Análisis de las fluctuaciones del campo geomagnético principal

A lo largo de esta tesis se han analizado las fluctuaciones del campo magnético terrestre en diferentes escalas desde una perspectiva tanto experimental como teórica. En primer lugar se han realizado estudios arqueomagnéticos en 28 estructuras y se han incluido sus resultados en la base de datos de Iberia para determinar las fluctuaciones del vector completo en Iberia para los últimos 3 milenios, es decir, se ha calculado la curva de variación paleosecular (PSVC) de campo total para ese periodo. Ésta es la primera PSVC de campo total que se ha definido en Iberia. A continuación se han analizado las variaciones del campo magnético en la región del Mediterráneo centrándonos en la mayor fluctuación del campo en esta región, la Anomalía de la Edad del Hierro del Levante. Tras este trabajo principalmente experimental que nos ha permitido conocer directamente los problemas y las limitaciones de los datos paleomagnéticos, se ha efectuado un análisis de la complejidad dinámica del CMT a través de series temporales basadas en modelos paleomagnéticos. Para finalizar, se ha pasado a considerar las fluctuaciones más drásticas y de mayor escala que sufre el CMT, las inversiones de polaridad, desarrollando un modelo simplificado basado en dinámica browniana que es capaz de simular ciertas características de las fluctuaciones del momento dipolar axial asociadas a la variación secular, las excursiones y las inversiones de polaridad. A continuación se recogen las principales conclusiones obtenidas.
El estudio arqueomagnético de 28 estructuras de combustión procedentes de 8 yacimientos de España y Portugal, que se detalla en la primera parte del capítulo 3 de esta tesis, ha permitido incorporar a la base de datos de Iberia un total de 10 nuevas direcciones y 26 nuevas paleointensidades. Las direcciones aportadas pertenecientes al siglo VI d.C. ayudan a complementar la información sobre esta época aunque no llegan a resolver la escasez de datos que existe entre los siglos VII d.C. y IX d.C. También se aportan nuevas direcciones de los siglos X d.C. y XII-XIII d.C. En cuanto a los nuevos datos de paleointensidad, 8 de ellos pertenecen al primer milenio a.C. Los correspondientes al siglo VI d.C. permiten delimitar mejor el inicio del incremento de intensidad que lleva al máximo del 800 d.C.
A partir de la base de datos de Iberia actualizada se ha generado una curva de variación paleosecular (PSVC) del vector completo para los últimos 3000 años. Direccionalmente, la nueva curva es consistente con la primera PSVC direccional de Iberia (Gómez-Paccard et al., 2006b) así como con otras curvas centradas en París y con modelos regionales de Europa basados en datos arqueomagnéticos. Por su parte, la nueva curva de intensidad recoge un máximo en torno al 800 d.C. sin indicios de la existencia del máximo previo en el 600 d.C. que aparece en otras curvas y modelos regionales. Debido a la escasez de datos en este periodo no es posible asegurar si realmente este máximo previo no se produjo en Iberia o simplemente aún no se han analizado muestras del periodo apropiado. El otro periodo de interés es el primer milenio a.C., en el que la PSVC describe una amplia subida de la intensidad entre el 800 a.C. y el 400 a.C., alcanzando su máximo en torno al 600 a.C. con valores de 85 µT, las intensidades más elevadas registradas en Iberia en los últimos 3 milenios. Este máximo está respaldado por dos datos procedentes de dos yacimientos independientes.
Partiendo de la nueva PSVC de Iberia, se han generado curvas similares centradas en diferentes puntos a lo largo de Europa y Oriente Próximo y se han construido diagramas de Hovmöller de declinación, inclinación e intensidad. Este último muestra una continuidad de intensidades elevadas a lo largo del tiempo entre la Anomalía de la Edad del Hierro del Levante (LIAA) (Shaar et al., 2016, 2017) y el máximo de intensidad observado en Iberia en torno al 600 a.C. Además, se ha demostrado que las variaciones del campo dipolar no son capaces de explicar por sí solas este comportamiento. Se sostiene, por tanto, que el máximo de intensidad del 600 a.C. en Iberia es una consecuencia del desplazamiento de la LIAA hacia el oeste.
Asimismo se ha puesto de manifiesto la utilidad de los diagramas de Hovmöller en el estudio de características del CMT que se desplazan, pues permiten identificar los elementos de pequeña longitud de onda que las reconstrucciones regionales o globales no recogen con facilidad.
