Hvordan geofysikere byggede en skalamodel af jordens kerne ud af svovlsyre

Et af geofysikkens store gåder er, hvordan Jorden genererer og vedligeholder sit magnetfelt. Den generelle tankegang er, at når ledende materiale i Jordens ydre kerne bevæger sig på grund af konvektion, genererer det elektriske strømme, og disse skaber et magnetfelt.

Men dette felt er også påvirket af jordens rotation, og dette påvirker konvektionsstrømmene af elektrisk ledende materialer i kernen. Resultatet er en kraftfuld feedback-proces, der fører til enormt kompleks adfærd.

For bedre at forstå disse processer har fysikere bygget stadig mere komplekse fysiske modeller af Jordens kerne for at udforske dette spørgsmål. De fleste eksperimenter simulerer den ledende kerne ved hjælp af flydende metaller, der roterer i et plan i et eksternt magnetfelt.

Men disse eksperimenter har en væsentlig begrænsning. Flydende metal er uigennemsigtigt, så det er ikke muligt at se, hvordan konvektionsstrømme udvikler sig inde i dem, især når bevægelsen normalt er i et plan. Computersimuleringer hjælper heller ikke meget - fysikken er så kompleks og feedback-effekterne så stærke, at selv de bedste simuleringer ikke kan løse den resulterende ligning på det nødvendige detaljeringsniveau.

Resultatet er, at hverken fysiske modeller eller computersimuleringer har været i stand til at gengive den observerede adfærd i Jordens felt.

Det, der er brug for, er en anden model, der bedre kan fange de komplekse processer på arbejde, og helst en, der kan afsløre, hvordan konvektionsstrømme opstår og udvikler sig.

I dag afslører Kelig Aujogue ved Coventry University i Storbritannien og et par venner en eksperimentel model baseret på en roterende halvkugle fyldt med en gennemsigtig elektrolyt, der gør dette. Og de siger, at deres model afslører for første gang, hvordan magnetfeltet drastisk ændrer strukturen af ​​konvektive faner inde i Jorden.

Først lidt baggrund om de kræfter, der virker i Jordens kerne. De principielle fænomener er: opdrift, som driver flydende bevægelse; Coriolis-kraften fra Jordens rotation; og den magnetiske kraft, der opstår fra samspillet mellem inducerede elektriske strømme og magnetiske felter.

Geofysikere karakteriserer den måde, disse kræfter interagerer på ved hjælp af en mængde kendt som Ekman-tallet - forholdet mellem viskøse kræfter i en væske og de kræfter, der opstår fra planetarisk rotation. Når Ekman-tallet er lille, er forstyrrelser i væsken i stand til at forplante sig, men denne udbredelsesproces er enormt kompleks.

Ekman-tallet i Jordens kerne er lille, omkring 10-15. De bedste computermodeller kan simulere Ekman-tal i området 10-5, men selv disse resultater er aldrig blevet kalibreret mod eksperimentelle resultater ved brug af flydende metaller, fordi flowet ikke kan ses i disse opsætninger.

Indtast Aujogue og co. Deres apparat består af en halvkugleformet glaskuppel fyldt med svovlsyre, opvarmet i midten af ​​et cylindrisk varmeelement og afkølet på ydersiden.

Mens svovlsyre er en rimelig leder, er den omkring fire størrelsesordener mindre god end flydende metaller. Holdet kompenserer ved at placere hele apparatet i et enormt kraftigt magnetfelt på op til 10 Tesla, hvilket er 100 gange højere, end det er muligt med konventionelle elektromagneter.

Der er kun ét sted på planeten, der er i stand til at producere magnetiske felter af denne styrke, Grenoble High Magnetic Field Laboratory i Frankrig, hvor holdet satte deres udstyr op.

Hele opsætningen skal roteres inde i dette felt. Det betyder, at alle komponenter skal være lavet af ikke-magnetiske materialer for at undgå de inducerede strømme, dette ville skabe.

Håndtering af svovlsyre er heller ingen tur i parken. Komponenterne skal være kemisk resistente, og eksperimentet skal være omhyggeligt designet for at sikre sikkerheden for de involverede videnskabsmænd. Apparatet skal også designes, så data fra eksperimenterne let kan indsamles.

For at se flowet i kernen bruger holdet en teknik kaldet partikelbilledhastighed. Dette involverer at affyre en laser i væsken og registrere, hvordan den reflekteres af små partikler eller bobler i den. Ved at spore deres bevægelse er det muligt at opbygge et detaljeret 3-D billede af flowet.

Disse er et udfordrende sæt af begrænsninger. Ikke desto mindre er resultatet imponerende. For første gang kan [princip]kræfterne produceres og præcist kontrolleres i et flow, der også kan kortlægges fuldt ud ved hjælp af optiske visualiseringsteknikker, siger Aujogue og co.

Og resultaterne er noget af en overraskelse. Det magnetiske felt har en spektakulær effekt på strukturen af ​​konvektive faner, siger holdet.

Dette gælder ikke kun for Jorden, men for enhver planet eller måne med et magnetfelt og en flydende kerne, såsom Merkur eller Ganymedes.

Og der er masser af plads til fremtidigt arbejde. Holdet siger, at det nemt er muligt at variere størrelsen af ​​kernen og den temperaturforskel, den skaber, så forskellige regimer kan undersøges.

Selvfølgelig skal der arbejdes mere for at se, hvor tæt disse resultater afspejler, hvad der foregår inde i Jorden. Men dette er et fascinerende skridt på vejen til endnu bedre modeller, der fuldt ud beskriver Jordens mærkelige magnetfelt.

Ref: arxiv.org/abs/1606.01780 : Little Earth Experiment: Et instrument til at modellere planetkerner

skjule