Hãy tưởng tượng việc phủi bụi trên một khối xỉ đồng do những người thợ kim loại thời Đồ Sắt vứt bỏ. Ẩn sâu bên trong khối đồng đen kịt đó là một bản ghi đông lạnh về xung từ trường của Trái Đất từ 3.000 năm trước—mạnh hơn nhiều so với bất kỳ thứ gì được đo lường ngày nay.

Được khai quật giữa những tàn tích bằng đá sa thạch ở miền nam Jordan, sản phẩm phụ đơn giản này của quá trình nấu chảy kim loại thời cổ đại hiện đang thách thức những giả định hiện đại về cách lớp khiên của hành tinh này dịch chuyển qua hàng thiên niên kỷ.

Tiếng vọng trong xỉ

Khi các nhà khảo cổ học lần đầu tiên kiểm tra chất thải màu cam từ các lò nung than củi, mục tiêu rất khiêm tốn: xác định niên đại của ngành luyện kim địa phương. Tuy nhiên, nhà địa chất Ron Shaar đã phát hiện ra một sự từ hóa chưa từng có. Các phân tích sau đó của ErezBen-Yosef thuộc Đại học Tel Aviv đã xác nhận một sự tăng đột biến cường độ từ trường, vượt xa các ghi chép đã biết về thời kỳ Holocen. Được mệnh danh là Dị thường Thời đại Đồ sắt Levant, hiện tượng này kéo dài hàng thế kỷ—từ khoảng năm 1100 TCN đến năm 550 TCN—làm sáng tỏ một chương lịch sử địa từ trước đây đã bị chôn vùi dưới cát bụi và thời gian.

Thấu kính từ cổ học

Từ học cổ học khai thác thực tế rằng khi khoáng chất nguội đi do nhiệt độ cao, các hạt nhỏ giàu sắt sẽ tự sắp xếp theo từ trường của Trái Đất—giống như những chiếc la bàn thu nhỏ bị đông cứng tại chỗ. Trong lò nung, lò sưởi hoặc lò rèn luyện kim, nhiệt độ vượt quá 500°C, xóa bỏ các dấu hiệu từ tính trước đó và cho phép hình thành một dấu ấn mới. Khi hiện vật nguội đi, các "kim la bàn" bên trong sẽ khóa chặt hướng và cường độ đó mãi mãi—cho đến lần nung nóng tiếp theo. Bằng cách xác định niên đại của các hiện vật này và đo độ từ hóa của chúng, các nhà nghiên cứu tái tạo các xu hướng địa từ khu vực với độ chính xác hàng thế kỷ.

Tái hiện quá khứ

Thay vì chỉ dựa vào các dòng dung nham núi lửa hiếm hoi hay các lớp đá thời kỳ sâu, các nghiên cứu khảo cổ từ tính kết hợp hàng trăm mẫu vật nhân tạo để lập biểu đồ dịch chuyển từ trường trong quá khứ "gần đây". Những khám phá quan trọng đã xuất hiện từ các mảnh gốm ở Hy Lạp, gạch bùn ở Anatolia—mỗi thứ đều đóng góp một bức ảnh chụp nhanh mang dấu ấn thời gian. Tuy nhiên, xỉ Jordan lại nổi bật: độ từ hóa của nó mạnh đến mức các thiết bị đo đạc đạt gần gấp mười lần cường độ từ trường hiện tại. Sự bất thường này đã thu hẹp khoảng cách giữa các ghi chép địa chất và các quan sát thời kỳ vệ tinh, cho thấy những đợt dâng trào nhanh chóng thay vì những đợt trôi dạt êm ả mà các nhà địa vật lý từng mong đợi.

Động lực lõi

Từ trường của Trái Đất bắt nguồn sâu bên trong lõi ngoài lỏng của nó, nơi các dòng xoáy sắt nóng chảy tạo ra và duy trì từ quyển bảo vệ của hành tinh. Nhiệt từ lõi trong và tương tác với lớp phủ nhớt tạo ra các mô hình dòng chảy phức tạp—một số ổn định, một số khác thoáng qua. Các nhiễu loạn cục bộ trong các chuyển động đối lưu này tạo ra các "mảng từ thông", các vùng có cường độ tập trung hoặc yếu ở bề mặt. Dị thường Levant tương ứng với một mảng từ thông dương mạnh mẽ có thể hình thành bên dưới lõi xích đạo trước khi di chuyển về phía bắc bên dưới Levant. Các đặc điểm như vậy có thể bùng phát đột ngột, khuếch đại cường độ từ trường trong nhiều thập kỷ, sau đó biến mất khi dòng chảy lõi được tổ chức lại.

