Momento dipolar del campo magnético terrestre (últimos 3000 años). Aplicaciones a la Paleoclimatología

Resumen

Introducción

Para dar respuesta a las preguntas más relevantes dentro del campo de las Ciencias de la Tierra, como cuál es el origen del campo magnético terrestre, si estamos actualmente en un proceso de inversión del campo geomagnético y qué consecuencias podría tener sobre la vida humana, o si existe una relación entre el campo geomagnético y el clima, primero hay que preguntarse si nuestro conocimiento actual de la evolución pasada del campo magnético terrestre es lo suficientemente realista como para sacar conclusiones robustas, al menos para los últimos tres milenios.

La evolución del campo geomagnético en el pasado se conoce gracias a las reconstrucciones globales, regionales y locales que se realizan a partir de los datos instrumentales (de satélites y observatorios), históricos y, para épocas más antiguas, paleomagnéticos. Lamentablemente, la base de datos paleomagnéticos está muy pobremente distribuida espacio-temporalmente, incluso en el periodo con más datos disponibles, los últimos 3000 años. Su efecto en la seguridad con la que conocemos el campo geomagnético en el pasado y su cuantificación serían de vital importancia para dar respuesta a las preguntas con las que comenzamos esta sección. Además, la evolución del campo geomagnético en el pasado no es únicamente utilizada en el marco del Geomagnetismo, sino que existen múltiples aplicaciones a otras disciplinas. En esta tesis nos centraremos en dos de sus aplicaciones al campo de la Paleoclimatología: si existe una relación entre el campo geomagnético y el clima; y las correcciones por el campo geomagnético realizadas sobre los ritmos de producción de isótopos cosmogénicos en la atmósfera terrestre para determinar las reconstrucciones de actividad solar de los últimos 2000 años, usadas en modelos de variabilidad climática para reconstruir el clima del pasado.

Objetivos

A continuación se detallan los objetivos principales del presente proyecto de tesis doctoral:

1. Evaluación de las actuales metodologías empleadas en la estimación del momento dipolar del campo magnético terrestre para los últimos 3000 años. Cuantificación de sus principales limitaciones: efecto no dipolar, efecto regional y regional indirecto.

a. Cuantificar el efecto no dipolar, ya que los datos proporcionan valores del campo total, no sólo de los términos dipolares.

b. Cuantificar el efecto regional debido a la distribución heterogénea de los datos, tanto temporal como espacial.

c. Cuantificar el efecto regional indirecto, es decir, el efecto de la heterogeneidad de la base de datos de entrada en la construcción de modelos globales del campo geomagnético.

2. Determinación de la mejor metodología de estimación del momento dipolar geomagnético en la actualidad: promediado a partir de datos paleomagnéticos (momento dipolar virtual) o modelado global.

3. Mejora de la actual base de datos arqueomagnética, en particular la de arqueointensidad, de Iberia y de las Islas Canarias. Actualización de la curva de variación paleosecular de Iberia para los últimos 3000 años.

4. Construcción de un nuevo modelo global del campo geomagnético para los últimos 3000 años que tenga en cuenta la calidad de la actual base de datos paleomagnético. Diseño de un esquema de pesado objetivo que asigne mayor peso a los datos de mayor calidad. El momento dipolar obtenido a partir de dicho modelo será el más robusto generado hasta la fecha.

5. Aplicaciones a la Paleoclimatología: la Transfer Entropy en Ciencias de la Tierra.

a. Optimización del cálculo de la Transfer Entropy en Ciencias de la Tierra.

b. Análisis de la conexión clima-campo magnético terrestre: estudio de la relación entre la extensión de la Anomalía del Atlántico Sur (SAA por sus siglas en inglés, South Atlantic Anomaly) y el aumento del nivel global del mar (GSL por sus siglas en inglés, Global Sea Level).

c. Evaluación de la corrección de los registros del ritmo de producción de radionúclidos cosmogénicos por el campo geomagnético. Análisis de la transfer entropy entre el campo geomagnético y las reconstrucciones de la irradiancia solar total usados en los modelos climáticos más utilizados.

Resultados

Objetivo 1:

La influencia del efecto no dipolar en las estimaciones actuales del momento dipolar es menor que el error paleomagnético actual, por lo que puede considerarse despreciable.

