Геомагнитогидродинамоэлектрогенератор
На рисунке вы видите фатальное столкновение разноцветных веников силовые линии магнитного поля ядра Земли в момент смены полюсов.
Геологи изучают, каким было магнитное поле Земли в древности, измеряя остаточную намагниченность застывшей лавы. Когда лава жидкая, частички магнитного материала, словно маленькие компасы, ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли; когда лава затвердевает, она сохраняет эту намагниченность, «запечатлевая» историческую величину и направление магнитного поля. Измеряя намагниченность пород, можно узнать, каким было магнитное поле Земли в разные геологические периоды.
Оказывается, что поле Земли не только менялось по своей силе, но и меняло направление. Древние камни, намагниченные «не в ту сторону», были найдены еще в начале XX века. Земной магнетизм тогда был мало понятен, и теоретики пытались объяснить аномальную намагниченность камня его перемагничиванием в момент застывания - такой эффект перемагничивания при фазовом переходе известен - либо при большом механическом напряжении, давлении соседних пород. Однако, количественные предсказания этих моделей оказываются далеки от реальных измерений.
Только когда внутренне устройство Земли было понято, возникла теория геогидромагнитного динамо. Внутреннее ядро Земли состоит из затвердевшего под гигантским давлением сплава железа и никеля. Оно окружено внешним, жидким ядром из тех же металлов, но уже расплавленных. В жидком слое ядра происходят конвекционные течения, поддерживаемые энергией конденсации этого слоя на границе с внутренним твердым ядром. Эти конвекционные потоки закручиваются силами Кориолиса в спиральные структуры. Создайте магнитное поле, даже самой малой напряженности, и получите генератор электрического тока. Электрический ток усилит магнитное поле, а это поле еще усилит ток… Такая положительная обратная связь вызывает самовозбуждение динамо, и электрические токи в ядре Земли начинают вырабатывать самоподдерживающееся магнитное поле.
Такой же механизм образования магнитного поля есть и у Солнца. Такой же, если смотреть качественно - да не такой. Солнце меняет полярность своего поля будто по расписанию, раз в 11 лет, происходит это на пике солнечной активности, и при этом поле усиливается в несколько раз. А Земля меняет направление поля совершенно нерегулярно - иногда поле инвертировалось много раз за миллион лет, а иногда не меняло направления в течение 50 миллионов. Кроме того, в процессе смены полярности (а это тоже «запротоколировано» в застывших каменных породах) поле планеты не усиливается, а, наоборот, ослабевает, причем в десятки и даже сотни раз!
Динамические процессы в текущей жидкости невероятно сложны, и даже теории, количественно описывающей турбулентные течения, нет: турбулентность - одно из физических явлений, где мы можем наблюдать хаос в действии. Такие явления мы можем пока только моделировать численно.
Физическую модель магнитогидродинамического генератора в ядре Земли разработали геофизики Г. Глатцмайер из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и П. Робертс из университета Калифорнии[1] в 1995 г. Рассчитывали они эту модель на суперкомпьютерах в течение целого года. В начале работы они еще не знали, как поведет себя вычислительная модель - но через 36 тысяч модельных лет после запуска поле инвертировалось! С этого момента счет продолжали по двум ветвям: в одной сохранили неравномерный теплообмен ядра и прилегающей мантии, а в другом убрали эту асимметрию. В первой ветви поле еще несколько раз меняло направление, а во второй, как Глатцмаейр и предполагал, осталось стабильным. Маленькие «шероховатости» на границе ядра и мантии как будто «раскачивают» хаотическую систему, в какой-то момент она подхватывает эти малые колебания положительной обратной связью - и ядро становится многополюсным магнитом, полюса «бродят» по всей его поверхности, и, в конце концов, «успокаиваются», собравшись опять вблизи геометрических полюсов - иногда при том же направлении магнитного поля, а иногда и поменявшись местами. Смотрите сами:
http://www.youtube.com/watch?v=SJDcyyY01p4
Количественные предсказания модели неплохо согласуются с наблюдениями². Интересно, что модель Г.-Р. предсказывает, что ядро земли - еще и электромотор: оно вращается относительно коры! Это предсказание было подтверждено другими наблюдениями, хотя скорость вращения, предсказанная моделью (2-3 градуса в год, т. е. один оборот в 120-180 лет) оказалась в несколько раз выше наблюдаемой.
___________________________________________
1. G. A. Glatzmaier and P. H. Roberts, A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal, Nature, 377, 203-209 (1995).
