Paleomagnetisme en de omkering van de polen

Aan de hand van magnetische velden uit heden en verleden kun je nagaan waar gesteente ooit ontstaan is. Want die velden variëren door de tijd heen; de magnetische noord- en zuidpool zijn zelfs herhaaldelijk omgedraaid. 

Deze keer twee verwante vragen. Hoe weten we op grond van de magnetische eigenschappen waar op aarde een gesteente is gevormd (Margo van Stratum, Beekdal Lyceum, Arnhem). En: Wat gebeurt er als de magnetische polen omkeren (Martin Bakker, Segbroek College, Den Haag). 

Paleomagnetisme

Eerst de vorming van gesteente. De aarde heeft een magnetisch veld dat wordt geproduceerd door het bewegende vloeibare ijzer in de buitenkern. Magnetisme is een natuurkracht, net als zwaartekracht, maar werkt net wat ingewikkelder. Bij zwaartekracht trekt alles elkaar aan, bij magnetisme is er sprake van zowel aantrekking als afstoting. Bijgevolg kun je twee kanten onderscheiden waar magnetische dingen heen ‘willen’. Omdat ze ongeveer samenvallen met de draai-as van de aarde, noemen we dat de noord- en zuidpool. Tussen die polen lopen veldlijnen, die voor ons net zo onzichtbaar zijn als de zwaartekracht. De richting van zwaartekracht kun je echter wel tonen door een object te laten vallen, oftewel vrij te laten bewegen met als enige invloed de zwaartekracht. Magnetisme kun je zichtbaar maken door een magnetisch object vrij te laten bewegen. Denk aan een kompasnaald. Figuur 1 laat zien hoe de magnetische veldlijnen van de aarde ongeveer lopen. In de buurt van de noordpool staan ze verticaal en ‘wijzen’ naar beneden. Rond de evenaar staan ze ongeveer horizontaal en in de buurt van de zuidpool weer verticaal en naar boven wijzend. Dit is de sleutel tot onderzoek naar waar op aarde een gesteente gevormd is. Als je namelijk iets kunt zeggen over de oriëntatie van het magnetisch veld bij de vorming van het gesteente (horizontaal, verticaal of iets ertussenin), is dat een aanwijzing voor de breedtegraad waarop het gevormd is: bij de evenaar, bij een van de polen of ergens daartussenin.

Om op aarde nú het magnetisch veld te meten, heb je in principe alleen een kompas nodig. Om iets te zeggen over het magnetisch veld toen een gesteente zich vormde, moet je iets aan het gesteente kunnen meten dat door dit magnetisme beïnvloed is. 

Stenen bestaan uit kristallen, waaronder vaak ook magnetische. Het meest voorkomend is het mineraal magnetiet (Fe2+Fe3+2O4), dat bestaat uit de elementen ijzer en zuurstof. Het ontstaat onder andere als basaltisch magma afkoelt. Als het magma stolt (bij circa 900 °C), is het nog zo heet dat de kristallen hun magnetische eigenschappen constant aanpassen aan het aardmagnetisch veld. Als het gesteente afkoelt tot onder de 580 °C, kan dat niet meer en liggen de magnetische eigenschappen vast. Gemiddeld nemen ze op dat moment de richting van het aardmagnetisch veld over en die houden ze vast zolang ze onder de 580 °C blijven. Deze eigenschap heet paleomagnetisme. 

We kunnen dat paleomagnetisch veld miljoenen jaren later nog meten, in feite gewoon door een kompasnaald in de buurt van het gesteente te houden. In het eenvoudige geval dat het gesteente horizontaal is gevormd en ook zo is blijven liggen, kun je dan vaststellen dat het paleomagnetisch veld bijvoorbeeld onder een hoek van 60 graden met het aardoppervlak staat, terwijl het aardmagnetisch veld ter plaatse onder een hoek van 40 graden staat. Dan is het gesteente blijkbaar wat dichter bij de pool gevormd en richting de evenaar geschoven sinds de vorming. 