Sin embargo, el efecto regional ha puesto de relieve que la contribución cuadrupolar y octupolar son fundamentales a nivel regional y que podrían afectar a las actuales estimaciones del momento dipolar geomagnético a partir del promediado directo de los datos. Un esquema de pesado regional es completamente necesario si se desea obtener una estimación adecuada del momento dipolar empleando la metodología del promediado. No obstante, esto requiere que cada región disponga de una buena cantidad de datos, ya que la presente heterogeneidad de la base de datos paleomagnéticos (últimos 3000 años) distorsiona la evaluación del momento dipolar (efecto regional indirecto).

Objetivo 2:

La comparación entre el promediado global, el promediado global con esquema de pesado y el modelado global en una base de datos sintética construida a partir del modelo instrumental IGRF-11 (Finlay et al., 2010) ha demostrado que, con la base de datos de los últimos 3000 años, la mejor metodología para estimar el momento dipolar geomagnético es el modelado global.

Objetivo 3:

Se ha realizado una recopilación de datos de Iberia de los últimos 3000 años. Se ha colaborado en la adquisición de 3 nuevos datos de arqueointensidad y un nuevo dato direccional de los yacimientos de Numancia y Ciadueña (Soria, España) pertenecientes a los siglos III y I a.C. Así como en la obtención de 33 datos direccionales de Portugal enmarcados en la segunda Edad del Hierro, una época de la que no se disponía de información arqueomagnética en Iberia. También se presenta un estudio preliminar de arqueointensidad en 9 de estos 33 hornos y hogares, con resultados bastante robustos y acordes con los modelos regionales para Europa Occidental.

El aumento de la base de datos de Iberia para el primer milenio antes de Cristo ha sido crucial para conocer la evolución del campo geomagnético en dicha región, ya que en el año 2006, cuando se presentó el primer catálogo de datos para Iberia (Gómez-Paccard et al., 2006a), no existía información paleomagnética de yacimientos prerromanos. Los nuevos datos, junto con los publicados desde el año 2006 en Iberia, norte de Marruecos y sur de Francia han dado pie a la actualización de la curva de variación paleosecular de Iberia para los últimos 3000 años.

La base de datos de arqueointensidad de las Islas Canarias también se ha completado con el primer estudio de arqueointensidad realizado sobre 6 cerámicas y un sedimento de cenizas provenientes de la cultura guanche presente en la isla hasta el siglo XV.

Objetivo 4:

Se ha generado el primer modelo global, que se ha llamado SHAQ3k, para los últimos 3000 años, basado en datos arqueomagnéticos y volcánicos, mediante un esquema de pesado de datos de calidad. Los resultados obtenidos reafirman la necesidad de aumentar la base de datos del Hemisferio Sur. Se ha obtenido una disminución del momento dipolar durante los últimos 3000 años, que también ha sido observado por el resto de modelos globales basados en datos arqueomagnéticos y volcánicos.

Uno de los resultados más interesantes obtenidos gracias al modelo presentado en esta tesis es la aparición de un mínimo de intensidad en la superficie de la Tierra en el Hemisferio Sur y a bajas latitudes en torno al año 1000 a.C. que se desplaza rápidamente hacia el oeste en los siguientes 1500 años, para estabilizarse sobre la región central y sur de África en torno al año 500 d.C., donde comienza a crecer. Esta característica no se había visto hasta ahora en el resto de modelos globales, y podría arrojar luz sobre el origen de una de las características del CMT más importantes de la actualidad, la aparición de la SAA. También se ha observado que, a partir del año 1000 – 1500 d.C. el mínimo de intensidad en superficie que estaba creciendo sobre África comienza a desplazarse hacia el oeste de nuevo, dando lugar a lo que hoy en día se conoce como SAA. Asimismo, se ha observado un lóbulo de flujo inverso en la superficie manto – núcleo externo, que se considera el precursor de la SAA. Es importante destacar que todos estos resultados han sido obtenidos usando exclusivamente datos arqueomagnéticos y volcánicos, lo que demuestra su gran potencial para ver las principales características del CMT.

Objetivo 5:

Se ha sistematizado una metodología nueva, la transfer entropy (Schreiber, 2000), para estudiar la relación entre las series temporales del campo geomagnético y el clima. Basada en la dinámica no lineal, esta herramienta estadística de la teoría de la información mide la independencia existente entre dos series temporales, es decir, mide el flujo de información que se transmite entre dos series que involucren el tiempo, así como el sentido en el que este flujo de información se produce.

La aplicación de la transfer entropy a la serie de la extensión de la SAA sobre la superficie terrestre y el aumento de la GSL ha dado como resultado una transferencia de información preferentemente desde las anomalías de la SAA a las de la GSL, con un intervalo menor a un año y con un nivel de confianza mayor al 90%.