Những hệ quả hiện đại

Từ trường suy yếu hiện nay—thể hiện rõ trong Dị thường Nam Đại Tây Dương ở Brazil và miền Nam châu Phi—đe dọa hoạt động vệ tinh và khiến các thiết bị điện tử ở độ cao lớn tiếp xúc với các hạt tích điện. Việc hiểu rõ các dị thường trong quá khứ giúp dự đoán hành vi trong tương lai và chuẩn bị cho các sự cố gián đoạn liên lạc tiềm ẩn. Xỉ Jordan cho thấy từ trường có thể mạnh lên đáng kể cũng như suy yếu, nhấn mạnh cả khả năng phục hồi và biến động của địa động lực Trái Đất. Việc kết hợp dữ liệu khảo cổ từ trường vào các mô hình toàn cầu giúp tinh chỉnh các dự báo về sự dịch chuyển cực, biến động cường độ từ trường và thời điểm đảo cực tiềm ẩn.

Biên giới dữ liệu

Mặc dù có nhiều hứa hẹn, nghiên cứu từ tính khảo cổ vẫn phải đối mặt với những rào cản lớn. Các máy đo từ trường có độ chính xác cao có giá lên tới 700.000 đô la, khiến việc đo cường độ chi tiết bị giới hạn trong một số ít phòng thí nghiệm tiên tiến. Mỗi mẫu vật đòi hỏi phải ghi lại hướng cẩn thận tại hiện trường, sau đó là nhiều tuần thử nghiệm gia nhiệt, dần dần làm thay đổi từ tính ban đầu của hiện vật. Quá trình này đòi hỏi nhiều công sức, tiêu tốn các mảnh vỡ quý giá và làm chậm quá trình tích lũy dữ liệu.

Thu hẹp khoảng cách

Các cơ sở dữ liệu toàn cầu như Geomagia50 biên soạn các dữ liệu khảo cổ từ tính nhưng vẫn tập trung chủ yếu vào châu Âu. Châu Phi, Đông Nam Á và châu Mỹ có rất ít dữ liệu, để lại những khoảng trống rộng lớn về hành vi địa từ trong quá khứ chưa được khám phá. Những nỗ lực gần đây ở Campuchia, Tây Phi và Bắc Mỹ nhằm mục đích lấp đầy những khoảng trống này, thường thông qua quan hệ đối tác giữa các nhà khảo cổ học địa phương và các nhà địa vật lý quốc tế. Các phòng thí nghiệm di động và các giao thức truy cập mở giúp giảm bớt các rào cản, cho phép lấy mẫu do cộng đồng chủ trì và chia sẻ chuyên môn.

Nhìn về phía trước

Những đột phá hơn nữa có thể xuất hiện từ các cuộc khảo sát đa ngành, kết hợp khảo cổ từ trường với lõi trầm tích, hồ sơ speleothem và các văn bản cổ xưa ghi lại cảnh tượng cực quang. Những tiến bộ trong công nghệ quét vi mô CT có thể tiết lộ các mô hình từ hóa trong các mẫu vật mỏng manh mà không cần nung nóng phá hủy. Trong khi đó, các mô phỏng số khám phá hiệu ứng siêu đám mây tại ranh giới lõi-manti có thể liên kết các dị thường khảo cổ với các quá trình sâu trong Trái Đất. Mỗi điểm dữ liệu mới làm rõ hơn 10.000 năm lịch sử từ trường, định hướng cho các mô hình bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng trong những thập kỷ tới.

Kết luận

Món quà bất ngờ này từ các nhà luyện kim thời Đồ Sắt nhấn mạnh cách các hiện vật của con người có thể soi sáng những bí ẩn của hành tinh. Bằng cách khám phá những câu chuyện từ tính ẩn giấu trong xỉ, gạch và đồ gốm cổ đại, các nhà nghiên cứu đang viết lại niên đại của từ trường Trái Đất—và thu thập những manh mối quan trọng về sự ổn định trong tương lai của nó. Những di tích địa phương nào có thể ẩn chứa những bí mật từ tính? Có lẽ dị thường phi thường tiếp theo đang nằm yên, lặng lẽ song hành với tiếng thì thầm từ tính của Trái Đất, chờ đợi được khám phá.