7 Minutės
Senovinis geodinamas: problema ir naujas sprendimas
Žemės magnetinis laukas yra gyvybiškai svarbi skydas, sauganti atmosferą ir paviršiaus gyvybę nuo aukštos energijos krūvinių dalelių bei kosminės radiacijos. Dabartinis supratimas priskiria šį apsauginį lauką geodinamui, veikiančiam planetos skystajame išoriniame branduolyje: elektros laidūs geležies–nikelio lydiniai perduoda energiją per konvekcinius srautus, kurie kartu su rotacija generuoja elektrinius srautus ir palaiko magnetinį lauką. Visgi ilgus metus egzistavo paradoksas. Modeliai, paaiškinantys dabartinį geodinamą, iš dalies remiasi energetika, susijusia su vidinio kieto branduolio kristalizacija — procesu, manytu prasidėjusiu maždaug prieš vieną milijardą metų. Prieš tai laiką manyta, kad branduolys buvo visiškai skystas, tad kyla esminis klausimas: ar vien skystasis branduolys galėjo ilgai palaikyti stabilų ir stiprų magnetinį lauką?
Šis klausimas nėra vien akademinis — magnetosfera nulemia, kaip planeta išlaiko atmosferą ir kokios radiacijos sąlygos vyrauja paviršiuje, todėl ji tiesiogiai susijusi su ankstyvosios gyvybės atsiradimu ir išlikimu. Be to, supratimas apie geodinamą formuoja modelius apie Žemės terminę evoliuciją, branduolio aušinimo greičius, lengvųjų elementų išsiskyrimą ir bendrą planetos dinamiką. Paleomagnetiniai įrašai rodo, kad senovėje Žemėje egzistavo magnetinis laukas, tačiau teoriniai energetiniai apribojimai anksčiau nelabai dera su tokiu stebėjimu — būtent šią spragą siekė užpildyti naujesni tyrimai.
Modeliavimas skystojo branduolio sąlygomis: metodika ir techniniai pažangumai
Tiesiogiai stebėti geofizikinius procesus Žemės giliuosiuose sluoksniuose yra neįmanoma, todėl aukštos kokybės skaitmeniniai modeliai yra būtini. ETH Ciuricho ir Pietų mokslo bei technologijų universiteto (SUSTech) mokslininkų komanda sukūrė skaitmeninį modelį, leidžiantį ištirti fizinę sritį, kurioje efektyvus branduolio klampumas yra praktiškai nereikšmingas geodynamo procesams. Ankstesniuose modeliuose dažnai naudotas dirbtinai didesnis klampumas dėl skaitinio stabilumo — tai gali iškreipti konvekcinių srovių geometriją ir magnetinio lauko elgseną. Šioje studijoje tyrėjai žengė žingsnį arčiau Žemės panašių parametrų, sumažindami klampumo įtaką ir taip atkurdami dinaminį mechanizmą visiškai skystame branduolyje.
Techniniai patobulinimai apėmė parametrų erdvės išplėtimą ir aukštesnę erdvinę bei laikinę skiriamąją gebą, kad būtų galima užfiksuoti turbulentiškas, trimačias sroves ir magnetinę indukciją per plačią ilgio bei laiko skalę. Modelis sprendė pilną magnetohidrodinamikos lygčių sistemą, įskaitant navier–stokes'o tipus dinaminius komponentus, indukcijos lygtį ir energijos balanso sąlygas, kartu atsižvelgiant į terminį ir cheminį tvarumą. Svarbu paminėti, kad vienas iš sunkiausių iššūkių buvo pasiekti labai mažus Ekmano ir Prando skaičius atitinkančius regionus bei tinkamai imituoti magnetinio Reboulto skaičiaus reikšmes, kurios lemia magnetinio lauko regeneraciją ir stabilumą.
Dalis skaičiavimų buvo vykdyta Piz Daint superkompiuteryje — Šveicarijos nacionalinio superkompiuterio (CSCS) flagmane, įsikūrusiame Lugano. Kompiuterinis darbas reikalavo aukšto našumo, kad būtų užfiksuoti smulkiausios turbulentinės struktūros ir jų sąveikos su magnetiniu lauku, kurios gali apimti kelias erdvines ir laiko skalės. „Iki šiol niekam nebuvo pavykę atlikti tokių skaičiavimų, palaikant tikrai artimas fizines sąlygas,“ teigė pagrindinis autorius Yufeng Lin, pabrėždamas pasiekimo reikšmę pereinant į žemos klampumo režimą modelyje. Bendraautorius Andy Jackson iš ETH Ciuricho pridūrė, kad gauti rezultatai leidžia patikimiau interpretuoti geologinius magnetinius įrašus ir mažina ankstesnių skaitinių modelių neapibrėžtumus.
Pagrindiniai rezultatai ir mokslinės implikacijos
Simuliacijos parodė, kad esant tinkamoms terminėms ir cheminėms plūdinėms sąlygoms, konvekciniai judesiai visiškai skystame branduolyje gali savaime susiorganizuoti į varžtą primenančius, stulpelius formuojančius srautus, kurie yra žinomi kaip efektyvios dinamos šaltinis. Kitaip tariant, geodynamui veikti nebūtina vidinio kieto branduolio augimo energija; ankstyvą Žemę galėjo užtikrinti vien terminė konvekcija kartu su cheminiu heterogeniškumu, pavyzdžiui, skirtingu lengvųjų elementų pasiskirstymu branduolyje. Tai sprendžia esminį nesuderinamumą tarp dinamos teorijos ir paleomagnetinių duomenų, rodančių senovinį ir pastovų magnetinį lauką.
