Warum ändert das Magnetfeld der Erde alle paar Millionen Jahre seine Richtung? [Duplikat]

Sie stellen die schwierigste Frage der magnetischen Dynamotheorie. Es ist ein Rätsel, warum sich das Feld der Sonne in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen von 11 Jahren umkehrt, während sich das Feld der Erde in unregelmäßigen Abständen von 10^5 bis 10^6 Jahren umkehrt. Aber Unwissenheit wird mich nicht davon abhalten zu versuchen zu antworten.

Wir wissen mehr über die Sonne als über die Erde, weil wir sehen können, was an der Oberfläche vor sich geht. Aus der Untersuchung von Sonnenflecken wissen wir, wo das Feld am stärksten ist, und wir können sehen, dass sich die Sonne am Äquator schneller dreht als an den Polen.

Irgendwie hält die turbulente Konvektion in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (geschmolzenes Eisen oder Plasma) das Magnetfeld aufrecht, und die Rotation des Körpers spielt eine indirekte Rolle bei seiner Ausrichtung. Da Turbulenzen von Natur aus unberechenbar sind, ist es keine Überraschung, dass das Feld der Erde unberechenbar kippt. Es ist überraschend, dass sich die Sonne so regelmäßig dreht.

Ohne einen Dynamomechanismus würde der induktive Zerfall das Feld der Erde in ungefähr 20.000 Jahren zerstreuen, also versuchen wir, den Energieflüssen zu folgen. Eine Energiequelle (wahrscheinlich das Absetzen schwererer Elemente im geschmolzenen äußeren Kern der Erde, aber einfach Wärme, die durch Fusion im Zentrum der Sonne erzeugt und durch die äußeren Schichten transportiert wird) treibt turbulente Konvektion an, aber ein Teil der kinetischen Energie der Flüssigkeit wird auf das Magnetfeld übertragen . Etwas magnetische Energie wird durch elektrischen Widerstand dissipiert und etwas kinetische Energie wird durch Viskosität dissipiert.

Die Gleichungen des Flüssigkeitsflusses und der magnetischen Induktion sind gut bekannt, sodass wir die Energieübertragungen lokal, aber nicht global verstehen. Dynamo-Phänomene werden auf Supercomputern simuliert, aber Erkenntnisse lassen auf sich warten.

Es wird angenommen, dass der größte Teil der Magnetfeldenergie in zwei Hauptmustern enthalten ist: (1) dem Dipolfeld, das wir von den Polen ausgehen sehen, und (2) einem inneren Torusfeld, das Ost-West-Gürtel in mittleren Breiten umfasst. Etwas mehr Energie ist in höheren Multipolmustern enthalten.

Was Umkehrungen betrifft ... Wohin geht die Energie im Dipolfeld, wenn das Dipolfeld das Vorzeichen ändert? Ein Großteil davon geht in das toroidale Feld. Es gibt Hinweise darauf, dass dies in der Sonne passiert, wo die beiden Hauptfeldamplituden um etwa 45° phasenverschoben oszillieren. Die Schwingung würde die Gesamtenergie konstant halten, wenn sie so verlaufen würde${{\cos }^{2}}(\omega t)+{{\sin }^{2}}(\omega t)$, aber die Phasendifferenz beträgt nicht 90°. Ein Teil der Energie geht woanders hin. Reguläre Schwingungen wären zu erwarten, wenn das System mit gekoppelten Differentialgleichungen etwa wie folgt modelliert werden könnte:

• Haarnadelbildung ...$\tfrac{d}{dt}{{B}_{toroidal}}=+\ldots {{B}_{dipole}}$

• Regenerierung ...........$\tfrac{d}{dt}{{B}_{dipole}}=-\ldots {{B}_{toroidal}}$

Wir verstehen die Bildung von Haarnadeln unter dem Einfluss der unterschiedlichen Rotation der Sonne, aber es gibt viele konkurrierende Theorien über die Regeneration. Ich werde dich nicht mit meinen ermüden.

Die magnetische Schwingung wird sowohl gedämpft als auch angetrieben, aber die treibenden Terme repräsentieren wahrscheinlich unregelmäßige Energieübertragungen von höheren Multipolmustern. (Wir sprechen schließlich von Turbulenz.) Wenn das System ausreichend gedämpft ist, würden die Schwingungen sehr unregelmäßig werden, genug, um ihre inhärente Periodizität zu verschleiern.