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挖掘磁力线索:考古揭示过去的磁性时刻

16 Mar 2021
从3月2021日起拍摄 物理世界。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

分析古代人工制品中存储的磁性信息揭示了地球磁场的历史,并为我们未来可能期望的改变提供了线索。 雷切尔巴西 explains

(礼貌:Jon Arnold图片有限公司/ alamy库存照片)

地球磁性过去的记录可能存储在射击克莱日期回到16世纪的物体中的想法。 威廉吉尔伯特,医生给伊丽莎白女王,我的工作假设了 德大奖赛 地球是巨型条磁铁,粘土砖具有磁记忆。这种现象 - 被称为“热度磁化“ - 现在构成了含窑,炉膛,烤箱或炉子的考古地点的既定方法的基础。

实际上,在考古地点发现的含有磁性矿物质的这些烧焦材料的研究被称为“archaeomagnetism”。该领域的一个目标是帮助地球物理学家在过去3000年里,对地球磁场中发生的局部变化更好地了解。如果我们知道过去的领域如何改变,我们也可以对我们的遗忘洞察力。

我们已经知道,地球的磁场在过去的150年里损失了其强度的10%。 “偶极力量以速度稳步下降,使得它应该继续,2000年磁场强度为零,” 罗切斯特大学的地质学家Rory Cottrell 在美国。 “这个思想是地球是为了磁场逆转。”

从岩石中的磁记录中收集的数据表明,在过去的7600万年里,已经有170个逆转,其中该领域的北方极性完全切换。似乎另一个事件逾期:平均每20万年都发生了完整的逆转,而最后一个年前是78万年前。

即使是地球磁场的小变化也可能对地球表面具有深远的影响。这是因为磁场充当屏蔽,排斥和捕获来自太阳的带电粒子,否则会导致电网故障,导航系统故障和卫星故障。强烈的太阳风已经从时刻造成问题,特别是在 1989年,当十亿吨的太阳等离子体云突破了地球的磁场。这在地面上产生了电流,在加拿大魁北克省的整个省内导致电力停电。如果该领域进一步削弱,我们可以期待更多这样的事件,引发重大中断。

The South Atlantic Anomaly

关注的特定原因是 南大西洋异常, 从智利在南美洲到津巴布韦在非洲延伸的区域,磁场强度远低于全局平均值(图1)。该区域横跨该区域的磁场强度可以达到25μt,而地球表面的其他部位相比至多67μm。 “它足够低,即进入的辐射不再偏转,并且它干扰卫星传输,” 南非开普敦大学地球物理野兔,地球物理主义者和考古科学家。更重要的是,在过去的200年左右,异常一直在增长和加剧,这可能是另一个信号,即现场逆转正在进行中。

测量archaeomagnetism.

要了解这一本地化异常是否可能是更重大变化的标志,地球物理学家一直在研究我们的星球相对近期的磁历史。不幸的是,只有在1850年代以来,才能收集地球磁场的直接观察,甚至只在某些位置。虽然岩石中所含的磁性信息返回数百万年的磁性信息,研究人员将注意力集中在考古文物中,以重建过去3000年左右的磁历史。

粘土或含有磁性矿物质在570℃的加热时失去任何磁性的磁性排序,但是当它们被冷却时,随后与地球的环境磁场印记

archaeomagnetism的领域依赖于粘土或含有磁性矿物的其他材料 - 通常磁铁矿 - 当它们被加热至570℃(居里温度)时失去任何磁性排序。实际上,样品失去了其净磁化,但是当它冷却回到居里温度以下时,颗粒在当时沿局部磁场的方向进行复制。通过这种方式,这些考古样本通过不同的时间和历史中的地点提供了地球环境磁场的快照。这些样品可以透露磁场的强度及其方向,该方向在地球表面的任何点处测量,磁性北部和真正的北方水平面上的角度(图2)。

第一次尝试从燃烧粘土提取磁信息,在19世纪末,当意大利科学家Giuseppe Folgheraiter校准了“地磁世俗变化曲线”时 - 一种突出的磁场倾向和倾斜的变化记录给定的位置 - 约会古代陶器。该技术在20世纪70年代变得更加成立,现在可以将与RadioCarbon约会的相同程度的精确度。 “archaeomagnetist的工作是将样品拿走并衡量他们死亡,”野兔说。

但是获得准确的测量远远良好。对于开始,考古样本中的残余磁性是微小的,磁性时刻为10–3–10–5 Am2/ kg,这是移动罗盘针的数量级低。只有通过由超导量子干涉装置(鱿鱼)制成的低温磁力计,才能检测这种小磁信号。实验还必须在“磁性真空”中进行,通常使用亥姆霍兹笼,该灯罩笼形成均匀的磁场以抵消地球的磁场。

