Jak geofizycy zbudowali model jądra Ziemi z kwasu siarkowego w skali?

Jedną z wielkich zagadek geofizyki jest to, jak Ziemia generuje i utrzymuje swoje pole magnetyczne. Ogólnie uważa się, że gdy materiał przewodzący w zewnętrznym jądrze Ziemi porusza się w wyniku konwekcji, generuje prądy elektryczne, które wytwarzają pole magnetyczne.

Ale na to pole wpływa również obrót Ziemi, a to wpływa na prądy konwekcyjne materiałów przewodzących prąd elektryczny w jądrze. Rezultatem jest potężny proces sprzężenia zwrotnego, który prowadzi do niezwykle złożonego zachowania.

Aby lepiej zrozumieć te procesy, fizycy zbudowali coraz bardziej złożone modele fizyczne jądra Ziemi, aby zbadać to pytanie. Większość eksperymentów symuluje przewodzący rdzeń przy użyciu ciekłych metali obracających się w płaszczyźnie w zewnętrznym polu magnetycznym.

Ale te eksperymenty mają istotne ograniczenia. Ciekły metal jest nieprzezroczysty, więc nie można zobaczyć, jak w nim ewoluują prądy konwekcyjne, zwłaszcza gdy ruch odbywa się zwykle w płaszczyźnie. Symulacje komputerowe też nie są zbyt pomocne — fizyka jest tak złożona, a efekty sprzężenia zwrotnego tak silne, że nawet najlepsze symulacje nie są w stanie rozwiązać otrzymanego równania na wymaganym poziomie szczegółowości.

W rezultacie ani modele fizyczne, ani symulacje komputerowe nie były w stanie odtworzyć obserwowanego zachowania pola Ziemi.

Potrzebny jest inny model, który może lepiej uchwycić złożone procesy zachodzące w pracy, i lepszy, który może ujawnić sposób powstawania i ewolucji prądów konwekcyjnych.

Dziś Kelig Aujogue z Coventry University w Wielkiej Brytanii wraz z kilkoma kumplami przedstawia eksperymentalny model oparty na obracającej się półkuli wypełnionej przezroczystym elektrolitem, który to robi. I twierdzą, że ich model po raz pierwszy ujawnia, jak pole magnetyczne drastycznie zmienia strukturę piór konwekcyjnych wewnątrz Ziemi.

Najpierw trochę tła na temat sił działających w jądrze Ziemi. Podstawowymi zjawiskami są: pływalność, która napędza ruch płynu; siła Coriolisa z obrotu Ziemi; oraz siłę magnetyczną, która powstaje w wyniku interakcji między indukowanymi prądami elektrycznymi a polami magnetycznymi.

Geofizycy opisują sposób, w jaki te siły oddziałują, używając wielkości znanej jako liczba Ekmana — stosunek sił lepkości w płynie do sił, które powstają w wyniku obrotu planet. Gdy liczba Ekmana jest mała, zaburzenia w płynie mogą się rozprzestrzeniać, ale ten proces propagacji jest niezwykle złożony.

Liczba Ekmana w jądrze Ziemi jest niewielka, około 10-15. Najlepsze modele komputerowe mogą symulować liczby Ekmana w zakresie 10-5, ale nawet te wyniki nigdy nie zostały skalibrowane z wynikami eksperymentalnymi przy użyciu ciekłych metali, ponieważ przepływ nie jest widoczny w tych konfiguracjach.

Wejdź Aujogue i spółka. Ich aparat składa się z półkulistej szklanej kopuły wypełnionej kwasem siarkowym, ogrzewanej w środku cylindrycznym elementem grzejnym i chłodzonej na zewnątrz.

Chociaż kwas siarkowy jest rozsądnym przewodnikiem, jest o około cztery rzędy wielkości mniej dobry niż metale ciekłe. Zespół kompensuje to, umieszczając całą aparaturę w niezwykle silnym polu magnetycznym do 10 tesli, które jest 100 razy wyższe niż w przypadku konwencjonalnych elektromagnesów.

Jest tylko jedno miejsce na planecie zdolne do wytwarzania pól magnetycznych o takiej sile, Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych w Grenoble we Francji, gdzie zespół przygotował swój sprzęt.

Całe ustawienie musi zostać obrócone w tym polu. Oznacza to, że wszystkie elementy muszą być wykonane z materiałów niemagnetycznych, aby uniknąć indukowanych prądów.

Obchodzenie się z kwasem siarkowym też nie jest spacerkiem po parku. Komponenty muszą być odporne chemicznie, a eksperyment starannie zaprojektowany, aby zapewnić bezpieczeństwo zaangażowanym naukowcom. Aparatura musi być również zaprojektowana tak, aby można było łatwo zebrać dane z eksperymentów.

Aby zobaczyć przepływ w rdzeniu, zespół wykorzystuje technikę zwaną velocimetrią obrazu cząstek. Wiąże się to z wystrzeleniem lasera do płynu i rejestrowaniem, jak odbija się on od małych cząstek lub pęcherzyków znajdujących się w nim. Śledząc ich ruch, możliwe jest zbudowanie szczegółowego trójwymiarowego obrazu przepływu.

To trudny zestaw ograniczeń. Niemniej wynik jest imponujący. Po raz pierwszy siły [zasada] mogą być wytwarzane i precyzyjnie kontrolowane w przepływie, który można również w pełni odwzorować za pomocą technik wizualizacji optycznej, powiedzmy Aujogue i spółka.

A wyniki są zaskoczeniem. Zespół twierdzi, że pole magnetyczne ma spektakularny wpływ na strukturę smug konwekcyjnych.

Dotyczy to nie tylko Ziemi, ale każdej planety lub księżyca z polem magnetycznym i ciekłym jądrem, takiej jak Merkury czy Ganimedes.

I jest dużo miejsca na przyszłe prace. Zespół twierdzi, że można łatwo zmieniać rozmiar rdzenia i wytwarzaną przez niego różnicę temperatur, dzięki czemu można badać różne reżimy.

Oczywiście potrzeba więcej pracy, aby zobaczyć, jak dokładnie te wyniki odzwierciedlają to, co dzieje się wewnątrz Ziemi. Ale to fascynujący krok na drodze do jeszcze lepszych modeli, które w pełni opisują dziwne pole magnetyczne Ziemi.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1606.01780 : Mały eksperyment na Ziemi: instrument do modelowania rdzeni planetarnych

ukryć