Wie funktioniert der innere Dynamo der Erde?

Ich bin daran interessiert, ein grundlegendes physikalisches Verständnis dafür zu bekommen, wie das Magnetfeld der Erde erzeugt wird. Ich verstehe, dass es sich um einen "Dynamo" -Effekt handelt, der von Konvektionsströmen im geschmolzenen äußeren Kern angetrieben wird. Diese Ströme bewirken, dass sich Ladungen bewegen, und dies erzeugt das Feld.

Wofür ich jedoch keine gute Erklärung finde, ist, warum es überhaupt eine Gebührentrennung gibt. Vermutlich hätte das Bewegen von neutral geladenem geschmolzenem Eisen den gleichen Effekt wie das Bewegen eines anderen neutral geladenen Gegenstands, dh es würde kein Feld erzeugen. Und wenn sich die Flüssigkeit nicht bewegte, würde sie vermutlich ziemlich schnell neutral werden, da geschmolzenes Eisen ein guter elektrischer Leiter ist.

Habe ich also recht, wenn ich denke, dass die Ladungstrennung das Ergebnis einer positiven Rückkopplung ist, indem eine anfängliche Abweichung von der Neutralität ein Feld erzeugen würde, und dies würde (irgendwie) eine größere Ladungstrennung bewirken, was zu einer Art Selbsterhaltung führt Ladungstrennung? Oder gibt es eine andere Erklärung?

Kennt in jedem Fall jemand eine gute Ressource, die die Grundprinzipien in physikalischer Hinsicht erklärt? Ich weiß, dass der innere Dynamo ein sehr komplexes Phänomen ist, aber ich hätte gerne etwas, das ein gutes physikalisches Bild davon gibt, wie die elektromagnetischen und fluiddynamischen Phänomene interagieren, anstatt direkt in partielle Differentialgleichungen einzutauchen.

Ich schließe mich der Frage an. Ich würde auch gerne wissen, wie groß die natürliche Variabilität des Magnetfelds in 100 Jahren usw. ist. Ist es üblich, dass es in 150 Jahren um 10% abnimmt, wie in den letzten 150 Jahren?
@Nathaniel Ich denke nicht, dass Sie eine Ladungstrennung per se brauchen, ein Strom sollte schon etwas tun.
@Bernhard, aber die Erde hat keine Nettoladung - wenn also nichts dazu führt, dass sich Ladungen trennen, gibt es keinen Strom ...
@Nathaniel Gibt es eine Nettoladung in einem stromführenden Draht? Nein, es sind Elektronen, die sich bewegen. Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit ist eine wesentliche Eigenschaft
@ Bernhard meine Überlegung war wie folgt: Die Elektronen müssen sich relativ zu den Protonen im Draht bewegen. Wenn ich nur einen getrennten, ungeladenen Draht herumschwenke, wird kein Feld erzeugt, egal wie schnell ich ihn bewege, da das von den sich bewegenden Protonen erzeugte Feld das von den sich bewegenden Elektronen aufhebt. Wenn also das Magnetfeld von einer sich bewegenden Flüssigkeit erzeugt wird, müsste diese Flüssigkeit aufgeladen werden. Aber aus John Rennies Antwort scheint es, dass tatsächliche Strömungen eine Rolle spielen - also muss ich jetzt verstehen, was diese Strömungen antreibt.

Antworten (2)

Laut Wikipedia ist das Magnetfeld tatsächlich das Ergebnis einer Rückkopplung. Eigentlich ist der Wikipedia-Artikel sehr gut, also bin ich mir nicht sicher, wie viel es noch zu sagen gibt. Die Konvektionsströme vom inneren Kern nach außen werden durch den Coriolis-Effekt der Erdrotation zu Spiralen gebogen, und dies ergibt eine Geometrie, in der sich das Magnetfeld und die elektrischen Ströme gegenseitig stützen.

Zum Kommentar von Luboš: Ich würde die NASA-Website mit Google durchsuchen, da sie jede Menge Daten über so ziemlich alles hat, was mit der Erde zu tun hat, z. B. http://science.nasa.gov/science-news/science-at- nasa/2003/29dec_magneticfield/ ist ein Artikel, der sich an die breite Öffentlichkeit richtet. Irgendwo auf der Seite gibt es bestimmt Rohdaten.

Der Wikipedia-Artikel erwähnt, wie schwierig es ist, die Magnetfelderzeugung im Kern numerisch zu modellieren. In den letzten zehn Jahren gab es einige wirklich alarmierende Experimente, bei denen versucht wurde, den Kern zu modellieren. Siehe zum Beispiel http://www.nature.com/news/dynamo-maker-ready-to-roll-1.9582 - wenn 13 Tonnen flüssiges Natrium nicht alarmierend sind, weiß ich nicht, was ist :-) Siehe http: //physicsworld.com/cws/article/news/2007/mar/09/molten-sodium-mimics-earths-magnetic-field-flipping für ein früheres Experiment, das behauptet, die Feldumkehrungen modelliert zu haben.

