a Föld globális mágneses mezője létfontosságú szerepet játszik mindennapi életünkben, védve minket a káros napsugárzástól. A mágneses mezőt, amely több milliárd éve létezik, egy dinamó—vagy generátor-okozza a föld belsejében leginkább olvadt vasban; ez a folyékony vas a konvekciónak nevezett folyamatban forog. De a konvekció önmagában nem történik meg. Szüksége van egy hajtóerőre—egy áramforrásra. Joseph O ‘ Rourke végzős hallgató és David Stevenson, a Caltech Marvin L. Goldberger Bolygótudományi professzora egy új mechanizmust javasoltak, amely képes táplálni ezt a konvekciót a föld belsejében a Föld történelmének egészére.

a megállapításokat részletező cikk a Nature január 21-i számában jelenik meg.

a konvekció olyan mindennapi jelenségekben látható, mint egy forró víz. Az edény alján lévő hő hatására a folyadékzsebek kevésbé sűrűvé válnak, mint a környező folyadék, így megemelkednek. Amikor elérik a felszínt, a folyadék zsebei lehűlnek és újra elsüllyednek. Ugyanez a folyamat történik az 1400 mérföld vastag olvadt fémrétegben, amely a külső magot alkotja.

a föld többnyire a köpenyből (oxidokból és szilikátból készült szilárd anyagból, amelyben a magnézium kiemelkedő) és a magból (főleg vasból) áll. Ezt a két régiót általában teljesen elválasztottnak tekintik; vagyis a köpenyanyagok nem oldódnak fel a maganyagokban. Atomi szinten nem keverednek, mivel a víz általában nem keveredik az olajjal. A magnak szilárd belső része van, amely lassan növekszik a Föld története során, mivel a bolygó belsejében lévő folyékony vas megszilárdul. A mag külső, folyékony része egy olvadt vasréteg, amely más elemekkel, köztük szilíciummal, oxigénnel, nikkellel és kis mennyiségű magnéziummal keveredik. Stevenson és O ‘ Rourke azt javasolják, hogy a magnézium elemnek a köpeny ásványok formájában történő átvitele a külső magból a köpeny alapjába az a mechanizmus, amely a konvekciót hajtja végre.

a Magneisum a köpeny egyik fő eleme, de a vasmagban alacsony az oldhatósága, kivéve nagyon magas hőmérsékleten—7200 Fahrenheit fok felett. Ahogy a Föld magja lehűl, a fémes, folyékony külső magból magnézium-oxidok és magnézium-szilikátok kristályosodnak ki, ahogy a forró vízben feloldott cukor cukorkristályként csapódik ki, amikor a víz lehűl. Mivel ezek a kristályok kevésbé sűrűek, mint a vas, a köpeny aljára emelkednek. A hátrahagyott nehezebb folyékony fém ezután elsüllyed, és Stevenson szerint ez a mozgás lehet az a mechanizmus, amely több mint három milliárd éve fenntartja a konvekciót—az a mechanizmus, amely viszont táplálja a globális mágneses teret.

“a magnéziumtartalmú ásványi anyagok kicsapódása a külső magból 10-szer hatékonyabb a konvekció vezetésében, mint a belső mag növekedése “- mondja O ‘ Rourke. “Az ilyen ásványok nagyon lendületesek, és a keletkező folyadékmozgások hatékonyan képesek hőt szállítani. A magnak csak 10 kilométer vastag magnézium-ásványi réteget kell kicsapnia felfelé—ami soknak tűnik, de nem sok a belső és a külső mag méretarányában-a külső mag konvekciójának meghajtásához.”

a korábbi modellek azt feltételezték, hogy a vas folyamatos hűtése a belső magban olyan hőt bocsát ki, amely a konvekciót táplálhatja. De az elmúlt évek legtöbb mérése és elmélete a vas hővezetőképességéről—az a tulajdonság, amely meghatározza, hogy a hő mennyire hatékonyan áramolhat át egy fémen—azt jelzi, hogy a fém mozgás nélkül könnyen átviheti a hőt. “A vas felmelegítése a külső mag alján nem fogja felhajtani a felhajtást—csak a hőt fogja eloszlatni a környezetében “- mondja O ‘ Rourke.

“Dave-nek egy ideje volt egy magnéziummal működő dinamó ötlete, de állítólag nem volt magnézium a Föld magjában” – mondja O ‘ Rourke. “A korai naprendszer bolygóképződésének modelljei azt mutatják, hogy a Föld gyakran ütközött óriási bolygótestekkel. Ha ezek az erőszakos, energikus események bekövetkeznének, a Föld kialakulása során sokkal magasabb hőmérsékletet tapasztalt volna, mint azt korábban gondolták—olyan hőmérséklet, amely elég magas lett volna ahhoz, hogy néhány magnézium folyékony fémes vasba keveredjen.”

Ezek a modellek lehetővé tették azt az elképzelést, hogy a dinamót magnéziumtartalmú ásványok kicsapódása táplálhatja. O ‘ Rourke kiszámította, hogy a magnézium mennyisége, amely a föld forró korai szakaszában feloldódott volna a magban, más változásokat okozott volna a köpeny összetételében, amelyek összhangban vannak más modellekkel és mérésekkel. Azt is kiszámította, hogy ezeknek a magnézium-ásványoknak a kicsapódása elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy négy milliárd évig táplálja a dinamót.

a magba bejutó magnézium mennyiségének kísérleti ellenőrzése még mindig ritka, mondja O ‘ Rourke és Stevenson. “A javasolt mechanizmus további alkalmazásai közé tartozik a Vénusz-ahol nincs mágneses mező-és a bőséges exobolygók, amelyek tömegesebbek, mint a Föld, de hasonló kémiai összetételűek lehetnek” – mondja Stevenson.