率が低下します。これは、基礎となるメカニズムの抑制によるものである可能性があり、または単にいくつかのより短い極性間隔が見逃されたことを意味する可能性があります。^{[12]抑制を伴うランダムな反転パターンは、}ガンマ過程によって表すことができます。2006年、カラブリア大学の物理学者チームは、反転がレヴィ分布にも準拠していることを発見しました。レヴィ分布は、時間内のイベント間の長距離相関を持つ確率過程を記述します。 ^{[19] [20]}データは、決定論的だがカオス的なプロセスとも一致しています。^[21]

極性遷移の持続時間に関する推定値の多くは1,000年から10,000年であるが^[12]、人間の寿命と同じくらい短いとする推定値もある。^[22]遷移中、磁場は完全に消滅することはないが、反転中にさまざまな場所に無秩序に多くの極が形成される可能性があり、その後再び安定する。^{[23] [24]}

オレゴン州スティーンズ山の1670万年前の溶岩流の研究によると、地球の磁場は1日最大6度の割合でシフトできることが示されています。^[25]これは当初、古地磁気学者から懐疑的な見方をされました。たとえ核でそれほど急速に変化が起こったとしても、半導体であるマントルは数か月未満の周期の変化を取り除くと考えられています。誤った信号につながる可能性のあるさまざまな岩石磁気メカニズムが提案されました。 ^[26]とはいえ、同じ地域の他のセクション（オレゴン高原洪水玄武岩）の古地磁気研究では一貫した結果が得られています。^{[27] [28]クロンC5Cr（} 1670万年前）の終わりを示す反転から正常への極性遷移には、一連の反転と逸脱が含まれているようです。^[29]さらに、ネバダ州バトルマウンテンで溶岩流を採取したオクシデンタル大学の地質学者スコット・ボーグ氏と米国地質調査所のジョナサン・グレンは、逆転中に数年間にわたって磁場の方向が50度以上変化した短い間隔があったという証拠を発見した。逆転は約1500 万年前にさかのぼる。^{[30] [31]} 2018年、研究者らは逆転がわずか200年しか続かなかったと報告した。^[32] 2019年の論文では、最も最近の逆転は78万年前で、2万2000年続いたと推定されている。^{[33] [34]}

地球や磁場を持つ他の惑星の磁場は、ダイナモ作用によって生成されます。ダイナモ作用では、惑星の核で溶融鉄が対流して電流が発生し、それが磁場を引き起こします。^{[12]惑星のダイナモの}シミュレーションでは、逆転はしばしば基礎となる力学から自然に発生します。たとえば、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のゲイリー・グラッツマイヤーと共同研究者のポール・ロバーツは、地球内部の電磁気と流体力学の結合の数値モデルを実行しました。彼らのシミュレーションでは、40,000年以上のシミュレーション時間にわたって磁場の主要な特徴が再現され、コンピューターで生成された磁場は反転しました。^{[35] [36]不規則な間隔でのグローバルな磁場の反転は、実験室の}液体金属実験「VKS2」でも観測されています。 ^[37]

いくつかのシミュレーションでは、これが不安定性につながり、磁場が自発的に反対方向に反転する。このシナリオは、 9～12年ごとに自発的に反転する太陽磁場の観測によって裏付けられている。太陽の場合、反転中に太陽の磁気強度が大幅に増加することが観測されているが、地球上の反転は磁場強度が低い期間に発生するようだ。^[38]

リチャード・A・ミュラーなど一部の科学者は、地磁気の逆転は自然発生的なプロセスではなく、地球の核の流れを直接的に乱す外部イベントによって引き起こされると考えています。提案には、衝突イベント^{[39] [40]や、}プレートテクトニクスの作用によって沈み込み帯でマントルに運ばれた大陸スラブの到着、核マントル境界からの新しいマントルプルームの開始などの内部イベントが含まれます。^[41]この仮説の支持者は、これらのイベントのいずれかがダイナモの大規模な混乱につながり、地球の磁場を事実上オフにする可能性があると考えています。磁場は現在の南北の向きでも逆転した向きでも安定しているため、彼らは、磁場がそのような混乱から回復するときに、自発的にどちらかの状態を選択し、回復の半分が逆転になると主張しています。この提案されたメカニズムは定量的モデルでは機能しないようであり、逆転と衝突イベントの相関関係を示す地層学上の証拠は弱い。白亜紀-古第三紀絶滅イベントを引き起こした衝突イベントと関連する逆転の証拠はない。^[42]

最初の地磁気極性時間スケールが作成された直後、科学者たちは逆転が絶滅イベントに関連している可能性を探り始めました。^[17]こうした議論の多くは逆転率の明らかな周期性に基づいていましたが、より注意深い分析により逆転記録は周期的ではないことが示されています。^[18]スーパークロンの終わりが活発な対流を引き起こし、広範囲にわたる火山活動を引き起こし、その後の空中の灰が絶滅を引き起こした可能性があります。^[43]絶滅と逆転の相関関係のテストは、いくつかの理由で困難です。大型動物は化石記録にあまりに少なく、適切な統計が取れないため、古生物学者は微化石の絶滅を分析してきました。化石記録に中断がある場合は、微化石データでさえ信頼できない場合があります。極性間隔の残りの部分が単に浸食されて消えてしまったのに、極性間隔の終わりに絶滅が発生したように見えることがあります。^[26]統計分析では、逆転と絶滅の間に相関関係があるという証拠は示されていない。^{[44] [45]}

地球の磁場の逆転と絶滅イベントを結び付けるほとんどの提案では、逆転中に地球の磁場がはるかに弱くなると想定されている。おそらくそのような仮説の最初のものは、ヴァン・アレン放射線帯に閉じ込められた高エネルギー粒子が解放されて地球に衝突する可能性があるというものだった。 ^{[45] [46]}詳細な計算により、地球の双極子場が完全に消えた場合（四重極以上の成分が残る）、大気の大部分は高エネルギー粒子に利用可能になるが、それらに対して障壁として機能し、宇宙線の衝突によりベリリウム10または塩素36の二次放射線が発生することが確認されている。2012年にドイツで行われたグリーンランドの氷床コアの研究では、41,000年前の短時間の完全逆転中にベリリウム10のピークが示され、その結果、逆転中に磁場の強度が通常の約5%に低下したと推定されている。^{[47]これは、}経年変化^{[48] [49]}と逆転^{[50] [51]}の両方で発生するという証拠がある。

マコーマックとエヴァンスの仮説では、地球の磁場は逆転中に完全に消滅すると想定されている。^[52]彼らは、火星の大気はそれを保護する磁場がなかったため、太陽風によって侵食された可能性があると主張している。彼らは、イオンは高度100 kmを超えると地球の大気から剥ぎ取られると予測している。古地磁気強度測定は、逆転中に磁場が消滅していないことを示している。過去80万年間の古地磁気強度データに基づくと、^[53]磁気圏界面は、ブリュンヌ・マツヤマ逆転中に地球半径の約3倍にあったと推定されている。^{[45]たとえ内部磁場が消滅したとしても、太陽風は地球の}電離層に磁場を誘導し、表面を高エネルギー粒子から保護することができる。^[54]

• 地磁気逆転のリスト（年代を含む）
• 磁気異常

ウィキブック歴史地質学には、地磁気逆転に関するページがあります。

• 地球の磁場が反転しようとしているというのは本当でしょうか? physics.org、2019年1月8日アクセス
• 極の逆転は常に起こっている（地質学的に）NASA、2022年3月1日にアクセス