Hur geofysiker byggde en skalmodell av jordens kärna av svavelsyra

Ett av geofysikens stora pussel är hur jorden genererar och upprätthåller sitt magnetfält. Den allmänna tanken är att när ledande material i jordens yttre kärna rör sig på grund av konvektion, genererar det elektriska strömmar, och dessa skapar ett magnetfält.

Men detta fält påverkas också av jordens rotation, och detta påverkar konvektionsströmmarna för elektriskt ledande material i kärnan. Resultatet är en kraftfull feedbackprocess som leder till ett enormt komplext beteende.

För att bättre förstå dessa processer har fysiker byggt allt mer komplexa fysiska modeller av jordens kärna för att utforska denna fråga. De flesta experiment simulerar den ledande kärnan med hjälp av flytande metaller som roterar i ett plan i ett externt magnetfält.

Men dessa experiment har en betydande begränsning. Flytande metall är ogenomskinlig, så det är inte möjligt att se hur konvektionsströmmar utvecklas inuti dem, särskilt när rörelsen vanligtvis är i ett plan. Inte heller datorsimuleringar är till mycket hjälp – fysiken är så komplex och återkopplingseffekterna så starka att inte ens de bästa simuleringarna kan lösa den resulterande ekvationen på den nödvändiga detaljnivån.

Resultatet är att varken fysiska modeller eller datorsimuleringar har kunnat reproducera det observerade beteendet hos jordens fält.

Vad som behövs är en annan modell som bättre kan fånga de komplexa processerna på jobbet, och helst en som kan avslöja hur konvektionsströmmar uppstår och utvecklas.

Idag avslöjar Kelig Aujogue vid Coventry University i Storbritannien och några kompisar en experimentell modell baserad på en roterande halvklot fylld med en transparent elektrolyt som gör detta. Och de säger att deras modell avslöjar för första gången hur magnetfältet drastiskt förändrar strukturen hos konvektiva plymer inuti jorden.

Först lite bakgrund om krafterna som verkar i jordens kärna. De huvudsakliga fenomenen är: flytkraft, som driver flytande rörelse; Corioliskraften från jordens rotation; och den magnetiska kraft som uppstår från interaktionen mellan inducerade elektriska strömmar och magnetfält.

Geofysiker karakteriserar hur dessa krafter interagerar med hjälp av en kvantitet som kallas Ekman-talet - förhållandet mellan viskösa krafter i en vätska och krafterna som uppstår vid planetrotation. När Ekman-talet är litet kan störningar i vätskan fortplanta sig men denna utbredningsprocess är enormt komplex.

Ekman-talet i jordens kärna är litet, runt 10-15. De bästa datormodellerna kan simulera Ekman-tal i området 10-5 men även dessa resultat har aldrig kalibrerats mot experimentella resultat med flytande metaller eftersom flödet inte kan ses i dessa uppställningar.

Ange Aujogue och co. Deras apparat består av en halvklotformad glaskupol fylld med svavelsyra, uppvärmd i dess mitt av ett cylindriskt värmeelement och kyld på utsidan.

Även om svavelsyra är en rimlig ledare, är den cirka fyra storleksordningar mindre bra än flytande metaller. Teamet kompenserar genom att placera hela apparaten i ett enormt kraftfullt magnetfält på upp till 10 Tesla, vilket är 100 gånger högre än vad som är möjligt med konventionella elektromagneter.

Det finns bara ett ställe på planeten som kan producera magnetiska fält av denna styrka, Grenoble High Magnetic Field Laboratory i Frankrike, där teamet installerade sin utrustning.

Hela uppsättningen måste roteras inuti detta fält. Detta innebär att alla komponenter måste vara gjorda av icke-magnetiska material för att undvika de inducerade strömmar som detta skulle skapa.

Att hantera svavelsyra är heller ingen promenad i parken. Komponenterna måste vara kemiskt resistenta och experimentet måste noggrant utformas för att säkerställa säkerheten för de inblandade forskarna. Apparaten måste också utformas så att data från experimenten lätt kan samlas in.

För att se flödet i kärnan använder teamet en teknik som kallas partikelbildshastighet. Detta innebär att man avfyrar en laser i vätskan och registrerar hur den reflekteras av små partiklar eller bubblor i den. Genom att spåra deras rörelse är det möjligt att bygga upp en detaljerad 3D-bild av flödet.

Dessa är en utmanande uppsättning begränsningar. Trots det är resultatet imponerande. För första gången kan [princip]krafterna produceras och kontrolleras exakt i ett flöde som också kan kartläggas fullt ut med hjälp av optiska visualiseringstekniker, säger Aujogue och co.

Och resultaten är något av en överraskning. Magnetfältet har en spektakulär effekt på strukturen hos konvektiva plymer, säger teamet.

Detta gäller inte bara jorden utan alla planeter eller måner med ett magnetfält och en flytande kärna, som Merkurius eller Ganymedes.

Och det finns gott om utrymme för framtida arbete. Teamet säger att det är möjligt att enkelt variera storleken på kärnan och temperaturskillnaden den skapar så att olika regimer kan undersökas.

Naturligtvis måste mer arbete göras för att se hur nära dessa resultat återspeglar vad som pågår inuti jorden. Men det här är ett fascinerande steg på vägen till ännu bättre modeller som till fullo beskriver jordens konstiga magnetfält.

Ref: arxiv.org/abs/1606.01780 : Little Earth Experiment: ett instrument för att modellera planetkärnor

Dölj