Kā ģeofiziķi no sērskābes izveidoja Zemes kodola mēroga modeli

Viena no lielākajām ģeofizikas mīklām ir tas, kā Zeme ģenerē un uztur savu magnētisko lauku. Vispārējā domāšana ir tāda, ka, ja materiāls Zemes ārējā kodolā pārvietojas konvekcijas dēļ, tas ģenerē elektriskās strāvas, kas rada magnētisko lauku.

Taču šo lauku ietekmē arī Zemes rotācija, un tas ietekmē elektriski vadošo materiālu konvekcijas strāvas kodolā. Rezultāts ir spēcīgs atgriezeniskās saites process, kas noved pie ļoti sarežģītas uzvedības.

Lai labāk izprastu šos procesus, fiziķi ir izveidojuši arvien sarežģītākus Zemes kodola fiziskos modeļus, lai izpētītu šo jautājumu. Lielākā daļa eksperimentu simulē vadošo serdi, izmantojot šķidros metālus, kas rotē plaknē ārējā magnētiskajā laukā.

Bet šiem eksperimentiem ir ievērojams ierobežojums. Šķidrais metāls ir necaurspīdīgs, tāpēc nav iespējams redzēt, kā tajos attīstās konvekcijas strāvas, it īpaši, ja kustība parasti notiek plaknē. Arī datorsimulācijas nepalīdz — fizika ir tik sarežģīta un atgriezeniskās saites efekti tik spēcīgi, ka pat labākās simulācijas nevar atrisināt iegūto vienādojumu vajadzīgajā detalizācijas līmenī.

Rezultāts ir tāds, ka ne fiziskie modeļi, ne datorsimulācijas nav spējuši reproducēt Zemes lauka novēroto uzvedību.

Ir nepieciešams cits modelis, kas var labāk uztvert sarežģītos procesus darbā, un vēlams tāds, kas var atklāt veidu, kā rodas un attīstās konvekcijas strāvas.

Šodien Kelig Aujogue no Koventrijas universitātes Apvienotajā Karalistē un daži draugi atklāj eksperimentālu modeli, kura pamatā ir rotējoša puslode, kas piepildīta ar caurspīdīgu elektrolītu, kas to dara. Un viņi saka, ka viņu modelis pirmo reizi atklāj, kā magnētiskais lauks krasi maina konvektīvo spalvu struktūru Zemes iekšienē.

Vispirms nedaudz fona par spēkiem, kas darbojas Zemes kodolā. Galvenās parādības ir: peldspēja, kas virza šķidruma kustību; Koriolisa spēks no Zemes rotācijas; un magnētiskais spēks, kas rodas no inducēto elektrisko strāvu un magnētisko lauku mijiedarbības.

Ģeofiziķi raksturo veidu, kā šie spēki mijiedarbojas, izmantojot lielumu, kas pazīstams kā Ekmana skaitlis - viskozo spēku attiecība šķidrumā pret spēkiem, kas rodas planētas rotācijas rezultātā. Ja Ekmana skaitlis ir mazs, traucējumi šķidrumā var izplatīties, taču šis izplatīšanās process ir ļoti sarežģīts.

Ekmana skaitlis Zemes kodolā ir niecīgs, aptuveni 10-15. Labākie datoru modeļi var simulēt Ekmana skaitļus no 10 līdz 5, taču pat šie rezultāti nekad nav kalibrēti ar eksperimentālajiem rezultātiem, izmantojot šķidros metālus, jo šajos iestatījumos plūsmu nevar redzēt.

Ieiet Aujogue un co. Viņu aparāts sastāv no puslodes formas stikla kupola, kas piepildīts ar sērskābi, kura centrā tiek uzkarsēts ar cilindrisku sildelementu un atdzesēts no ārpuses.

Lai gan sērskābe ir saprātīgs vadītājs, tas ir par četrām kārtām mazāk labs nekā šķidrie metāli. Komanda to kompensē, ievietojot visu aparātu ļoti jaudīgā magnētiskajā laukā līdz pat 10 Teslām, kas ir 100 reizes lielāks nekā tas ir iespējams ar parastajiem elektromagnētiem.

Ir tikai viena vieta uz planētas, kas spēj radīt šāda stipruma magnētiskos laukus, Grenobles augstā magnētiskā lauka laboratorija Francijā, kur komanda uzstādīja savu aprīkojumu.

Visa iestatīšana ir jāpagriež šajā laukā. Tas nozīmē, ka visām sastāvdaļām ir jābūt izgatavotām no nemagnētiskiem materiāliem, lai izvairītos no inducētās strāvas, ko tas varētu radīt.

Arī apiešanās ar sērskābi nav nekāda pastaiga pa parku. Sastāvdaļām ir jābūt ķīmiski izturīgām, un eksperimentam jābūt rūpīgi izstrādātam, lai nodrošinātu iesaistīto zinātnieku drošību. Ierīcei arī jābūt konstruētai tā, lai eksperimentu datus varētu viegli savākt.

Lai skatītu plūsmu kodolā, komanda izmanto paņēmienu, ko sauc par daļiņu attēla ātruma mērījumiem. Tas ietver lāzera iedarbināšanu šķidrumā un reģistrēšanu, kā tas atstaro tajā esošās mazās daļiņas vai burbuļus. Izsekojot to kustībai, ir iespējams izveidot detalizētu plūsmas 3-D attēlu.

Tie ir izaicinošs ierobežojumu kopums. Neskatoties uz to, rezultāts ir iespaidīgs. Pirmo reizi [principa] spēkus var radīt un precīzi kontrolēt plūsmā, ko var arī pilnībā kartēt, izmantojot optiskās vizualizācijas metodes, saka Aujogue un co.

Un rezultāti ir pārsteidzoši. Magnētiskajam laukam ir iespaidīga ietekme uz konvektīvo strūklu struktūru, saka komanda.

Tas attiecas ne tikai uz Zemi, bet arī uz jebkuru planētu vai mēnesi ar magnētisko lauku un šķidru kodolu, piemēram, Merkuru vai Ganimēdu.

Un turpmākajam darbam ir daudz iespēju. Komanda saka, ka ir iespējams viegli mainīt kodola izmēru un temperatūras starpību, ko tā rada, lai varētu izpētīt dažādus režīmus.

Protams, ir jādara vairāk, lai redzētu, cik precīzi šie rezultāti atspoguļo to, kas notiek Zemes iekšienē. Bet tas ir aizraujošs solis ceļā uz vēl labākiem modeļiem, kas pilnībā apraksta Zemes dīvaino magnētisko lauku.

Atsauce: arxiv.org/abs/1606.01780 : Mazais Zemes eksperiments: instruments planētu kodolu modelēšanai

paslēpties