Gibt es eine Möglichkeit, wie Menschen beeinflussen können, ob/wann ein magnetischer Polwechsel stattfindet?

Ich werde argumentieren, dass dies nicht möglich ist – nicht innerhalb des nächsten Jahrhunderts und möglicherweise niemals, es sei denn, wir sind bereit, die Bewohnbarkeit zu opfern.

Ich bin ein wenig skeptisch, was die Aussicht anbelangt, durch Anlegen eines externen Magnetfelds eine Umkehrung zu erreichen. Es gibt starke Hinweise darauf, dass der Mantel ähnlich wie ein Halbleiter wirken kann, was bedeutet, dass Änderungen auf Zeitskalen von Monaten bis Jahren erheblich abgeschirmt werden ( Currie 1967 ). Anders ausgedrückt, um den Kern in irgendeiner Weise über ein Magnetfeld zu beeinflussen, müssten Sie wahrscheinlich ein starkes externes Feld für etwa Jahrzehnte aufrechterhalten, was äußerst schwierig wäre. die benötigte Energie wäre nicht gering. Wenn Sie in der Lage sind, das zu überwinden, dann großartig, aber es scheint eine große Herausforderung zu sein, wenn wir uns auf die Technologie des nächsten Jahrhunderts beschränken.

(Denken Sie daran, dass wir es mit Strömungen in der Größenordnung von zu tun haben$I\sim10^8$Ampere , was etwa vier Größenordnungen höher ist als der Strom bei einem Blitzeinschlag . Angesichts der Größe des Erdkerns ist die Stromdichte nicht enorm, aber ich möchte darauf hinweisen, dass wir hier wirklich mit dem Feuer spielen.)

Es gab Behauptungen, dass andere Phänomene in der Vergangenheit geomagnetische Umkehrungen verursacht haben , und diese Mechanismen könnten eine Untersuchung wert sein. Angesichts der Tatsache, dass die Strömung im Kern chaotisch ist , ist es möglich, dass relativ kleine Störungen der Strömung, beispielsweise durch aus dem Mantel herabragende Schwaden, eine Umkehrung bewirken könnten. Die Frage ist also, wie wir das erreichen könnten. Es ist verlockend, einen Aufprall oder etwas Ähnliches vorzuschlagen ( Muller & Morris 1986 ), obwohl der erforderliche Aufprall für den Menschen absolut verheerend wäre, also wäre es vielleicht am besten, diesen zu vermeiden. Der Versuch, die Plattentektonik zu modifizieren, um die Subduktion zu beeinflussen, scheint ebenfalls in die Kategorie der „Bitte tu das nicht“-Ereignisse zu fallen.

Eine abschließende Anmerkung: Wir haben weder ein großes Verständnis für geomagnetische Umkehrungen, noch haben wir ein phänomenales Bild der Details der Dynamoprozesse, die im Kern am Werk sind. Das ist zum Teil der Grund, warum ich der Aussicht, die äußerst komplizierten Prozesse im Zentrum des Planeten erfolgreich zu beeinflussen, so vorsichtig gegenüberstehe.

Das Magnetfeld der Erde wird durch einen elektrischen, sich selbst erhaltenden Strom im geschmolzenen Erdkern (Dynamo) verursacht. Wenn Sie ein riesiges Magnetfeld an den kreisförmigen Strom anlegen (an die Oberfläche, die er umschließt), kehrt sich der Strom als Reaktion auf das Magnetfeld um, das Sie im Inneren erscheinen lassen. Das Feld muss in der gleichen Richtung wie das Magnetfeld innerhalb der Erde erhöht werden. Der Strom reagiert auf den zunehmenden magnetischen Fluss, indem er seine Stärke verringert und sich sogar umkehrt, wenn das Feld weiter erhöht wird. Das strombedingte Feld ist dann seiner früheren Richtung entgegengesetzt. Dann müssen Sie das Außenfeld langsam umkehren (viel langsamer als die anfängliche Erhöhung). Dadurch bleibt das strombedingte Feld unverändert (Hysterese). Sie haben also ein umgedrehtes, vom Menschen verursachtes Magnetfeld.

Ich kann mir mehrere Möglichkeiten vorstellen, die im nächsten Jahrhundert machbar werden könnten.

Abwurf eines Kernreaktors in den Erdkern. Ein großer, sehr heißer Kernreaktor könnte sich möglicherweise seinen Weg durch die Kruste und den Mantel bis hinunter zum Kern schmelzen. Der Reaktor könnte so konstruiert werden, dass er auf ein bestimmtes Ziel im äußeren Kern abzielt, das auf der Grundlage geeigneter Messungen und Modellierung ausgewählt würde. Bei der Ankunft würde es seine Ausgangsleistung dramatisch erhöhen. Die Hitze würde den Dynamo stören, der das Magnetfeld der Erde antreibt, und eine geomagnetische Umkehrung verursachen.