Techniniu požiūriu modeliuose pastebėta, kad stulpelinės srovės — kartais vadinamos Taylorio kolonais — gali išlaikyti didelio masto dipolinius magnetinius polius netgi esant intensyviai mažuomeninei turbulencijai. Šios srovės generuoja pakankamą helicity, reikalingą alfa–efektui, ir kartu su diferencialine rotacija sudaro palankias sąlygas omega–efektui, kuriuos tradiciškai laikome svarbiais dinamos mechanizmo komponentais. Modeliai taip pat leido įvertinti, kaip cheminės heterogenybės (pavyzdžiui, lengvųjų elementų — sieros, deguonies, silicio ar vandenilio — kiekiai) veikia konvekciją ir magnetinio lauko stabilumą.
Šie rezultatai turi plačių pasekmių. Ankstyvo magnetinio skydas būtų sumažinęs atmosferos eroziją ir žemėjančią radiacijos ekspoziciją paviršiuje, tokiu būdu pagerindamas sąlygas ankstyvajai gyvybei atsirasti ir išlikti. Tai reiškia, kad sąlygos, palankios prebiotinėms cheminėms reakcijoms ir pirmykštei biosintezei, galėjo išlikti ilgiau nei manyta anksčiau. Be to, modeliai suteikia naujus apribojimus branduolio aušinimo greičiams ir cheminiam sudėties modeliui, kurie savo ruožtu įtakoja platesnius planetos evoliucijos modelius — nuo mantijos perkaitimo iki litosferos dinaminių procesų.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Maya Rinaldi, planetų fizikė, nebuvo susijusi su šiuo tyrimu ir komentavo: „Šis darbas yra didelis žingsnis link numerinės geodinamikos suartinimo su geologiniu įrašu. Parodžius gyvybingą dinamą visiškai skystame branduolyje, perrašomi mūsų laikotarpiai terminės evoliucijos srityje ir tai padeda paaiškinti, kaip ankstyvosios gyvenimo sąlygos Žemėje galėjo būti palaikytos.“ Jos pastabos pabrėžia, kaip superkompiuterių pažanga ir modeliavimo realistiškumas transformuoja mūsų supratimą apie planetų magnetines istorijas ir didina pasitikėjimą paleomagnetiniais interpretacijomis.
Specialistų bendruomenėje ši studija pritraukia dėmesį, nes ji ne tik įrodo teorinį galimumą, bet ir pateikia praktinius parametrus, kuriuos ateities paleomagnetiniai tyrimai gali patikrinti. Pvz., nustatyti įrašų stiprumo ir struktūros variacijas pagal amžių gali padėti patvirtinti, ar magneto laukas iš tikrųjų turėjo dipolinį charakterį, kokia buvo lauko intensyvumo variacija ir ar lauko stabilumas koreliuoja su numatomais branduolio aušinimo tempais.
Reikšmė kitoms planetoms ir moderniai technologijai
Tyrimo metodika ir išvados turi praplečiamą pritaikymą už Žemės ribų. Tas pats modeliavimo pagrindas gali būti adaptuotas tirti kitų dangaus kūnų magnetinius laukus — nuo dujinių milžinų su giliai esančiomis laidžiomis sluoksnėmis iki akmeninių planetų su skirtinga terminės istorijos trajektorija. Pavyzdžiui, Marsas prarado savo ilgalaikį magnetinį lauką ir greičiausiai patyrė didelę atmosferos eroziją; nauji modeliai, atsižvelgiantys į skystojo branduolio galimybę palaikyti dinamos veiklą, gali padėti atsekti, kada ir kodėl tokia juosta nutrūko. Merkurijus, turintis paslaptingą ir silpną lauką, taip pat gali būti peržiūrėtas naudojant panašius parametrų rinkinius.
Praktiniu požiūriu Žemės magnetosfera remiasi kasdienine palydovų ryšio kokybe, navigacijos sistemų tikslumu ir plataus masto elektros tinklų apsauga nuo saulės audrų sukeltų indukuotų srovių. Todėl geresni geodynaminiai modeliai, leidžiantys tiksliau prognozuoti lauko evoliuciją, poliariteto inversijas ir perėjimus į silpnesnes fazes, yra svarbūs ne tik mokslui, bet ir technologinei infrastruktūrai. Pavyzdžiui, numatymas, kada laukas bus labiau linkęs prie nuolatinio įsivystymo arba greitų inversijų, leidžia geriau pasiruošti palydovų operatoriams, energetikos sektoriui ir aviacijos pramonei.
Išvados
Parodę, kad visiškai skystas branduolys, modeliuojamas artimomis Žemės fizinėmis sąlygomis, gali sugeneruoti stabilų geodinamą, ETH Ciuricho ir SUSTech tyrėjai uždarė svarbią spragą mūsų supratime apie Žemės gilųjį praeitį. Šios simuliacijos sustiprina idėją, jog apsauginis magnetinis laukas egzistavo gerokai anksčiau nei prasidėjo vidinio branduolio kristalizacija, o tai turi reikšmingų pasekmių ankstyvajai gyvybei, planetinei evoliucijai ir mūsų gebėjimui interpretuoti akmenyse įrašytus magnetinius signalus. Ateities darbai toliau tobulins šiuos modelius: bus atliekami platesni parametrų tyrimai, ilgesni laiko intervalai ir dar glaudesnis ryšys su paleomagnetiniais duomenimis, taip pat tokie metodai bus pritaikyti kitiems planetų tipams bei net žvaigždžių magnetiniams dinamikos procesams, leidžiant sudaryti platesnį vaizdą, kaip magnetiniai dinamos veikia mūsų Saulės sistemoje ir už jos ribų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą