Но одним лишь железом этот эффект нельзя объяснить. Группа исследователей во главе с профессором Алессандро Тоски и профессором Карстеном Хельдом (Венский университет) и профессором Джорджио Сангиованни (Вюрцбургский университет) опубликовала расчеты в журнале Nature Communications, которые показывают, что теория геодинамо имеет подлежит пересмотру.
Как оказалось, для динамо-эффекта критически важно, чтобы ядро Земли содержало до 20% никеля — металла, который в экстремальных условиях ведет себя совсем не так, как железо.Экстремальные тепло и давление
Ядро Земли примерно такое же большое, как Луна, и такое же горячее, как поверхность Солнца. Давление составляет сотни гигапаскалей — это сопоставимо с давлением, которое оказали бы несколько железнодорожных локомотивов, если бы их можно было уравновесить на одном квадратном миллиметре. «В этих экстремальных условиях поведение материалов может сильно отличаться от того, к чему мы привыкли», — говорит Карстен Хельд. «Вряд ли возможно воссоздать эти условия в лаборатории, но с помощью сложного компьютерного моделирования мы можем рассчитать поведение металлов в ядре Земли на квантовомеханическом уровне».Тепло ядра Земли должно найти способ спастись. Горячий материал поднимается к внешним слоям земного шара, создавая конвекционные токи.
В то же время вращение Земли приводит к возникновению сильных сил Кориолиса. В сочетании эти эффекты создают сложный спиральный поток горячего материала. «Когда в такой системе потоков создаются электрические токи, они могут вызвать магнитное поле, которое, в свою очередь, увеличивает электрический ток и так далее — и, наконец, магнитное поле становится настолько сильным, что мы можем измерить его на поверхности Земли, "- говорит Алессандро Тоски.
Проводя теплоОднако до сих пор никто не мог толком объяснить, как возникают эти конвекционные токи: железо является очень хорошим проводником тепла, а при высоком давлении его теплопроводность увеличивается еще больше. «Если бы ядро Земли состояло только из железа, свободные электроны в железе могли бы управлять переносом тепла самостоятельно, без необходимости в каких-либо конвекционных токах», — говорит Карстен Хельд. «Тогда у Земли вообще не было бы магнитного поля».Однако ядро нашей планеты также содержит почти 20% никеля. Долгое время этот факт не считался особо важным.
Но, как оказалось, никель играет решающую роль: «Под давлением никель ведет себя иначе, чем железо», — говорит Алессандро Тоски. «При высоком давлении электроны в никеле имеют тенденцию рассеиваться намного сильнее, чем электроны в железе. Как следствие, теплопроводность никеля и, следовательно, теплопроводность ядра Земли намного ниже, чем в ядре, состоящем из только из железа ". Из-за значительной доли никеля тепло от высокотемпературного ядра Земли не может течь к поверхности планеты только за счет движения электронов.
В результате должны возникать конвекционные токи, которые в конечном итоге создают магнитное поле Земли.Чтобы получить эти результаты, необходимо было проанализировать различные металлические структуры в крупномасштабном компьютерном моделировании и рассчитать поведение их электронов.
Многочастичные расчеты были выполнены Андреасом Хаусоэлем (Университет Вюрцбурга), некоторые из них — в Венском научном кластере (VSC). «Вместе с нашими коллегами из Вюрцбурга мы изучили не только железо и никель, но и сплавы этих двух материалов. Нам также пришлось принять во внимание недостатки и неровности, что сделало компьютерное моделирование еще более сложным», — говорит Карстен Хельд.
Эти передовые методы моделирования важны не только для лучшего понимания магнитного поля Земли, они также позволяют по-новому взглянуть на процессы электронного рассеяния в различных материалах. Алессандро Тоски убежден: «Скоро эти усовершенствования алгоритмов вычислительных материалов также приведут к захватывающим передовым приложениям в химии, биологии, промышленности и технологиях».