2. По состоянию на 1996 год. Если знаете о существенных расхождениях, выявленных с тех пор, то расскажите обязательно!
Геологи изучают, каким было магнитное поле Земли в древности, измеряя остаточную намагниченность застывшей лавы. Когда лава жидкая, частички магнитного материала, словно маленькие компасы, ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли; когда лава затвердевает, она сохраняет эту намагниченность, «запечатлевая» историческую величину и направление магнитного поля. Измеряя намагниченность пород, можно узнать, каким было магнитное поле Земли в разные геологические периоды.
Оказывается, что поле Земли не только менялось по своей силе, но и меняло направление. Древние камни, намагниченные «не в ту сторону», были найдены еще в начале XX века. Земной магнетизм тогда был мало понятен, и теоретики пытались объяснить аномальную намагниченность камня его перемагничиванием в момент застывания - такой эффект перемагничивания при фазовом переходе известен - либо при большом механическом напряжении, давлении соседних пород. Однако, количественные предсказания этих моделей оказываются далеки от реальных измерений.
Только когда внутренне устройство Земли было понято, возникла теория геогидромагнитного динамо. Внутреннее ядро Земли состоит из затвердевшего под гигантским давлением сплава железа и никеля. Оно окружено внешним, жидким ядром из тех же металлов, но уже расплавленных. В жидком слое ядра происходят конвекционные течения, поддерживаемые энергией конденсации этого слоя на границе с внутренним твердым ядром. Эти конвекционные потоки закручиваются силами Кориолиса в спиральные структуры. Создайте магнитное поле, даже самой малой напряженности, и получите генератор электрического тока. Электрический ток усилит магнитное поле, а это поле еще усилит ток… Такая положительная обратная связь вызывает самовозбуждение динамо, и электрические токи в ядре Земли начинают вырабатывать самоподдерживающееся магнитное поле.
Такой же механизм образования магнитного поля есть и у Солнца. Такой же, если смотреть качественно - да не такой. Солнце меняет полярность своего поля будто по расписанию, раз в 11 лет, происходит это на пике солнечной активности, и при этом поле усиливается в несколько раз. А Земля меняет направление поля совершенно нерегулярно - иногда поле инвертировалось много раз за миллион лет, а иногда не меняло направления в течение 50 миллионов. Кроме того, в процессе смены полярности (а это тоже «запротоколировано» в застывших каменных породах) поле планеты не усиливается, а, наоборот, ослабевает, причем в десятки и даже сотни раз!
Динамические процессы в текущей жидкости невероятно сложны, и даже теории, количественно описывающей турбулентные течения, нет: турбулентность - одно из физических явлений, где мы можем наблюдать хаос в действии. Такие явления мы можем пока только моделировать численно.
Физическую модель магнитогидродинамического генератора в ядре Земли разработали геофизики Г. Глатцмайер из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и П. Робертс из университета Калифорнии[1] в 1995 г. Рассчитывали они эту модель на суперкомпьютерах в течение целого года. В начале работы они еще не знали, как поведет себя вычислительная модель - но через 36 тысяч модельных лет после запуска поле инвертировалось! С этого момента счет продолжали по двум ветвям: в одной сохранили неравномерный теплообмен ядра и прилегающей мантии, а в другом убрали эту асимметрию. В первой ветви поле еще несколько раз меняло направление, а во второй, как Глатцмаейр и предполагал, осталось стабильным. Маленькие «шероховатости» на границе ядра и мантии как будто «раскачивают» хаотическую систему, в какой-то момент она подхватывает эти малые колебания положительной обратной связью - и ядро становится многополюсным магнитом, полюса «бродят» по всей его поверхности, и, в конце концов, «успокаиваются», собравшись опять вблизи геометрических полюсов - иногда при том же направлении магнитного поля, а иногда и поменявшись местами. Смотрите сами:
Click to viewhttp://www.youtube.com/watch?v=SJDcyyY01p4
Количественные предсказания модели неплохо согласуются с наблюдениями². Интересно, что модель Г.-Р. предсказывает, что ядро земли - еще и электромотор: оно вращается относительно коры! Это предсказание было подтверждено другими наблюдениями, хотя скорость вращения, предсказанная моделью (2-3 градуса в год, т. е. один оборот в 120-180 лет) оказалась в несколько раз выше наблюдаемой.
___________________________________________
1. G. A. Glatzmaier and P. H. Roberts, A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal, Nature, 377, 203-209 (1995).
2. По состоянию на 1996 год. Если знаете о существенных расхождениях, выявленных с тех пор, то расскажите обязательно!