Come i geofisici hanno costruito un modello in scala del nucleo terrestre con acido solforico

Uno dei grandi enigmi della geofisica è come la Terra genera e mantiene il suo campo magnetico. Il pensiero generale è che quando il materiale conduttore nel nucleo esterno della Terra si muove a causa della convezione, genera correnti elettriche e queste creano un campo magnetico.

Ma questo campo è influenzato anche dalla rotazione terrestre, e questo influenza le correnti di convezione dei materiali elettricamente conduttori nel nucleo. Il risultato è un potente processo di feedback che porta a comportamenti estremamente complessi.

Per comprendere meglio questi processi, i fisici hanno costruito modelli fisici sempre più complessi del nucleo terrestre per esplorare questa domanda. La maggior parte degli esperimenti simula il nucleo conduttivo utilizzando metalli liquidi che ruotano su un piano in un campo magnetico esterno.

Ma questi esperimenti hanno un limite significativo. Il metallo liquido è opaco, quindi non è possibile vedere come si evolvono le correnti di convezione al loro interno, in particolare quando il movimento è solitamente in piano. Né le simulazioni al computer sono di grande aiuto: la fisica è così complessa e gli effetti di feedback così forti che anche le migliori simulazioni non possono risolvere l'equazione risultante al livello di dettaglio richiesto.

Il risultato è che né i modelli fisici né le simulazioni al computer sono stati in grado di riprodurre il comportamento osservato del campo terrestre.

Ciò che serve è un modello diverso che possa catturare meglio i complessi processi al lavoro e che sia preferibile che possa rivelare il modo in cui le correnti di convezione si formano e si evolvono.

Oggi, Kelig Aujogue della Coventry University nel Regno Unito e alcuni amici svelano un modello sperimentale basato su un emisfero rotante riempito con un elettrolita trasparente che fa questo. E dicono che il loro modello rivela per la prima volta come il campo magnetico cambia drasticamente la struttura dei pennacchi convettivi all'interno della Terra.

Prima un po' di background sulle forze al lavoro nel centro della Terra. I fenomeni principali sono: galleggiabilità, che guida il movimento fluido; la forza di Coriolis dalla rotazione terrestre; e la forza magnetica che nasce dall'interazione tra correnti elettriche indotte e campi magnetici.

I geofisici caratterizzano il modo in cui queste forze interagiscono usando una quantità nota come numero di Ekman, il rapporto tra le forze viscose in un fluido e le forze che derivano dalla rotazione planetaria. Quando il numero di Ekman è piccolo, i disturbi all'interno del fluido sono in grado di propagarsi, ma questo processo di propagazione è estremamente complesso.

Il numero di Ekman nel nucleo terrestre è minuscolo, circa 10-15. I migliori modelli al computer possono simulare numeri di Ekman nella regione di 10-5, ma anche questi risultati non sono mai stati calibrati rispetto a risultati sperimentali utilizzando metalli liquidi perché il flusso non può essere visto in queste configurazioni.

Entra Aujogue e co. Il loro apparato è costituito da una cupola emisferica di vetro riempita di acido solforico, riscaldata al centro da un elemento riscaldante cilindrico e raffreddata all'esterno.

Sebbene l'acido solforico sia un conduttore ragionevole, è di circa quattro ordini di grandezza meno buono dei metalli liquidi. Il team compensa posizionando l'intero apparato in un campo magnetico estremamente potente fino a 10 Tesla, che è 100 volte superiore a quello possibile con gli elettromagneti convenzionali.

C'è solo un posto sul pianeta in grado di produrre campi magnetici di questa forza, il Grenoble High Magnetic Field Laboratory in Francia, dove il team ha installato la sua attrezzatura.

L'intera configurazione deve essere ruotata all'interno di questo campo. Ciò significa che tutti i componenti devono essere realizzati con materiali non magnetici per evitare le correnti indotte che ciò creerebbe.

Anche la gestione dell'acido solforico non è una passeggiata. I componenti devono essere chimicamente resistenti e l'esperimento accuratamente progettato per garantire la sicurezza degli scienziati coinvolti. L'apparato deve anche essere progettato in modo che i dati degli esperimenti possano essere facilmente raccolti.

Per visualizzare il flusso all'interno del nucleo, il team utilizza una tecnica chiamata velocimetria dell'immagine delle particelle. Ciò comporta l'accensione di un laser nel fluido e la registrazione di come si riflette su piccole particelle o bolle al suo interno. Tracciando il loro movimento, è possibile creare un'immagine 3D dettagliata del flusso.

Questi sono un insieme impegnativo di vincoli. Tuttavia, il risultato è impressionante. Per la prima volta, le forze [di principio] possono essere prodotte e controllate con precisione in un flusso che può anche essere completamente mappato mediante tecniche di visualizzazione ottica, affermano Aujogue e co.

E i risultati sono una sorta di sorpresa. Il campo magnetico ha un effetto spettacolare sulla struttura dei pennacchi convettivi, afferma il team.

Questo non si applica solo alla Terra, ma a qualsiasi pianeta o luna con un campo magnetico e un nucleo liquido, come Mercurio o Ganimede.

E c'è molto spazio per il lavoro futuro. Il team afferma che è possibile variare facilmente le dimensioni del nucleo e la differenza di temperatura che crea in modo da poter studiare regimi diversi.

Naturalmente, è necessario fare più lavoro per vedere quanto da vicino questi risultati riflettano ciò che sta accadendo all'interno della Terra. Ma questo è un passo affascinante lungo la strada verso modelli ancora migliori che descrivono completamente lo strano campo magnetico terrestre.

Rif: arxiv.org/abs/1606.01780 : Little Earth Experiment: uno strumento per modellare i nuclei planetari

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