En un estudio arqueomagnético más reciente en el que se han analizado 17 estructuras de 6 yacimientos de la provincia de Castellón (España), se han obtenido 10 nuevos datos de paleointensidad que sugieren que el máximo del 600 a.C. podría tratarse, en realidad, de dos máximos consecutivos con un marcado mínimo relativo entre ambos. Esto implicaría que nos encontraríamos no sólo ante los máximos valores de intensidad de los últimos 3000 años, sino también ante una variación extremadamente rápida de la intensidad. Esto podría identificarse con un spike geomagnético, como la LIAA, lo que reforzaría la hipótesis de que esta anomalía haya podido desplazarse o extenderse cruzando el Mediterráneo de este a oeste.
En el capítulo 4 se ha abordado el estudio del CMT como sistema dinámico a partir de series temporales de los elementos magnéticos así como de coeficientes de Gauss. Mediante la construcción de vectores de retardo, y en base al teorema de Takens (1981), se han calculado reconstrucciones de la trayectoria del sistema en el espacio de las fases utilizando diferentes valores de la dimensión de la reconstrucción. La variación del valor de ciertas cantidades (como las definidas por Cao, 1997) en función de esta dimensión permite evaluar cuál es la mínima dimensión necesaria para que la reconstrucción sea correcta. Ésta determina el grado de complejidad del sistema dinámico o, dicho de otro modo, cuántas variables y ecuaciones son necesarias para describir su dinámica. Para evitar la necesidad de escoger un valor del desfase para la construcción de los vectores de retardo, se ha ideado una metodología alternativa consistente en calcularlos para varios valores del desfase, representar los resultados en función de estos desfases y valorarlos en su conjunto. Esto hace que los resultados sean más robustos.
Empleando esta metodología, se han estudiado series del coeficiente g10 de diferentes modelos y en diferentes periodos, analizando y comparando los resultados obtenidos con cada uno. La conclusión principal es que la resolución del modelo influye notablemente en las estimaciones de la complejidad dinámica. En concreto, se observa que los periodos más alejados en el tiempo conllevan estimaciones más bajas de la complejidad debido a la menor precisión de los modelos. De igual modo, los modelos que incluyen datos sedimentarios reportan dimensiones más bajas a consecuencia del suavizado que provocan estos datos. Por tanto, para este tipo de análisis, la elección del modelo es una cuestión fundamental. A la vista de los resultados, se concluye que la dimensión de inmersión (o complejidad) del CMT debe ser 5 o encontrarse muy próxima a este valor.
El capítulo 5 se enfoca hacia periodos más largos, abarcando la variación secular y las inversiones de polaridad. Se ha desarrollado un modelo simplificado capaz de reproducir el comportamiento general del momento dipolar axial (ADM) del campo magnético terrestre. Concretamente el modelo simula la variación secular, con fluctuaciones en torno a unos valores típicos, y las inversiones de polaridad, que suceden de forma aleatoria sin ningún tipo de periodicidad. La distribución de las longitudes de los crones de polaridad constante ha sugerido la posibilidad de simular las fluctuaciones como el movimiento de una partícula browniana, de forma que su posición indique el valor del ADM. Para lograr que el modelo respetara, además, la distribución de los valores de ADM, se ha impuesto un potencial calculado a partir de esta distribución.
El primer modelo ha sido modificado buscando que su comportamiento pudiese exhibir otras características observadas en el CMT. Para ello se ha incluido una segunda partícula browniana capaz de interaccionar con la primera mediante una fuerza de atracción proporcional a la distancia. Ambas partículas pueden tener distinta masa y estar afectadas por un ruido térmico browniano de diferente intensidad, es decir, una partícula puede estar “fría” y la otra “caliente”. El ADM se determina a través de una media ponderada de las posiciones de ambas partículas. Se ha comprobado que este nuevo modelo de dos partículas es capaz de reproducir la asimetría temporal que se observa en el ADM en el entorno de una inversión: al aproximarse la inversión, el momento dipolar disminuye lentamente y, tras producirse la inversión, recupera rápidamente sus valores habituales. El análisis del efecto de los diferentes parámetros del modelo ha puesto de manifiesto que el mecanismo fundamental capaz de generar este comportamiento asimétrico es la existencia de una diferencia de temperatura entre ambas partículas. Esto es un resultado importante, puesto que si se desea construir un modelo que siga el esquema de caída lenta del ADM, inversión y recuperación rápida, debería incluir algún tipo de desequilibrio térmico. Respecto al establecimiento de una relación entre las dos partículas del modelo y entes físicos reales, se sugiere que la partícula caliente representa la zona del núcleo externo donde se producen mayores fluctuaciones, mientras que la partícula fría se asociaría con el resto del núcleo externo y el núcleo interno.