211service.com
Hoe geofysici een schaalmodel van de aardkern bouwden uit zwavelzuur
Een van de grote puzzels van de geofysica is hoe de aarde haar magnetisch veld genereert en in stand houdt. De algemene gedachte is dat wanneer geleidend materiaal in de buitenste kern van de aarde beweegt als gevolg van convectie, het elektrische stromen genereert, en deze creëren een magnetisch veld.
Maar dit veld wordt ook beïnvloed door de rotatie van de aarde, en dit beïnvloedt de convectiestromen van elektrisch geleidende materialen in de kern. Het resultaat is een krachtig feedbackproces dat leidt tot enorm complex gedrag.
Om deze processen beter te begrijpen, hebben natuurkundigen steeds complexere fysieke modellen van de kern van de aarde gebouwd om deze vraag te onderzoeken. De meeste experimenten simuleren de geleidende kern met behulp van vloeibare metalen die in een vlak in een extern magnetisch veld roteren.
Maar deze experimenten hebben een belangrijke beperking. Vloeibaar metaal is ondoorzichtig, dus het is niet mogelijk om te zien hoe convectiestromen zich daarin ontwikkelen, vooral wanneer de beweging meestal in een vlak plaatsvindt. Computersimulaties helpen ook niet veel - de fysica is zo complex en de feedback-effecten zo sterk dat zelfs de beste simulaties de resulterende vergelijking niet op het vereiste detailniveau kunnen oplossen.
Het resultaat is dat noch fysieke modellen, noch computersimulaties het waargenomen gedrag van het aardveld hebben kunnen reproduceren.
Wat nodig is, is een ander model dat de complexe processen op het werk beter kan vastleggen, en bij voorkeur een model dat kan onthullen hoe convectiestromen ontstaan en evolueren.
Vandaag onthullen Kelig Aujogue van Coventry University in het VK en een paar vrienden een experimenteel model gebaseerd op een roterend halfrond gevuld met een transparante elektrolyt die dit doet. En ze zeggen dat hun model voor het eerst onthult hoe het magnetische veld de structuur van convectieve pluimen in de aarde drastisch verandert.
Eerst wat achtergrondinformatie over de krachten die in de kern van de aarde aan het werk zijn. De belangrijkste verschijnselen zijn: drijfvermogen, dat vloeiende beweging aanstuurt; de Coriolis-kracht van de rotatie van de aarde; en de magnetische kracht die ontstaat door de interactie tussen geïnduceerde elektrische stromen en magnetische velden.
Geofysici karakteriseren de manier waarop deze krachten op elkaar inwerken met behulp van een grootheid die bekend staat als het Ekman-getal - de verhouding van viskeuze krachten in een vloeistof tot de krachten die voortkomen uit planetaire rotatie. Wanneer het Ekman-getal klein is, kunnen verstoringen in de vloeistof zich voortplanten, maar dit voortplantingsproces is enorm complex.
Het Ekman-getal in de kern van de aarde is klein, ongeveer 10-15. De beste computermodellen kunnen Ekman-getallen in de buurt van 10-5 simuleren, maar zelfs deze resultaten zijn nooit gekalibreerd met experimentele resultaten met vloeibare metalen omdat de stroming in deze opstellingen niet kan worden gezien.
Voer Aujogue en co in. Hun apparaat bestaat uit een halfronde glazen koepel gevuld met zwavelzuur, in het midden verwarmd door een cilindrisch verwarmingselement en aan de buitenkant gekoeld.
Hoewel zwavelzuur een redelijke geleider is, is het ongeveer vier ordes van grootte minder goed dan vloeibare metalen. Het team compenseert dit door het hele apparaat in een enorm krachtig magnetisch veld van maximaal 10 Tesla te plaatsen, wat 100 keer hoger is dan mogelijk is met conventionele elektromagneten.
Er is maar één plek op de planeet die magnetische velden van deze sterkte kan produceren, het Grenoble High Magnetic Field Laboratory in Frankrijk, waar het team hun uitrusting heeft opgesteld.
De hele opstelling moet binnen dit veld worden gedraaid. Dit betekent dat alle componenten gemaakt moeten zijn van niet-magnetische materialen om de geïnduceerde stromen te vermijden die hierdoor zouden ontstaan.
Omgaan met zwavelzuur is ook geen sinecure. De componenten moeten chemisch resistent zijn en het experiment zorgvuldig ontworpen om de veiligheid van de betrokken wetenschappers te waarborgen. Het apparaat moet ook zo worden ontworpen dat de gegevens van de experimenten gemakkelijk kunnen worden verzameld.
Om de stroom in de kern te bekijken, gebruikt het team een techniek die deeltjesbeeldsnelheidsmeting wordt genoemd. Dit houdt in dat een laser in de vloeistof wordt afgevuurd en wordt vastgelegd hoe deze weerkaatst op kleine deeltjes of bellen erin. Door hun beweging te volgen, is het mogelijk om een gedetailleerd 3D-beeld van de stroom op te bouwen.
Dit is een uitdagende reeks beperkingen. Toch is het resultaat indrukwekkend. Voor het eerst kunnen de [principe]krachten worden opgewekt en nauwkeurig gecontroleerd in een stroom die ook volledig in kaart kan worden gebracht door middel van optische visualisatietechnieken, zeggen Aujogue en co.
En de resultaten zijn enigszins een verrassing. Het magnetische veld heeft een spectaculair effect op de structuur van convectieve pluimen, zegt het team.
Dit geldt niet alleen voor de aarde, maar voor elke planeet of maan met een magnetisch veld en een vloeibare kern, zoals Mercurius of Ganymedes.
En er is volop ruimte voor toekomstig werk. Het team zegt dat het mogelijk is om de grootte van de kern en het temperatuurverschil dat het creëert gemakkelijk te variëren, zodat verschillende regimes kunnen worden onderzocht.
Natuurlijk moet er meer worden gedaan om te zien hoe goed deze resultaten weerspiegelen wat er in de aarde gebeurt. Maar dit is een fascinerende stap op weg naar nog betere modellen die het vreemde magnetische veld van de aarde volledig beschrijven.
Referentie: arxiv.org/abs/1606.01780 : Little Earth Experiment: een instrument om planetaire kernen te modelleren