Existe una transferencia de información entre el momento dipolar derivado de los modelos arqueomagnéticos y las reconstrucciones de la irradiancia solar basadas en registros de 10Be.  Esto se traduce en que la corrección del ritmo de producción de los radionúclidos del 10Be por el campo magnético terrestre se ha subestimando. Es decir, han sido erróneamente asignadas a la variabilidad solar fluctuaciones del registro isotópico que están relacionadas con variaciones geomagnéticas. Se deberían corregir los registros isotópicos por reconstrucciones del campo geomagnético más realistas, como la que se ha obtenido en el presente trabajo.

Conclusiones

El análisis de las principales metodologías de estimación del momento dipolar geomagnético de los últimos 3000 años nos ha proporcionado información sobre la mejor manera de calcularlo, así como una evaluación cuantitativa de los efectos que actualmente afectan a su determinación. Se ha observado que el efecto más influyente es la distribución espacial y temporal de la base de datos paleomagnéticos de los últimos 3000 años. Especialmente la contribución cuadrupolar y octupolar son fundamentales a nivel regional y podrían afectar a las estimaciones del momento dipolar geomagnético si se usa el procedimiento de promediado sin tener en cuenta un esquema regional de pesado adecuado. Este estudio ha destacado el modelado global como es la mejor manera de estimar la evolución del momento dipolar.

El aumento en las últimas décadas de la base de datos de Iberia con nuevos datos arqueomagnéticos, sobretodo en el primer milenio antes de Cristo (alguno de ellos presentados en la presente tesis doctoral), ha permitido la actualización de la PSVC direccional para los últimos 3000 años. La evolución temporal de la curva está de acuerdo con las predicciones dadas por modelos regionales y globales para la misma zona, pero aún existe una importante falta de datos en el periodo tardorromano – Alta Edad Media.

  Dada la distribución actual de datos global y la dispersión observada especialmente en la base de datos de arqueointensidad, en esta tesis se ha generado un nuevo modelo global para los últimos 3000 años que establece por primera vez un sistema de pesado acorde a la calidad del dato paleomagnético. Para ello se ha evaluado la actual base de datos paleomagnéticos para los últimos 3000 años y se ha realizado una clasificación en función del protocolo de laboratorio y el número de especímenes usado en las medidas. Mediante el diseño de un esquema de pesado implementado en el proceso de modelado, por el cual los datos de calidad pesan más en el modelo que el resto de la base de datos, obtenemos el modelo SHAQ3k. Este nuevo modelo nos proporciona no solo una estimación del momento dipolar que consideramos más robusta que los determinados por otros modelos globales, sino también permite analizar algunos de los rasgos fundamentales del campo geomagnético, como son la evolución de su estructura y geometría tanto en la superficie de la Tierra como en el límite manto-núcleo externo. Como la evolución de la SAA, observando ya desde el año 1000 d.C. un lóbulo de flujo inverso en la componente radial del CMT, que se apunta como principal precursor de esta anomalía. También se ha observado en superficie la evolución desde el año 1000 a.C. de un mínimo de intensidad que podría arrojar luz sobre el origen de la SAA.

El uso de la transfer entropy como herramienta de medida del flujo de información entre series geomagnéticas y climáticas abre nuevas perspectivas al campo, más allá de las tradicionales correlaciones directas. Se ha probado su potencial en el estudio de la dependencia existente entre el crecimiento de la SAA y el aumento del nivel del mar en los últimos 300 años, así como en la evaluación de la corrección del ritmo de radionúclidos cosmogénicos por el campo geomagnético. Se ha observado que esta corrección puede llegar a estar subestimada en las actuales reconstrucciones de irradiancia solar que involucran al 10Be, linealmente dependientes de la actividad solar, y que se usan como forzamiento externo en los modelos climáticos.

