Разгадка земного магнетизма? Неожиданная связь с течениями в ядре планеты

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В глубинах планет и звёзд, в бурлящих недрах, где царят невероятные давления и температуры, разворачиваются грандиозные процессы, которые учёные пытаются разгадать, используя сложные математические модели и лабораторные эксперименты. Одна из таких загадок — поведение жидкости во вращающемся теле, ограниченное так называемым цилиндром касания. Эта воображаемая поверхность, отделяющая полярные и экваториальные области, в течение многих лет представляла собой неразрешимую головоломку для геофизиков и астрофизиков.

Традиционно считалось, что вращение планеты, определяемое силой Кориолиса, строго ограничивает течение внутри цилиндра касания, делая его подобным непроницаемой преграде. Однако, новые наблюдения и моделирования показали, что это не совсем так. Потоки вещества каким-то образом проникают сквозь эту границу, игнорируя, казалось бы, фундаментальные законы физики.

Магнетизм, иллюстрация
Магнетизм, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

В недавней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные предложили новый подход к пониманию этих сложных явлений. Они показали, что ключевую роль здесь играет магнитное поле, взаимодействующее с вращающейся жидкостью. Впервые учёные смогли количественно оценить, как магнитное поле, ориентированное вдоль оси вращения, модифицирует течение жидкости, заставляя её проникать в цилиндр касания.

Эскиз строения Земли с жидким внешним и твердым внутренним ядром (справа) и «Эксперимент „Маленькая Земля“» - вращающаяся полусфера, заполненная серной кислотой, выступающий нагреватель, охлаждающий бак и регулируемая по высоте система PIV (слева).
Эскиз строения Земли с жидким внешним и твердым внутренним ядром (справа) и «Эксперимент «Маленькая Земля»» — вращающаяся полусфера, заполненная серной кислотой, выступающий нагреватель, охлаждающий бак и регулируемая по высоте система PIV (слева).
Автор: Alban Pothérat, Kélig Aujogue, and François Debray Источник: journals.aps.org

Авторы исследования создали математическую модель, описывающую взаимодействие сил Кориолиса и Лоренца (силы, действующей на движущиеся заряды в магнитном поле). Они вывели новое уравнение, названное «магнитным ограничением Тейлора-Праудмена» (М ОТП). Это уравнение демонстрирует, как при достаточно сильном магнитном поле традиционное ограничение Тейлора-Праудмена нарушается, и жидкость начинает двигаться не только вдоль, но и через цилиндр касания.

Усредненные по времени и азимуту профили радиальной (a) и азимутальной (b) скоростей в LEE, перенормированные по скорости вращения, которая в LEE измеряется точнее, чем 𝑈. На вставке показаны эскизы (a) рециркуляции одиночной клетки и (a), (b) положения плоскостей PIV.
Усредненные по времени и азимуту профили радиальной (a) и азимутальной (b) скоростей в LEE, перенормированные по скорости вращения, которая в LEE измеряется точнее, чем 𝑈. На вставке показаны эскизы (a) рециркуляции одиночной клетки и (a), (b) положения плоскостей PIV.
Автор: Alban Pothérat, Kélig Aujogue, and François Debray Источник: journals.aps.org

Для проверки своей модели учёные провели серию экспериментов на уникальной установке, названной «Малая Земля». Этот экспериментальный стенд имитирует условия, похожие на те, что царят в недрах планет. Используя специальные методы визуализации (PIV — Particle Image Velocimetry), учёные измерили скорости течения внутри цилиндра касания при разных значениях силы магнитного поля и скорости вращения. Результаты полностью подтвердили предсказания теоретической модели, показав, что магнитное поле действительно «пробивает» преграду, используя энергию своего взаимодействия с вращающейся жидкостью.

Радиальные и азимутальные скорости, усредненные по азимуту и радиусу в пределах ТК (a) усредненные по времени скорости (b) среднеквадратичные флуктуации скорости и подгонка к соответствующим масштабным соотношениям, полученным из ССПК. Полные (открытые) символы: измерения на 𝑧=𝑧bot (𝑧=𝑧top). Разные маркеры одного и того же типа соответствуют разным тепловым воздействиям, составляющим 5×10-4≤𝑅𝑜≤0,3 во всех случаях.
Радиальные и азимутальные скорости, усредненные по азимуту и радиусу в пределах ТК (a) усредненные по времени скорости (b) среднеквадратичные флуктуации скорости и подгонка к соответствующим масштабным соотношениям, полученным из ССПК. Полные (открытые) символы: измерения на 𝑧=𝑧bot (𝑧=𝑧top). Разные маркеры одного и того же типа соответствуют разным тепловым воздействиям, составляющим 5x10-4≤𝑅𝑜≤0,3 во всех случаях.
Автор: Alban Pothérat, Kélig Aujogue, and François Debray Источник: journals.aps.org

Полученные результаты имеют далеко идущие последствия для понимания процессов, происходящих внутри планет и звёзд. Они позволяют уточнить существующие модели динамо — процесса генерации магнитных полей в астрофизических объектах. Кроме того, полученные знания могут быть полезны в различных областях науки и техники, включая гидродинамику, магнитогидродинамику и технологии обработки материалов. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят более точно моделировать и предсказывать поведение жидкостей в условиях высоких давлений, температур и сильных магнитных полей, что откроет новые горизонты в науке. Загадка цилиндра касания постепенно раскрывается, и благодаря новым исследованиям наша картина внутреннего устройства планет и звёзд становится более чёткой и полной.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему формат DAT не стал массовым, хотя звучал идеально

В 1987 году Sony представила компактный цифровой формат записи звука на магнитную ленту Digital Audio Tape. Кассета размером примерно вдвое меньше обычной компакт-кассеты (около 73 x 54 x 10,5 мм)...

Мультиметр для автодиагностики FNIRSI TMP-610S: обзор осциллографа, цифрового генератора и тестера сигналов в одном корпусе

В одном корпусе осциллограф, цифровой генератор и тестер сигналов — такое устройство позволяет не только видеть статические значения амплитуды, но и анализировать форму сигналов,...

Обзор и тест мини-ПК Ninkear L20: Core Ultra 5 226V, Intel Arc 130V и локальный ИИ

Когда-то компактный компьютер приходилось выбирать по принципу «лишь бы хватило мощности для браузера и документов». Сейчас ситуация изменилась. В корпусе объёмом меньше литра уже можно...

Эта птица глотает кости целиком: как бородач умудряется их переваривать

Когда от погибшего животного остаются почти одни кости, для большинства падальщиков еда уже закончилась. Но бородач всё ещё может здесь пообедать. Эта крупная горная птица подбирает кости и глотает...

Зачем NASA отправило на орбиту серебристый шар размером с дом

В начале 1960-х спутниковая связь ещё была экспериментом. Инженерам предстояло выяснить, можно ли передавать через космос обычный телефонный разговор и какое оборудование для этого...

Зачем крекеру дырки: история и немного морской романтики

Крекеры — это лаконичный, но невероятно практичный продукт, который давно занял своё место в рационе многих людей. Их ценят за нейтральный вкус и приятную текстуру: они отлично оттеняют...