另一个并发症是原始磁信号的复合性质。 “测量通常是您对您感兴趣的古老磁化的矢量和,以及最近的叠印,” 安迪Biggin,Liverpool大学的古玩地区 在英国。他说,更近期或“二次”磁化通常可以通过将样品逐渐加热到接近居里点的温度,然后在每个加热步骤之后冷却它们。 “逐渐脱离稳定的磁化,”Biggin增加。

测量的准确性还取决于样品的磁性结构,较小的磁性颗粒保持其磁化以更长。例如,在磁铁矿中,测量50-80nm的磁性颗粒可以存储它们的磁信息数十亿年。显然,只有在该字段被印记以来,才能才能采取精确的场方向读数。换句话说,例如,材料不应显着干燥或者在样品最后加热到居里温度。这一要求规定了许多类型的样本,包括那些可能在被发现时受到干扰的样本。 “陶器窑,甚至[遗骸]烧毁的城市,做出一个很好的古代磁性记录,”Biggin说。

从考古学人工制品确定磁力强度甚至更难以,因为当前的测量也取决于样品获得热量磁化的内在能力。确定该内在属性的最简单方法说,Biggin是将样品暴露于已知磁场,然后测量所得到的磁化。例如,如果新的磁化是古代磁化的两倍,古代磁场必须已成为实验室中使用的受控领域的一半。

但是,与古老的粘土一起工作不可避免地引入问题,部分原因是加热过程经常导致样品中的化学变化或物理恶化。 “我从未遇到过一种非常困难,需要很长时间的分析技术,”野兔说。 “你可以在测量中获得一个月,然后让他们失败。”尽管有这些困难,地球物理学家已经拼凑在一起为西欧和中东大部分的准确的磁力记录。例如,在英国,archaeomagnicetic约会现在延伸到1000 bce,在某些情况下,在几年内有准确度。

 

The Earth’s magnetic field

寻找异常

这种越来越多的archaeomagnicnicnetic数据表明,目前的南大西洋异常不是地球磁场近期历史中极端局部变化的唯一例子。一个焦点领域是中东,地质学家和考古学家团队一直在研究以色列发现的古代人工制品的磁化。 “我们发现非常神秘的磁场,比预期的令人惊讶的是 - 超级超强,” 来自耶路撒冷希伯来大学的地球物理罗恩史。在现场方向和强度中看到了奇怪的行为,具有超过10°的异常,从普遍的现场方向。

2016年,该团队发布了从陶器碎片和烹饪烤箱获得的结果 电话兆多Tel Hazor.,以色列的两个网站,在熨平年龄超过3000年前被占用(图3)。这些数据揭示了第11世纪和第8世纪之间的极端地磁高位的演变,最终在两个“archaeomagnetic jerks”或“地磁钉”中,现场强度在不到一个世纪(地球和行星科学字母 442 173)。这两穗位于732 BCE和980 BCE,每个尖头都具有距离电流偶极场的两倍以上的场强。此时已知被称为左旋林时代异常。

一种有趣的可能性是在圣经时期可能已经看到了这些高领域的效果。来自英格卡尔书的段落,写了2600年前,并记过通过土耳其的旅程,描述了一个巨大的云,闪烁着闪电般的闪电。这种描述被认为是指Aurora Borealis,通常仅在远北方观察到当带电粒子以高速碰撞这些区域中的更强的磁场时。但是,当时中东的磁场更强的磁场可以解释先知所看到的灯。虽然时间段与团队检测到的尖峰完全不匹配,但是 地球物理学家AmoTz Agnon. - 谁创立了 耶路撒冷的古磁石实验室 并启动了Tel Megiddo项目 - 指出“与预言,你永远不会知道,也许[这是]只有一些口头传统的谣言”。

在2020年Shaar和他的团队在耶路撒冷的铁器时代挖掘网站发表了新数据。他们分析了397个从建筑物的地板上烧焦的烧焦材料样本,他们推导出在城市的巴比伦征服期间被摧毁,日期为886年8月。它们的结果揭示了类似的高场值,还提供了它们测量的精确锚定日期(普罗斯一体 15 e0237029)。

来自进一步远见的数据显示在当时的异常伸展多远。 “我们可以追查其演变,它如何在中东开始,并在百年左右的时间内向西迁往西欧,”绍尔说。他和其他人已经研究了来自土耳其和塞浦路斯的材料,从1910年到1850年的磁场方向上显示大摇摆,具有极高的强度约为700 BCE。来自格鲁吉亚的其他数据在从第10到第9世纪BCE延伸的时期中显示出高场值,以及大约500年后的快速场变异。

但这种不寻常的磁性行为与现在在南部的大西洋中看到的异常不同,这是弱磁场的局部区域。寻找过去的类似低强度异常的例子,Cottrell决定在南部非洲的线索中寻找。与南非考古学家合作,Cottrell在南非北部,莫桑比克,博茨瓦纳和津巴布韦的Shashe和Limpopo Rivers附近的地点确定了合适的样本,从425到1550 Ce。

