Med hjälp av ny data som samlats in från platser i södra Afrika, Forskare från University of Rochester har utökat sin registrering av jordens magnetfält tillbaka tusentals år till det första årtusendet.

Uppteckningen ger historiska sammanhang för att förklara senaste, pågående förändringar i magnetfältet, mest framträdande i ett område på södra halvklotet känt som South Atlantic Anomaly.

"Vi har vetat ganska länge att magnetfältet har förändrats, men vi visste inte riktigt om detta var ovanligt för den här regionen på en längre tidsskala, eller om det var normalt, säger Vincent Hare, som nyligen avslutade en postdoktorandtjänst vid Institutionen för jord- och miljövetenskaper (EES) vid University of Rochester, och är huvudförfattare till en artikel publicerad i Geofysiska forskningsbrev .

Försvagande magnetfält en återkommande anomali

De nya uppgifterna ger också fler bevis för att en region i södra Afrika kan spela en unik roll i magnetiska polomkastningar.

Det magnetiska fältet som omger jorden avgör inte bara om en kompassnål pekar mot norr eller söder, men skyddar också planeten från skadlig strålning från rymden. Nästan 800, 000 år sedan, polerna byttes:norr pekade söderut och vice versa. Polerna har aldrig vänt helt sedan dess, men under de senaste 160 åren, styrkan på magnetfältet har minskat i en alarmerande takt. Den region där den är svagast, och fortsätter att försvagas, är ett stort område som sträcker sig från Chile till Zimbabwe som kallas South Atlantic Anomaly.

För att sätta dessa relativt nya förändringar i ett historiskt perspektiv, Rochester-forskare – ledd av John Tarduno, en professor och ordförande för EES – samlade in data från platser i södra Afrika, som ligger inom den sydatlantiska anomalien, att sammanställa ett register över jordens magnetiska fältstyrka under många århundraden. Data som tidigare samlats in av Tarduno och Rory Cottrell, en EES-forskare, tillsammans med teoretiska modeller utvecklade av Eric Blackman, en professor i fysik och astronomi vid Rochester, antyder att kärnregionen under södra Afrika kan vara födelseplatsen för nya och framtida polvändningar.

"Vi letade efter återkommande beteende av anomalier eftersom vi tror att det är vad som händer idag och orsakar den sydatlantiska anomalien, " säger Tarduno. "Vi hittade bevis för att dessa anomalier har hänt tidigare, och detta hjälper oss att kontextualisera de nuvarande förändringarna i magnetfältet."

Forskarna upptäckte att magnetfältet i regionen fluktuerade från 400-450 e.Kr. från 700-750 e.Kr. och igen från 1225-1550 e.Kr. Denna sydatlantiska anomali, därför, är den senaste uppvisningen av ett återkommande fenomen i jordens kärna under Afrika som sedan påverkar hela jordklotet.

"Vi får starkare bevis för att det finns något ovanligt med gränsen mellan kärnan och manteln under Afrika som kan ha en viktig inverkan på det globala magnetfältet, " säger Tarduno.

En polvändning? Inte än, säger forskare

Magnetfältet genereras genom att virvla, flytande järn i jordens yttre kärna. Det är här, ungefär 1800 miles under den afrikanska kontinenten, att det finns en speciell egenskap. Seismologiska data har avslöjat en tätare region djupt under södra Afrika som kallas African Large Low Shear Velocity Province. Området ligger precis ovanför gränsen mellan den heta flytande yttre kärnan och den styvare, svalare mantel. Sitter ovanpå den flytande yttre kärnan, det kan sjunka något, stör järnflödet och påverkar i slutändan jordens magnetfält.

En stor förändring i magnetfältet skulle få omfattande konsekvenser; magnetfältet stimulerar strömmar i allt med långa ledningar, inklusive elnätet. Förändringar i magnetfältet kan därför orsaka fel på elnätet, funktionsfel i navigationssystemet, och satellithaverier. En försvagning av magnetfältet kan också innebära att mer skadlig strålning når jorden – och utlösa en ökning av förekomsten av hudcancer.

Hare och Tarduno varnar, dock, att deras data inte nödvändigtvis innebär en fullständig polomkastning.

"Vi vet nu att detta ovanliga beteende har inträffat åtminstone ett par gånger innan de senaste 160 åren, och är en del av ett större långsiktigt mönster, " Säger Hare. "Men, det är helt enkelt för tidigt att säga säkert om detta beteende kommer att leda till en full polomkastning."

Även om en fullständig polvändning inte är inom en snar framtid, dock, försvagningen av magnetfältets styrka är spännande för forskare, säger Tarduno. "Möjligheten för ett fortsatt avtagande av magnetfältets styrka är ett samhällsproblem som förtjänar fortsatta studier och övervakning."

In the Field:"Arkeomagnetism" på jobbet

Forskarna samlade in data för detta projekt från en osannolik källa:forntida lerrester från södra Afrika som går tillbaka till tidig och sen järnålder. Som en del av ett fält som kallas "arkeomagnetism, " geofysiker samarbetar med arkeologer för att studera det tidigare magnetfältet.

Rochester-teamet, som omfattade flera studenter, samarbetade med arkeologen Thomas Huffman vid University of Witwatersrand i Sydafrika, en ledande expert på södra Afrika av järnåldern. Gruppen grävde ut lerprover från en plats i Limpopo River Valley, som gränsar till Zimbabwe, Sydafrika, och Botswana.

Under järnåldern i södra Afrika, runt det första årtusendet, det fanns en grupp bantutalande människor som odlade spannmål och bodde i byar bestående av spannmålsbehållare, hyddor, och boskapshägn. Utkast var förödande för deras jordbruksbaserade kultur. Under perioder med drag, de skulle utföra utarbetade rituella rensningar av byarna genom att bränna ner hydorna och spannmålskärlen.

"När du bränner lera vid mycket höga temperaturer, du stabiliserar faktiskt de magnetiska mineralerna, och när de svalnar från dessa mycket höga temperaturer, de låser in ett register över jordens magnetfält, " säger Tarduno.

Forskare gräver ut proverna, orientera dem i fält, och ta dem tillbaka till labbet för att utföra mätningar med magnetometrar. På det här sättet, de kan använda proverna för att sammanställa en registrering av jordens magnetfält i det förflutna.