Índice

Agradecimientos I

Resumen IX

Abstract XVII

Capítulo 1. Introducción 1

1.1. Motivación 1

1.2. Objetivos 6

1.3. Estructura de la tesis 7

Capítulo 2. Antecedentes y Estado Actual del tema 9

2.1. Bases de datos paleomagnéticos 9

2.1.1. Época Instrumental e histórica 10

2.1.2. Época Arqueológica y Geológica 13

2.1.3. La base global de datos arqueomagnéticos y volcánicos para el Holoceno (últimos 14000 años) 16

2.1.4. La base de datos arqueomagnéticos para Iberia y Canarias 17

2.1.5. Problemática de las bases de datos arqueomagnéticos y volcánicos 22

2.1.5.1. Problemas de calidad asociado al protocolo de laboratorio para la obtención de arqueointensidades 23

2.1.5.2. Criterios de calidad direccional 26

2.1.5.3. Criterios de calidad de intensidad 27

2.2. Modelado del campo magnético terrestre 30

2.2.1. Modelado Global 30

2.2.2. Modelado Local: Curvas de Variación Paleosecular 33

2.2.2.1. PSVC de Iberia 39

2.3. Aplicaciones a la Paleoclimatología 42

2.3.1. El campo geomagnético y el clima terrestre 42

2.3.1.1. Antecedentes 42

2.3.1.2. Época instrumental e histórica (10 – 100 años) 43

2.3.1.3. Época arqueológica (103 – 104 años) 47

2.3.1.4. Época Geológica (> 104 años) 50

2.3.1.5. Principales mecanismos físicos propuestos 52

2.3.2. La actividad solar, el clima terrestre y el CMT 55

Capítulo 3. Metodología 61

3.1. Paleomagnetismo y magnetismo de rocas 61

3.1.1. Fundamentos de Paleomagnetismo 61

3.1.2. Magnetismo de rocas 65

3.1.2.1. Minerales magnéticos en materiales arqueológicos 66

3.1.2.2. Identificación de minerales magnéticos 67

3.1.3. Paleointensidad 73

3.2. Modelado del campo magnético terrestre 78

3.2.1. Modelado Global 78

3.2.2. Estimación del Momento Dipolar y Momento Dipolar Virtual 81

3.2.3. Construcción de Curvas de Variación Paleosecular 84

3.2.3.1. Relocalización de los datos 85

3.2.3.2. Construyendo la PSVC 87

3.3. Aplicaciones a la Paleoclimatología: la Transfer entropy 89

Capítulo 4. Resultados Paleomagnéticos 97

4.1. Cubriendo las lagunas de datos del catálogo arqueomagnético de Iberia y Canarias. Yacimientos investigados 97

4.1.1. Numancia y Ciadueña 99

4.1.2. Portugal 100

4.1.3. Islas Canarias 103

4.2. Resultados 104

4.2.1. Magnetismo de rocas en especímenes de los yacimientos de Numancia y Ciadueña 104

4.2.2. Determinación de la arqueointensidad en muestras de Portugal y Canarias. Estudio preliminar 106

4.3. Discusión: la base de datos de Iberia desde 1200 a.C. hasta la actualidad 109

4.4. Discusión: la paleointensidad de campo geomagnético en Canarias. Últimos 3000 años 116

Capítulo 5. PSVC direccional de Iberia (últimos 3000 años) 119

5.1. Evolución de los elementos direccionales del CMT en Iberia durante el primer milenio a.C 119

5.2. Una nueva PSVC direccional para la Península Ibérica. Últimos 3000 años 124

Capítulo 6. Estimación del DM: Medidas vs Modelado 129

6.1. Efecto no dipolar 130

6.2.  Efecto regional 133

6.2.1. Promedio regional del V(A)DM a escala continental usando una base de datos homogénea 133

6.2.2. Promedio regional del V(A)DM a escala continental usando una base de datos sintéticos cuya distribución espacio-temporal es más parecida a una distribución de datos paleomagnéticos 139

6.3. Efecto regional indirecto 143

6.4. ¿Cuál es la mejor estrategia para investigar la evolución del momento dipolar? 147

Capítulo 7. Modelo global del CMT basado en datos evaluados con criterios de calidad 149

7.1. Bases de datos y criterios de calidad 151

7.2. Reconstrucciones del campo geomagnético a partir de diferentes bases de datos 157

7.3. Análisis de las bases de datos. Test sintéticos 161

7.4. Esquema de pesado 164

7.5. Reconstrucción geomagnética para los últimos 3000 años a partir de una base de datos adecuadamente pesada: el modelo global SHAQ3k 167

7.6. Evolución del campo geomagnético en los últimos 3000 años a partir del modelo SHAQ3k 172

7.6.1. Comportamiento regional 172

7.6.2. Evolución del momento dipolar 178

7.6.3. Espectro de potencia y variación secular del espectro de potencia 181

7.6.4. Evolución en el CMB. El máximo Europeo en torno al 800 d.C. y el surgimiento de la SAA 183

Capítulo 8. Aplicaciones a la Paleoclimatología 185

8.1. Estudio  de la relación entre la SAA y el GSL (últimos 300 años) 186

8.2. Estudio de la corrección de la TSI por el DM (últimos 2000 años) 194

Conclusiones y perspectivas de futuro 203

Conclusions and outlook 209

Apéndices 215

Apéndice A 217

Apéndice B 221

Apéndice C 227

Referencias 231

Conclusiones

De acuerdo con los resultados obtenidos y presentados en este trabajo de tesis doctoral, podemos establecer las siguientes conclusiones:

