För att bestämma det tidigare magnetfältets riktning och intensitet, forskarna daterade och analyserade zirkonkristaller som samlats in från platser i Australien. Zirkonerna är cirka två tiondelar av en millimeter och innehåller ännu mindre magnetiska partiklar som låser in jordens magnetisering vid den tidpunkt då zirkonerna bildades. Här, en zirkonkristall placeras inom "O" på en krona, för skala. Upphovsman:University of Rochester / John Tarduno
Djupt inne på jorden, virvlande flytande järn genererar vår planets skyddande magnetfält. Detta magnetfält är osynligt men är avgörande för livet på jordens yta:det skyddar planeten från skadlig solvind och kosmiska strålar från solen.
Med tanke på vikten av magnetfältet, forskare har försökt ta reda på hur fältet har förändrats under jordens historia. Den kunskapen kan ge ledtrådar för att förstå jordens framtida utveckling, såväl som utvecklingen av andra planeter i solsystemet.
Ny forskning från University of Rochester ger bevis för att magnetfältet som först bildades runt jorden var ännu starkare än vad forskare tidigare trodde. Forskningen, publiceras i tidskriften PNAS , kommer att hjälpa forskare att dra slutsatser om hållbarheten hos jordens magnetiska sköld och om det finns andra planeter i solsystemet med de förutsättningar som krävs för att hysa liv.
"Denna forskning säger oss något om bildandet av en beboelig planet, " säger John Tarduno, William R. Kenan, Jr., Professor i geo- och miljövetenskap och dekanus för forskning för konst, Vetenskaper, och teknik vid Rochester. "En av frågorna vi vill svara på är varför jorden utvecklades som den gjorde och detta ger oss ännu fler bevis på att den magnetiska avskärmningen registrerades mycket tidigt på planeten."
Jordens magnetfält idag
Dagens magnetiska sköld genereras i jordens yttre kärna. Den intensiva värmen i jordens täta inre kärna får den yttre kärnan - sammansatt av flytande järn - att virvla och vrida, genererar elektriska strömmar, och driver ett fenomen som kallas geodynamo, som driver jordens magnetfält. Strömmarna i den flytande yttre kärnan påverkas starkt av värmen som strömmar ut ur den fasta inre kärnan.
På grund av materialets placering och extrema temperaturer i kärnan, forskare kan inte direkt mäta magnetfältet. Lyckligtvis, mineraler som stiger till jordens yta innehåller små magnetiska partiklar som låser sig i magnetfältets riktning och intensitet när mineralerna svalnar från sitt smälta tillstånd.
Använder ny paleomagnetisk, elektron mikroskop, geokemisk, och paleointensitetsdata, forskarna daterade och analyserade zirkonkristaller – de äldsta kända jordlevande materialen – som samlats in från platser i Australien. Zirkonerna, som är ungefär två tiondelar av en millimeter, innehåller ännu mindre magnetiska partiklar som låser i magnetiseringen av jorden vid den tidpunkt då zirkonerna bildades.
Konstnärsåtergivning av tidiga jorden och Mars för 4,2 miljarder år sedan med internt genererade magnetfält. Geodynamons långa livslängd och magnetisk avskärmning förhindrade förlust av havet på jorden, medan kollapsen av det martiska magnetfältet bidrog till dess förlust av vatten. Kredit:Illustration med tillstånd av Michael Osadciw (University of Rochester, Rochester, NY) och John A. Tarduno.
Jordens magnetfält för 4 miljarder år sedan
Tidigare forskning av Tarduno fann att jordens magnetfält är minst 4,2 miljarder år gammalt och har funnits nästan lika länge som planeten. Jordens inre kärna, å andra sidan, är ett relativt nytt tillägg:det bildades bara för cirka 565 miljoner år sedan, enligt forskning publicerad av Tarduno och hans kollegor tidigare i år.
Medan forskarna initialt trodde att jordens tidiga magnetfält hade en svag intensitet, de nya zirkondata antyder ett starkare fält. Men, eftersom den inre kärnan ännu inte hade bildats, det starka fältet som ursprungligen utvecklades för 4 miljarder år sedan måste ha drivits av en annan mekanism.
"Vi tror att mekanismen är kemisk utfällning av magnesiumoxid inom jorden, "Säger Tarduno.
Magnesiumoxiden löstes sannolikt upp av extrem värme relaterad till den gigantiska påverkan som bildade jordens måne. När insidan av jorden svalnade, magnesiumoxid kan falla ut, körkonvektion och geodynamo. Forskarna tror att inre jorden så småningom uttömde magnesiumoxidkällan till den grad att magnetfältet nästan helt kollapsade för 565 miljoner år sedan.
Men bildandet av den inre kärnan gav en ny källa för att driva geodynamo och den planetariska magnetiska skölden som jorden har idag.
Ett magnetfält på Mars
"Detta tidiga magnetfält var extremt viktigt eftersom det skyddade atmosfären och avlägsnandet av vatten från den tidiga jorden när solvindarna var som mest intensiva, Tarduno säger. "Mekanismen för fältgenerering är nästan säkert viktig för andra kroppar som andra planeter och exoplaneter."
En ledande teori, till exempel, är det Mars, som jorden, hade ett magnetfält tidigt i sin historia. Dock, på Mars, fältet kollapsade och, till skillnad från jorden, Mars genererade inte en ny.
"När Mars förlorade sin magnetiska skärmning, den tappade sedan vattnet, " säger Tarduno. "Men vi vet fortfarande inte varför den magnetiska skärmningen kollapsade. Tidig magnetisk skärmning är verkligen viktig, men vi är också intresserade av hållbarheten hos ett magnetfält. Den här studien ger oss mer data för att försöka lista ut uppsättningen av processer som upprätthåller den magnetiska skölden på jorden."