“南部非洲的铁器时代是一个很好的地方,”野兔是学习团队的一部分。他解释说,当地人将用粘土楼层建造小屋,并定期进行某些仪式,如果有干旱或类似的事件,则会清理社区。 “其中一个将是燃烧的小屋,这对archaeomagnetism是完美的。”

到目前为止,只有现场方向测量已发布,但这些早期结果已经显示出有趣的异常行为(地球物理研究字母 45 1361)。 “如果我们看待今天和1500年之间的磁场,每年的变化率约为0.06°,但在1500年和1350年CE之间,它几乎是两倍,”Cottrell解释说。该团队还确定了第6世纪和第7世纪之间相对迅速变化的时期。

Cottrell认为,这种可变性是造成当前南大西洋异常的任何现象的最新历史展示。此前被认为只是最近的事件,但这些新发现表明世界上一些部分可能易于在磁场中重复变化。为了测试这个想法,Biggin进一步回到了地质记录中。他在南大西洋中间的圣赫勒拿岛上学习了8-11.5百万年前形成的火山眼镜,并发现了磁场方向的大变化。因此,这一发现支持了该地球磁场在该地区在数百万年中不稳定。

Megiddo Expedition

在地幔下面

目前尚不清楚为什么某些地区经历这些持续的异常,但地球物理学家认为,答案可能位于地球地幔和外部核心之间的相互作用中,这是一个负责地球磁场的2889公里的熔融铁岩层。磁场由发电机处理产生,其中接地的旋转与熔融芯中的对流电流组合产生,产生产生磁场的旋转柱。 “当你通过磁场移动导体时,你会诱导电流,这使得更多的磁场 - 所以它是自我维持的,”Biggin解释说。

磁场中的异常被认为与外芯中的磁场块相关联,其相对于整个磁性偶极件更强或更弱,或者均匀的方向上的点。 “随着这些磁通补丁移动,它们加剧和减少,并导致局部变化非常快,”Biggin说。实际上,目前的南大西洋异常似乎坐在一个或多个反对助焊剂的顶部。

罗切斯特团队提出,这些通量贴片与地球地幔中深度的温度或密度变化有关。 “非洲坐在地球内部的一个非常特殊的地震特征之上,称为大型低剪刀速省,”野兔说。 “基本上是地球的最下面地幔的略微较重的部分,坐在外核的顶部,并略微突出到其中。”然后,这种突起渗透了液体外核的流动,导致磁通贴片改变地球表面上的磁场。

未来线索

总的来说,来自archaeomagnetic研究的数据一直在放心,因为我们今天看到的异常符合过去的行为,因此来自地球磁场的未来。 “我们在过去几年中观察到的是地磁领域的一个非常正常的行为,”Shaar说。 “基于今天领域的比较与我们对古老的领域所了解的比较,没有什么可担心的。”该观点由从地球历史中的岩石中形成的岩石获得的岩石备份,这表明地球的磁场现在比在过去五个逆转的50 000年的全球范围内更强大。

尽管这一普遍保证,但仍有很多探索地球磁场中的异常。这意味着在过去三千年内收集更多关于强度变化的数据,但是当样本分析中仍然存在这种高故障率时,这是一个令人生畏的任务。 “很少有人[地球物学家]专注于强度,因为实验使他们发疯,”野兔说。 “但这是整个问题的关键。”

开发的新测量技术将计算机X射线断层扫描与扫描磁力相结合

一种解决方案可以是正在开发的新测量技术 Lennart de Groot,来自乌得勒支大学的地球物理主义者 在荷兰。 De Groot在一个样品中同时测量数百万粒的磁性,而是将计算机X射线断层扫描与扫描磁体相结合,以计算每个谷物的独特贡献(地球物理研究字母 45 2995)。他说,可以实现更准确的结果,因为该技术仅需要在每个样品内包含的磁性颗粒的小子集。

从更广泛的位置来源样本也很重要。现在存在详细的磁性曲线为欧洲和大部分中东,而中国的数据覆盖也在改善。从南半球来源磁性数据仍然很难,但科特尔正在继续她在非洲的工作,并增加了“许多研究人员,特别是来自南美洲,收集这一数据的协同努力”。

随着更多数据可用,地球物理学家确信地球磁性历史上会出现更多的异常行为。例如,西伯利亚下有一些证据表明,例如,在澳大利亚附近的南海。 Shaar同意将找到其他异常,并预测任何新发现就像迄今为止报告的那些新发现就像令人费力一样令人困惑。 “世界是巨大的,我怀疑我们将在未来发现,地磁领域没有与我们在过去几百年中衡量的东西,”他说。 “这是一种不断变化的事情,不断变化,会有很多惊喜。”

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