1. Tras analizar en detalle la distribución espacial y temporal de los datos arqueomagnétiocos en los últimos 3000 años y con la ayuda de varios casos-estudio llevados a cabo con datos sintéticos, se ha demostrado que el mejor método para calcular el momento dipolar geomagnético para los últimos milenios es el modelado global. El método del promediado regional del momento dipolar virtual, ampliamente utilizado hasta la fecha, no consigue eliminar el sesgo que introduce la inhomogeneidad de la actual base de datos paleomagnéticos.

2. Las principales fuentes de error en la cuantificación del momento dipolar a partir de datos arqueomagnéticos y volcánicos son, por una parte, la distribución actual de la base de datos paleomagnéticos, tanto espacial como temporal, y, por otra, la calidad del dato de paleointensidad. El 93% de la información paleomagnética disponible actualmente para los últimos tres milenios proviene del Hemisferio Norte y, especialmente, de Europa (59%). En cuanto a la distribución temporal, el 82% de los datos provienen de estructuras de los últimos dos milenios. Por otra parte, sólo el 17% de los datos de paleointensidad publicados en las bases de datos actuales pasan los criterios de calidad establecidos en esta tesis. El efecto de la anisotropía de la termorremanencia en la estimación de la paleointensidad es muy probablemente uno de los factores que puede producir, si no se corrige adecuadamente, datos de paleointensidad erróneos.

3. Se ha actualizado la base de datos arqueomagnéticos de Iberia con nuevos datos de arqueointensidad y direccionales provenientes de yacimientos del primer milenio antes de Cristo de España (Soria, Numancia y Ciadueña) y Portugal (Mogadouro, Castelinho y Crestelos). Con estos nuevos datos se cubre una de las lagunas temporales más importantes de la base de datos arqueomagnéticos de Iberia. A partir de la nueva base de datos generada y revisada se ha construido una nueva Curva direccional de Variación Paleosecular de Iberia para los últimos 3000 años. La nueva curva muestra discrepancias en el periodo tardorromano – Alta Edad Media, donde la información arqueomagnética disponible es aún escasa.

4. Se ha realizado el primer estudio arqueomagnético en cerámicas de las Islas Canarias. Se obtuvieron cinco datos preliminares de arqueointensidad correspondientes a los siglos I a XVI d.C. Sólo 2 de estas cinco muestras cumplían los criterios de selección establecidos en esta tesis. En general los nuevos datos presentaban valores más bajos que los datos presentes actualmente en la base de datos del archipiélago, basada exclusivamente en datos volcánicos, especialmente los más antiguos del primer milenio d.C.

5. Se ha compilado y revisado en detalle la base global de datos arqueomagnéticos y de lavas volcánicas de los últimos 3000 años y se ha procedido a la clasificación de los datos en dos categorías: datos de calidad y resto de datos. El criterio empleado se ha basado en el número de especímenes utilizados para calcular el valor final presente en las bases de datos, que debía ser mayor o igual a 4, y en el protocolo de laboratorio para obtener los datos de paleointensidad. Para todos ellos se exigió que el método de medida utilizado fuera el método clásico de Thellier-Thellier o derivados y que se hubiera realizado un control de la alteración de la mineralogía magnética a partir de los pTRM-checks. Para el caso de los datos de arqueointensidad se exigía además la corrección por anisotropía de la termorremanencia (para las muestras a priori consideradas como muy anisótropas como las cerámicas y tejas). El porcentaje de los datos que pasan los criterios de calidad supone un 17% de la base de datos total.

6. Se han realizado test sintéticos para evaluar si el número de datos de alta calidad disponible y su distribución espacio-temporal es la adecuada para poder compilar un modelo global que describa la evolución del campo geomagnético durante los últimos tres milenios. Los resultados indican que aún no disponemos de una base de datos de calidad lo suficientemente bien distribuida espacio-temporalmente como para poder reconstruir la evolución del CMT de una manera suficientemente robusta para los últimos 3000 años.