Magmatische (stollings)gesteenten zijn de voornaamste bron van paleomagnetische gegevens. Maar als magnetische deeltjes ergens neerdwarrelen als sediment, bijvoorbeeld magnetietkristallen als onderdeel van een zandafzetting, kan er ook een paleomagnetisch veld worden vastgelegd. 

Bij metamorfose – als de mineralen in het gesteente veranderen door vooral grote druk of hoge temperatuur – kan het paleomagnetisch veld weer worden ‘gereset’ als de temperatuur boven de 580 °C uitkomt. Als het later weer afkoelt, kun je dan in principe de breedtegraad vaststellen waarop de metamorfose heeft plaatsgevonden, maar niet meer de breedtegraad waarop het gesteente oorspronkelijk gevormd is.

Omkering

Uit paleomagnetisch onderzoek blijkt dat het aardmagnetisch veld op geologische tijdschaal nogal grillig is. De precieze locatie van de magnetische noord- en zuidpool verandert in de loop der tijd (polar wander). Het is zelfs zo dat de magnetische noord- en zuidpool in het verleden vaak zijn omgekeerd. Dat kwam onder meer aan het licht toen onderzoekers op grote schaal het paleomagnetisme van de (basaltische) oceaankorst in kaart brachten. Omdat oceaankorst langs een centrale rug ontstaat (en daarbij het aardmagnetisch veld vastlegt) wordt er in een bepaalde periode overal langs de rug gesteente met hetzelfde paleomagnetisme gevormd. Wat blijkt: als je je verwijdert van de mid-oceanische ruggen, klapt het paleomagnetisme af en toe om en dat gebeurt symmetrisch aan weerszijden van de ruggen (figuur 2). De enige mogelijke conclusie is dat het aardmagnetisch veld af en toe omklapt. 

Inmiddels is tot in groot detail vastgelegd wanneer dat allemaal precies gebeurd is. Daaruit blijken twee dingen. Ten eerste: er zijn geen langere periodes zonder duidelijk magnetisme, het omklappen gaat geologisch gezien dus blijkbaar vrij plotseling. Al zijn er soms wel tussenpozen van misschien enkele duizenden jaren waarin het aardmagnetisch veld sterk verzwakt (maar niet omklapt). 

Ten tweede: er is niet echt een systematiek te ontdekken in de frequentie van het omklappen: er zijn periodes waarin het lange tijd constant is, periodes waarin het vaak wisselt, maar niets dat echt een voorspellende waarde heeft. Het huidige aardmagnetisch veld is al zo’n 770.000 jaar constant en de laatste keer dat het magnetisch veld tijdelijk afzwakte, was 41.000 jaar terug. Er is geen reden aan te nemen dat dit snel gaat veranderen (maar ook niet dat het hetzelfde blijft). 

Als het magnetisch veld omklapt, is dat geologisch gezien vrij snel, maar naar menselijke maatstaven een langgerekte gebeurtenis, vermoedelijk in de orde van enkele duizenden jaren. Wat zo’n proces precies in gang zet, is nog niet bekend. Maar wel dat het even duurt voor het bestaande magnetisme van de kern is weggeëbd en vervangen door een omgekeerde variant. Gedurende die tijd is er dus sprake van nauwelijks of geen aardmagnetisch veld. Een kompas werkt dan niet. In de ruimte zouden satellieten blootstaan aan veel meer straling van de zon, door geladen deeltjes die onder normale omstandigheden worden afgebogen door de magnetische veldlijnen. De atmosfeer zou in zo’n periode ook sneller eroderen: geladen deeltjes van de zon kunnen dan met hoge snelheid inslaan op de hoge atmosfeer, waarbij moleculen de ruimte in geslingerd worden. Dat is hoe Mars zijn atmosfeer is kwijtgeraakt. Wat precies de impact op het leven op aarde is, is niet zo duidelijk. Het magnetisch veld is in het verleden vaak omgeklapt zonder tot duidelijke uitsterving te leiden. De impact valt dus misschien wel mee. Maar dat onze technologische beschaving er op allerlei manieren last van gaat hebben, staat wel vast. 

Zie ook: Govert naar de kern van de aarde, seizoen 1, aflevering 3, Wankel kompas, vanaf 9:40.