Wie viel Kernbrennstoff wäre erforderlich? Als Größenordnungsschätzung könnten wir vermuten, dass der Reaktor etwa 50 TW (den ungefähren Gesamtwärmefluss vom Erdinneren zur Oberfläche) für ein Jahrzehnt produzieren müsste, um eine signifikante Wirkung zu erzielen. Dazu müsste es brennen

von Kraftstoff. Die Welt produziert derzeit etwa 60.000 Tonnen Natururan pro Jahr. Obwohl nur etwa 0,7 % dieses Urans das spaltbare Isotop Uran-235 ist, könnte ein gut konzipierter schneller Brüter (das meiste) des verbleibenden Uran-238 in spaltbares Plutonium-239 umwandeln und es dann verbrennen. Dies scheint also schwierig, aber möglicherweise machbar, insbesondere wenn wir einige technologische Fortschritte im nächsten Jahrhundert annehmen.

Bau eines sehr großen supraleitenden Magneten. Eine Schleife aus supraleitendem Draht, die den gesamten Planeten umgibt, könnte ein Magnetfeld erzeugen, das stark genug ist, um dem natürlichen Feld des Kerns direkt entgegenzuwirken.

Wie viel supraleitenden Draht bräuchten wir? Angenommen, wir müssen in der Mitte der Stromschleife ein Feld von 1 Gauß erzeugen. Das ist etwa die doppelte Stärke des natürlichen Magnetfelds des Planeten, also sollte es ausreichen, um die Richtung des Felds umzukehren. Der benötigte Strom wäre ca

Angenommen, wir bauen den Magneten aus Magnesiumdiborid, einem recht leistungsstarken Supraleiter, der aus allgemein verfügbaren Elementen hergestellt werden kann. Nehmen wir eine Stromdichte von an$500 \text{ kA/cm}^2$, was die gemeldete kritische Stromdichte für eine Probe von hochwertigem Magnesiumdiborid in großen Mengen ist, müsste der Draht eine Querschnittsfläche von haben$0.2 \text{ m}^2$. Da die Dichte von Magnesiumdiborid ca$2.6 \text{ g/cm}^3$, wäre die benötigte Gesamtmasse des Supraleiters ungefähr

Derzeit werden weltweit jährlich rund eine Million Tonnen Magnesium und einige Millionen Tonnen Borate produziert. All dieses Rohmaterial in supraleitendes Magnesiumdiborid umzuwandeln und ein geeignetes Kühlsystem zu bauen, wäre schwierig und sehr teuer. Aber wenn wir es wirklich wollten, wäre ein Jahrhundert mehr als genug Zeit.

Erzeugen eines großen elektrischen Stroms in der Magnetosphäre. Anstatt einen neuen supraleitenden Magneten zu bauen, könnten wir uns den großen Körper aus leitfähigem Plasma zunutze machen, der bereits um die Erde herum existiert: die Magnetosphäre. Auch hier ist ein ausreichend großer elektrischer Strom (ca$10^9$Ampere) könnte ein Magnetfeld erzeugen, das stark genug ist, um das natürliche Feld auszugleichen und eine effektive geomagnetische Umkehrung auszulösen.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, elektrische Ströme in einem Plasma zu erzeugen. Beispielsweise kann man mit einem Antennenarray Radiowellen parallel zum vorhandenen Magnetfeld aussenden . Die Wellen werden durch die Landau-Dämpfung absorbiert und üben eine Kraft aus, die einen elektrischen Strom antreibt. Wenn der erzeugte Strom groß wird, dreht sich die Richtung des gesamten Magnetfelds. Man kann dann das Antennenarray verschieben, um parallel zur neuen Feldrichtung zu senden, und den Vorgang fortsetzen, bis sich das Feld vollständig umgekehrt hat.

Könnten wir auf diese Weise eine ausreichend starke Strömung erzeugen? Es ist schwierig, die erforderliche Leistung genau abzuschätzen, da viele Prozesse im magnetosphärischen Plasma nichtlinear sind. Wir bräuchten sicherlich etwas Größeres als HAARP , aber vielleicht nicht so viel Größeres. Der Sonnenwind (zig Gigawatt) reicht aus, um trotz sehr geringer Effizienz den Ringstrom von etwa 10 Megaampere zu treiben. Daher könnte ein gut konzipiertes weltraumgestütztes Antennenarray in einer hohen Umlaufbahn (für einen geringeren Plasmawiderstand) mit einigen Gigawatt Gesamtsendeleistung möglicherweise ausreichend sein.