7. Se ha generado un nuevo modelo global, que hemos llamado SHAQ3k, en cuya construcción se ha aplicado, por primera vez, un proceso de pesado que da prioridad al dato de calidad. Para establecer la relación de pesado se han comparado las predicciones de intensidad del nuevo modelo para diferentes localizaciones, con aquellas dadas por el modelo de calidad B propuesto por Pavón-Carrasco et al. (2014b) para diferentes ratios de pesado. El ratio de pesado para el cual la diferencia entre ambas predicciones sea mínima será el ratio de pesado óptimo. En este trabajo se ha determinado que este ratio óptimo es 10, es decir, los datos de calidad pesan 10 veces más que el resto de la base de datos.

8. A partir del modelo SHAQ3k se ha estimado la variación del momento dipolar durante los últimos 3000 años. Durante este periodo se observa una tendencia global decreciente desde el 900 a.C., donde se alcanza un valor de 11.1 x 1022 Am2, hasta la actualidad, con un valor de 8.4 x 1022 Am2. A esta tendencia de gran longitud de onda se le superponen oscilaciones de mayor frecuencia, encontrando máximos relativos en 500 a.C., 100 d.C., 600 d.C., 800 d.C., 1400 d.C. y 1750 d.C.

9. El nuevo modelo SHAQ3k permite, además, observar el origen y evolución de la SAA, una de las características principales del CMT que se observa hoy en día en superficie. A principios del primer milenio antes de Cristo se observa en superficie una zona de baja intensidad del campo centrada en el océano Pacífico, al norte de Australia, que deriva hacia el oeste y, en sólo 1500 años se sitúa en la región de Sudáfrica. Esta región anómala comienza a crecer sobre esta zona hasta el año 1500 d.C. donde comienza a desplazarse hacia el suroeste de nuevo, situándose sobre el Atlántico Sur. En el límite manto núcleo se observa cómo se va generando un lóbulo de polaridad invertida que comienza a aislarse desde el año 0 a 500 d.C. y que se encuentra perfectamente formado en el año 1000 d.C. situado bajo la región Sudafricana, y que perdura hasta la actualidad.

10. Se ha aplicado una nueva metodología para investigar la posible correlación entre el clima y el campo magnético terrestre: la transfer entropy. Con ella somos capaces de determinar si existe flujo de información entre dos series temporales y el sentido en el que este flujo se produce. Con la aplicación de dicha herramienta estadística hemos podido analizar varios aspectos de la relación entre campo geomagnético y clima:

10.1. Hemos aplicado esta nueva técnica para estudiar la relación entre el crecimiento de la anomalía del Atlántico Sur (SAA) y el aumento del nivel global del mar (GSL) en los últimos 300 años. El resultado obtenido para tres modelos distintos de campo geomagnético que cubren el mismo período temporal y que han sido utilizados para calcular la SAA, es que el flujo de información se produce de las anomalías de la SAA a las de la GSL en intervalos de un año o menos con un nivel de confianza mayor al 90%. Esto puede ayudar a acotar el mecanismo físico implicado en esta relación, ya que debe actuar en un sentido determinado, i.e. del campo geomagnético al clima, y en un periodo de tiempo de un año o inferior.

10.2. El análisis de la transfer entropy existente entre las series de reconstrucciones de la TSI utilizadas como forzamiento externo en distintos modelos climáticos, y el momento dipolar dado por diferentes reconstrucciones del campo geomagnético global han proporcionado resultados positivos en todas las reconstrucciones de la TSI que implicaban al 10Be, registrando un flujo de información predominante y significativo desde el DM al TSI. Este trabajo podría indicar que la corrección por el momento dipolar en estas series está siendo subestimada.

Perspectivas futuras

En relación a la base de datos paleomagnéticos, los trabajos futuros deberían enfocarse a escala local (Península Ibérica) en el periodo tardorromano – Alta Edad Media, ya que la información arqueomagnética disponible es aún escasa y, a escala global, es especialmente relevante obtener nuevos datos del Hemisferio sur. Es importante también que todos los nuevos datos que se incorporen a la base de datos cumplan los criterios de calidad expuestos en esta tesis.

El estudio preliminar de arqueointensidad presentado en el Capítulo 4 se completará, en un futuro próximo, investigando de 2 a 4 especímenes más de los mismos materiales, para poder obtener, así, datos de paleointensidad de calidad que cumplan los criterios establecidos a lo largo de esta tesis. Por ello es previsible que en un futuro cercano contemos con 8 nuevos datos de arqueointensidad del norte de Portugal de los siglos XII a.C. a I d.C., y 5 nuevos datos de arqueointensidad de las Islas Canarias del siglo I a XVI d.C., los primeros de este tipo en el archipiélago.

