globalne pole magnetyczne Ziemi odgrywa istotną rolę w naszym codziennym życiu, chroniąc nas przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym. Pole magnetyczne, które istnieje od miliardów lat, jest spowodowane przez dynamo—lub generator-w większości stopionego żelaza we wnętrzu Ziemi; to ciekłe żelazo powstaje w procesie zwanym konwekcją. Ale konwekcja nie dzieje się sama. Potrzebuje siły napędowej-źródła zasilania. Doktorant Joseph O ’ Rourke i David Stevenson, Marvin L. Goldberger profesor Planetologii z Caltech, zaproponowali nowy mechanizm, który może zasilić tę konwekcję we wnętrzu Ziemi dla całej historii Ziemi.
w numerze Nature z 21 stycznia ukazał się artykuł opisujący wyniki badań.
konwekcję można zobaczyć w takich codziennych zjawiskach, jak garnek wrzącej wody. Ciepło na dnie garnka powoduje, że kieszenie płynu stają się mniej gęste niż otaczający płyn, a tym samym rosną. Gdy dotrą do powierzchni, kieszenie płynu ostygną i ponownie opadną. Ten sam proces zachodzi w grubej na 1400 Mil warstwie stopionego metalu, która tworzy zewnętrzny rdzeń.
Ziemia składa się głównie z płaszcza (stałego materiału z tlenków i krzemianów, w którym widoczny jest magnez) i rdzenia (głównie żelaza). Te dwa regiony są zwykle uważane za całkowicie oddzielone; oznacza to, że materiały płaszcza nie rozpuszczają się w materiałach rdzeniowych. Nie mieszają się na poziomie atomowym, podobnie jak woda zwykle nie miesza się z olejem. Rdzeń ma solidną wewnętrzną część, która powoli rośnie w całej historii Ziemi, ponieważ ciekłe żelazo we wnętrzu planety krzepnie. Zewnętrzna, płynna część rdzenia to warstwa stopionego żelaza zmieszanego z innymi pierwiastkami, w tym krzemem, tlenem, niklem i niewielką ilością magnezu. Stevenson I O ’ Rourke proponują, że przeniesienie pierwiastka magnezu w postaci minerałów płaszcza z zewnętrznego rdzenia do podstawy płaszcza jest mechanizmem napędzającym konwekcję.
Magneisum jest głównym elementem płaszcza, ale ma niską rozpuszczalność w rdzeniu żelaznym, z wyjątkiem bardzo wysokich temperatur—powyżej 7200 stopni Fahrenheita. Gdy rdzeń ziemi stygnie, tlenki magnezu i krzemiany magnezu krystalizują z metalicznego, ciekłego rdzenia zewnętrznego, podobnie jak cukier rozpuszczony w gorącej wodzie wytrąca się jak kryształy cukru, gdy woda się ochłodzi. Ponieważ kryształy te są mniej gęste niż żelazo, wznoszą się do podstawy płaszcza. Cięższy ciekły metal pozostający po sobie tonie, a ten ruch, jak twierdzi Stevenson, może być mechanizmem, który utrzymuje konwekcję przez ponad trzy miliardy lat-mechanizmem, który z kolei zasila globalne pole magnetyczne.
„wytrącanie minerałów zawierających magnez z zewnętrznego rdzenia jest 10 razy bardziej skuteczne w napędzaniu konwekcji niż wzrost wewnętrznego rdzenia”, mówi O ’ Rourke. „Takie minerały są bardzo wyporne, a powstałe ruchy płynu mogą skutecznie transportować ciepło. Rdzeń musi tylko wytrącić w górę warstwę minerałów magnezowych o grubości 10 kilometrów-co wydaje się dużo, ale to niewiele w skali wewnętrznych i zewnętrznych rdzeni—aby napędzać konwekcję zewnętrznego rdzenia.”
poprzednie modele zakładały, że stałe chłodzenie żelaza w rdzeniu wewnętrznym uwolni ciepło, które może zasilać konwekcję. Ale większość pomiarów i teorii w ciągu ostatnich kilku lat dotyczących przewodności cieplnej żelaza-właściwości, która określa, jak skutecznie ciepło może przepływać przez metal-wskazuje, że metal może łatwo przenosić ciepło bez przechodzenia ruchu. „Podgrzanie żelaza na dnie zewnętrznego rdzenia nie spowoduje jego wyporu—po prostu rozproszy ciepło do otoczenia” – mówi O ’ Rourke.
„Dave miał pomysł na Dynamo Zasilane magnezem przez jakiś czas, ale w jądrze Ziemi nie miało być magnezu”, mówi O ’ Rourke. „Obecnie modele powstawania planet we wczesnym Układzie Słonecznym pokazują, że ziemia była często zderzana z gigantycznymi ciałami planetarnymi. Gdyby doszło do tych gwałtownych, energetycznych zdarzeń, Ziemia doświadczyłaby znacznie wyższych temperatur podczas swojego formowania, niż wcześniej sądzono—temperatur, które byłyby wystarczająco wysokie, aby umożliwić zmieszanie się magnezu z ciekłym metalicznym żelazem.”
modele te umożliwiły realizację idei, że dynamo może być zasilane przez wytrącanie minerałów łożyskowych magnezu. O ’ Rourke obliczył, że ilości magnezu, które rozpuszczałyby się w jądrze podczas gorących początków Ziemi, spowodowałyby inne zmiany w składzie płaszcza, które są zgodne z innymi modelami i pomiarami. Obliczył również, że wytrącanie tych minerałów magnezu będzie miało wystarczająco dużo energii, aby zasilić dynamo przez cztery miliardy lat.
eksperymentalna weryfikacja ilości magnezu, która może dostać się do rdzenia, jest nadal niewielka, mówią O ’ Rourke i Stevenson. „Dalsze zastosowania naszego proponowanego mechanizmu obejmują Wenus-gdzie nie ma pola magnetycznego-i obfite egzoplanety, które są bardziej masywne niż Ziemia, ale mogą mieć podobny skład chemiczny”, mówi Stevenson.