Достаточно простого компаса, чтобы продемонстрировать, что у Земли есть магнитное поле, но довольно сложно объяснить, как именно оно создается. Вне всякого сомнения, большую роль играет горячее ядро нашей планеты, состоящее в основном из железа. В сочетании с вращением Земли это создает мощный «динамо-эффект», создающий магнитное поле.
Но одним только железом этот эффект нельзя объяснить. Группа исследователей во главе с профессором Алессандро Тоски и профессором Карстеном Хелдом (Технический университет Вены) и профессором Джорджио Санджованни (Вюрцбургский университет) опубликовала в журнале Nature Communications расчеты, которые показывают, что теория геодинамо быть пересмотрен. Оказывается, для динамо-эффекта принципиально важно, чтобы ядро Земли содержало до 20% никеля - металла, который в экстремальных условиях ведет себя совершенно иначе, чем железо.
Экстремальная жара и давление
Ядро Земли примерно такое же большое, как Луна, и такое же горячее, как поверхность Солнца. Существует давление в сотни гигапаскалей - это сравнимо с давлением, которое оказали бы несколько железнодорожных локомотивов, если бы их можно было уравновесить на одном квадратном миллиметре. «В этих экстремальных условиях материалы могут вести себя совсем не так, как 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 квантово-механическом уровне».
Тепло ядра Земли должно найти способ убежать. Горячий материал поднимается к внешним слоям земного шара, создавая конвекционные потоки. В то же время вращение Земли приводит к сильным силам Кориолиса. В сочетании эти эффекты создают сложный спиралевидный поток горячего материала. «Когда в такой системе потоков создаются электрические токи, они могут вызывать 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.
Проводящее тепло
До сих пор, однако, никто толком не мог объяснить, как вообще возникают эти конвекционные токи: железо - очень хороший проводник тепла, и при высоком давлении его теплопроводность еще более возрастает.«Если бы ядро Земли состояло только из железа, свободные электроны в железе могли бы справиться с переносом тепла сами по себе, без необходимости в каких-либо конвекционных потоках», - говорит Карстен Хельд. «Тогда у Земли вообще не было бы магнитного поля».
Однако ядро нашей планеты также содержит почти 20% никеля. Долгое время этому факту не придавалось особого значения. Но, как оказалось, никель играет решающую роль: «Под давлением никель ведет себя не так, как железо», - говорит Алессандро Тоски. «При высоком давлении электроны в никеле имеют тенденцию рассеиваться гораздо больше, чем электроны в железе. Как следствие, теплопроводность никеля и, следовательно, теплопроводность ядра Земли намного ниже, чем было бы в ядре, состоящем из только из железа». Из-за значительной доли никеля тепло высокотемпературного земного ядра не может течь к поверхности планеты только за счет движения электронов. В результате должны возникнуть конвекционные потоки, которые в конечном итоге создают магнитное поле Земли.
Чтобы получить эти результаты, необходимо было проанализировать различные металлические структуры с помощью крупномасштабного компьютерного моделирования и рассчитать поведение их электронов. Многочастичные расчеты были выполнены Андреасом Хаузоэлем (Университет Вюрцбурга), некоторые из них в Венском научном кластере (VSC). «Вместе с нашими коллегами из Вюрцбурга мы рассмотрели не только железо и никель, но и сплавы этих двух материалов. Нам также пришлось учитывать несовершенства и неровности, что усложняло компьютерное моделирование», говорит Карстен Хелд.
Эти передовые методы моделирования важны не только для лучшего понимания магнитного поля Земли, они также дают новое представление о процессах рассеяния электронов в различных материалах. Алессандро Тоски убежден: «Вскоре эти улучшения вычислительных алгоритмов материалов также приведут к захватывающим передовым приложениям в химии, биологии, промышленности и технологиях."