Aunque aquí se ha presentado por primera vez un sistema de pesado que incluye la calidad del dato paleomagnético en la generación de modelos geomagnéticos globales, en un futuro se podría avanzar en otras técnicas de modelado que ya implementen algún tipo de escala jerárquica, por ejemplo, la estadística bayesiana.

El estudio de la relación entre el CMT y el clima también ha proporcionado resultados interesantes. El uso de la transfer entropy podría ayudar, como hemos visto en el caso del estudio entre la SAA y la GSL, a acotar el mecanismo físico implicado, proporcionando un sentido y un intervalo de actuación del mismo, por lo que se recomienda su uso en este tipo de trabajos. Además, en el futuro se deberían estudiar otras series temporales distintas a las usadas en este trabajo, y en tiempos más antiguos para poder confirmar definitivamente esta relación.

Los resultados de esta tesis indican que la corrección del ritmo de producción de radionúclidos cosmogénicos por el CMT no se está realizando adecuadamente, por lo que una colaboración entre climatólogos y paleomagnetas parece necesaria para solucionar este problema. El primer paso sería repetir el análisis utilizando las reconstrucciones originales de TSI, antes de ser utilizadas como forzamiento en los modelos climáticos, y usar en este nuevo análisis el modelo global presentado en esta tesis.

Conclusions

According to the results obtained and presented in this PhD thesis, we can establish the following conclusions:

1. After a detailed analysis of the spatial and temporal evolution of the archaeomagnetic data for the last 3000 years and thanks to numerous case-studies carried out by using synthetic palaeomagnetic data, it has been shown that the best method to estimate the geomagnetic dipole moment for the last millennia is the global modelling. The regional average method to calculare the virtual dipole moment, which is very used, do not refuse the bias due to the inhomogeneity of the recent palaeomagnetic data distribution.

2. The main error sources in the quantification of the dipole moment from archaeomagnetic and volcanic data are, on the one hand, the current distribution of the palaeomagnetic database, both spatial and temporal, and, on the other hand, the quality of palaeointensity data. The 93% of the palaeomagnetic information currently available for the last three millennia comes from the Northern Hemisphere and especially from Europe (59%). For the temporal distribution, the 82% of the data come from structures dated in last two millennia. Moreover, only 17% of the palaeointensity data published in the current databases pass the quality criteria established in this PhD thesis. The effect of the anisotropy of the thermoremanence on the estimation of the palaeointensity is most probably one of the factors that can produce, if not corrected properly, erroneous palaeointensity data.

3. The archaeomagnetic database of Iberia has been updated with a new set of archaeointensity and directional data coming from archaeological sites of the first millennium BC of Spain (Soria, Numancia and Ciadueña) and Portugal (Mogadouro, Castelinho and Crestelos). With these new data one of the most important temporary gaps in the archaeomagnetic database of Iberia has been covered. From the new generated and revised database, a new directional Palaeosecular Variation Curve of Iberia has been constructed for the last 3000 years. The new curve shows discrepancies with the previous PSVCs in the Late Roman-Middle Ages period, where the available archaeomagnetic information is still scarce.

4. A first archaeomagnetic study in the Canary Islands has been carried out. Five preliminary archaeosensity data corresponding to the first to sixteenth centuries AD were obtained. Only 2 of these five samples pass the selection criteria established in this PhD thesis. In general, the new data presented values ??lower than the current data in the database of the archipelago (based exclusively on volcanic data), especially the oldest ones from first millennium AD.
5. The global archaeomagnetic and volcanic database for the last 3000 years has been compiled and reviewed in detail and the data have been classified in two categories: quality data and other data. This criterion was based on the number of specimens used to estimate the mean value presents in the databases, which should be greater than or equal to 4, and in the laboratory protocol to obtain the palaeointensity data. For all the quality data the method of measurement must be the classic Thellier-Thellier method or derivatives with a control of the alteration of the magnetic mineralogy from the pTRM-checks. In the case of the archaeointensity data, anisotropy correction of the thermoremanence was also required. The percentage of data passing the quality criteria represents 17% of the total database.

6. Synthetic tests have been performed to evaluate if the number of the quality data available and its spatio-temporal distribution is adequate to generate a global model describing the evolution of the geomagnetic field over the last three millennia. The results indicate that the current quality database is not sufficiently well distributed in space and time to reconstruct the past evolution of geomagnetic field.

