Космические лучи раскрывают событие в истории магнитного поля Земли

41 000 лет назад магнитное поле Земли ослабло и практически исчезло, оставив нашу планету незащищённой от бомбардировки космическими лучами. Доказательства этого события были обнаружены в кернах морских отложений командой из Центра исследования и преподавания геонаук окружающей среды (CEREGE, CNRS/Университет Экс-Марсель/IRD/Коллеж де Франс). В образцах исследователи измерили вариации концентраций бериллия-10 — радиоактивного изотопа, образующегося под действием космических лучей на атомы кислорода и азота в атмосфере. Работа, опубликованная в Journal of Geophysical Research, является важным шагом к разработке нового метода изучения истории магнитного поля Земли, который должен пролить свет на причины его ослабления за последние три тысячи лет.

Магнитное поле Земли образует эффективный щит, отклоняющий заряженные частицы космического происхождения. Оно далеко не постоянно и претерпело множество инверсий, когда северный магнитный полюс смещался к южному географическому полюсу. Такие инверсии всегда сопровождаются исчезновением магнитного поля. Последняя полная инверсия произошла 780 000 лет назад. Поле также может испытывать экскурсы — периоды внезапного ослабления, как будто перед инверсией, с последующим восстановлением нормальной полярности. Последнее подобное событие, известное как экскурс Лашампа, произошло 41 000 лет назад.

Свидетельства события были обнаружены в кернах осадков, собранных у побережья Португалии и Папуа-Новой Гвинеи. В образцах учёные обнаружили избыток бериллия-10, изотопа, образующегося исключительно при столкновениях частиц космического происхождения с атомами азота и кислорода. Образовавшийся в атмосфере бериллий-10 (¹⁰Be) затем оседает на поверхность Земли, где включается в лёд и осадки. В слоях, датируемых временем экскурса Лашампа, исследователи обнаружили до двух раз больше ¹⁰Be, чем в норме, что свидетельствует об интенсивной бомбардировке космическими лучами, которую Земля переживала несколько тысяч лет.

Традиционно история магнитного поля изучается палеомагнитным методом — по ориентации и концентрации оксидов железа в вулканических лавах, осадках или древней керамике. Однако этот подход не всегда позволяет точно количественно оценить глобальные вариации силы поля. Исследователи совместили этот метод с измерением концентраций ¹⁰Be в тех же осадочных записях. Это позволило им показать, что пиковые концентрации этого изотопа синхронны и имеют одинаковую динамику и амплитуду в отложениях Атлантики и Тихого океана, как и в ранее проанализированных ледяных кернах Гренландии. Таким образом, метод на основе бериллия-10, разрабатываемый в CEREGE последние 10 лет, позволяет получить непрерывную реконструкцию вариаций силы глобального магнитного поля Земли.

Известно, что за последние 3000 лет магнитное поле потеряло 30% своей силы. Эта тенденция позволяет предположить, что в ближайшие столетия Земля может пережить экскурс, подобный произошедшему 41 000 лет назад. Поскольку высокоэнергетические космические лучи могут вызывать мутации и повреждения клеток, такое событие оказало бы значительное влияние на биоразнообразие и, в частности, на человека. Поэтому исследователи стремятся выяснить точные темпы последовательностей инверсий и экскурсов магнитного поля, чтобы выявить потенциальные закономерности в его поведении и понять причины этих явлений, зарождающихся в ядре Земли. Эту цель преследует проект MAGORB, запущенный в 2009 году при финансировании Французского национального агентства по исследованиям (ANR) и проводимый CEREGE, Институтом физики Земли в Париже (IPGP) и Лабораторией климатологических и экологических наук (LSCE, CNRS/CEA/UVSQ).