7. A new global model, called SHAQ3k, has been generated. In its construction, for the first time, a weighting scheme has been applied, which gives more relevance to the quality data. In order to establish the weighting ratio, the intensity predictions of the new model for different locations were compared with those given by the quality model B proposed by Pavón-Carrasco et al. (2014b). The weighting ratio for which the difference between both model predictions presents the minimum value has been estimated in 10, i.e. the quality data weigh 10 times more than the rest of the data.

8. From SHAQ3k model, the dipole moment variation for the last 3000 years has been estimated. During this period there is a global trend decreasing from 900 BC, where it reaches a value of 11.1 x 1022 Am2, until the present day, with a value of 8.4 x 1022 Am2. This long trend overlaps with higher frequency oscillations, with relative maxima at 500 BC, 100AD, 600 AD, 800 AD, 1400 AD and 1750 AD.

9. The new SHAQ3k model also allows us to observe the origin and evolution of the SAA, one of the main characteristics of the geomagnetic field that is observed today on surface. At the beginning of the first millennium BC, there is a low intensity area on ??the Pacific Ocean at north of Australia, which drifts westwards, and in only 1500 years, is located on the South African region. This anomalous region begins to grow on this zone until 1500 AD, when it starts to move towards the west again, being placed on the South Atlantic Ocean. In the core mantle limit, one can observe how a reversed flux polarity patch is generated, which begins to be isolated from 0 to 500 d.C., and is perfectly formed in the year 1000 d.C., located under the South African region, and which lasts until today.

10. A new methodology has been applied to investigate the possible correlation between climate and geomagnetic field: the transfer entropy. This tool determines if there is a flow of information between two time series and the direction in which this flow occurs. With the application of this statistical tool we have been able to analyze several aspects of the relationship between geomagnetic field and climate:

10.1. We have applied this new technique to study the possible connection between the growth of the South Atlantic Anomaly (SAA) and the increase of the Global Sea Level (GSL) for the last 300 years. The result obtained for three different models of geomagnetic field that cover the same time period and that have been used to calculate the SAA, is that the flow of information occurs from the SAA anomalies to those of the GSL in intervals of one year or less, with a confidence level greater than 90%. This may help to delimit the physical mechanism involved in this relationship, since it must act in a determinate sense, i.e. from the geomagnetic field to the climate, and over a period of time of one year or less.

10.2. The analysis of transfer entropy between the series of TSI reconstructions used as external forcing in different climate models and the dipole moment given by different reconstructions of the global geomagnetic field have provided positive results in all TSI reconstructions involving 10Be, recording a predominant and significant flow of information from the DM to the TSI. This important result could indicate that the dipole moment correction in these series is being underestimated.

Outlook

In relation to the palaeomagnetic database, future work should be focused on local (Iberian Peninsula) in the late Roman-Middle Ages period, as the available archaeomagnetic information is still scarce and, on a global scale, it is especially relevant to obtain new data coming from the Southern Hemisphere. It is also important that new data incorporated in the database fulfil the quality criteria set on this PhD thesis.

The preliminary archaeointensity study presented in Chapter 4 will be completed by investigating 2 to 4 more specimens of the same materials, in order to obtain, therefore, quality palaeointensity data taking into account the criteria established throughout this PhD thesis. Therefore we will incorporate 8 new archaeomagnetic data from northern Portugal from the 12th century BC to I AD, and 5 new archaeomagnetic data from the Canary Islands from the first to the sixteenth century AD, the first of this kind of data in the archipelago.

Although a weighting scheme has been presented here for the first time, including the quality of the palaeomagnetic data in the generation of global geomagnetic models, in the future one could advance in other modelling techniques that implement some hierarchical mechanism, such as Bayesian statistics.

The study of the relationship between the geomagnetic field and climate has also provided interesting results. The use of the transfer entropy could help, as we have seen in the case of the study between the SAA and the GSL, to limit the physical mechanism involved, providing a sense and an interval of time to act, so it is recommended its use in this works. In addition, in the future, other time series should be studied, in older times, in order to definitively confirm this relationship.

The results of this PhD thesis indicate that the correction of the rate of production of cosmogenic radionuclides by the geomagnetic field is not being performed adequately, so the collaboration between climatologists and palaeomagnetists seems necessary to solve this problem. The first step would be to repeat the analysis using the original reconstructions of TSI, before being used as a forcing in the climate models, and to use the global model presented in this thesis in this new analysis.