Eine hervorragende populäre Einführung dazu finden Sie in der Sendung „The Core“ von BBC Horizon. Dies ist auf YouTube , obwohl ich nicht sicher bin, ob das ein offizieller Upload ist, also weiß ich nicht, wie lange das Programm dort bleiben wird.

Danke dafür - ich habe den Wikipedia-Artikel vor einiger Zeit gelesen und offensichtlich den Teil verpasst oder vergessen, in dem der Feedback-Zyklus erwähnt wird. Aber ich würde wirklich gerne ein besseres physikalisches Verständnis dafür haben, wie sich das Magnetfeld und die Ströme gegenseitig aufrechterhalten. Als Analogie ist die Atmosphäre äußerst komplex, aber man kann trotzdem damit beginnen, den Begriff einer Konvektionszelle zu verstehen, und später etwas über die Coriolis-Kraft, die Auswirkungen latenter Wärme usw. erfahren. Ich hoffe wirklich auf eine ähnlich verdauliche Erklärung - aber wenn keine kommt, akzeptiere ich diese Antwort.
(Ein Teil des Problems könnte sein, dass ich nicht so viel Erfahrung mit Elektromagnetismus habe, daher erscheint mir das Gerede von Dingen wie "eingefrorenen Feldlinien" auf der Wikipedia-Seite ein bisschen mysteriös.)
Es könnte eine nützliche Analogie sein, an eine Lichtmaschine zu denken, wie sie in Autos auf der ganzen Welt verwendet wird. Lichtmaschinen enthalten keine Permanentmagnete. Sie funktionieren, weil der von ihnen erzeugte Strom durch die Feldspulen geleitet wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und dies wiederum ermöglicht es dem Rotor, den Strom zu erzeugen. Siehe Wikipedia oder einfach Google für "Lichtmaschine". Ich würde vermuten, dass der Kern viel komplizierter sein wird, da Sie keine gut definierten Leiter haben, in die der Strom fließen kann.

Eigentlich müssen Sie keine Ladungen aufteilen, um eine Bewegung der Flüssigkeit zu haben. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Wenn Sie einen Magneten haben und ein Eisending daneben bringen, "zwingt" es einige Teile des Eisendings, sich in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld zu orientieren. Dann wird es selbst zu einem nicht permanenten Magneten (es erzeugt sein eigenes Magnetfeld; je nach Materie zerstört das Magnetfeld das Magnetfeld im Inneren des Dings oder ist in die gleiche Richtung ausgerichtet). Sowohl der Magnet als auch das Eisenteil bleiben dabei (auch lokal) elektrisch neutral.

Jetzt im Zentrum der Erde ist die Situation etwas anders, da es flüssig ist. Elektronen können sich frei in der Flüssigkeit bewegen (weil Ni-Fe nicht sehr auf ihre äußeren Elektronen achtet), aber sie bleiben trotzdem jederzeit elektrisch neutral (wenn ein Elektron sein Eisenatom verlässt, nimmt ein anderes seinen Platz ein und so weiter) . Somit haben wir eine globale Ladungsbewegung, ohne dass wir sie aufteilen müssen.

Dadurch wird ein elektrischer Strom erzeugt, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt.

Habe ich also recht, wenn ich denke, dass die Ladungstrennung das Ergebnis einer positiven Rückkopplung ist, indem eine anfängliche Abweichung von der Neutralität ein Feld erzeugen würde, und dies würde (irgendwie) eine größere Ladungstrennung bewirken, was zu einer Art Selbsterhaltung führt Ladungstrennung? Oder gibt es eine andere Erklärung?

Das richtige Bild wäre, dass ein kleiner Strom ein kleines Magnetfeld erzeugt, das eine positive Rückkopplung auf die Bewegung von Partikeln hat, und so weiter! Aber es ist nicht so einfach. Eigentlich ist das eine offene Frage, die sowohl Mathematiker als auch Physiker interessiert (mich eingeschlossen ;) ), und die Antwort ist theoretisch nicht so einfach zu beantworten, und die meisten Situationen, die wir uns vorstellen können, führen zu einem exponentiell abnehmenden Magnetfeld (aber es ist nicht das, was wir in der Erde, der Sonne und vielen anderen stellaren Objekten beobachten, also gibt es andere Möglichkeiten!).

Warum ist das nicht so einfach? Denn wenn sich ein Elektron bewegt, strahlt es ein elektromagnetisches Feld aus, und ein Teil davon geht "verloren" (Sie können sich das so vorstellen, dass ein Teil des elektromagnetischen Feldes der Erde aus ihm herauskommt, also durch Energieerhaltung der Kern verliert etwas Energie!). Somit haben wir einerseits eine positive Rückkopplung zwischen dem Magnetfeld und der Bewegung der Flüssigkeit und andererseits "verloren" aufgrund von Strahlungen.

Wie hat es nun angefangen? Der Kernel hatte anfangs seine eigene Bewegung, und wir brauchten nur einen kleinen Pitch (was statistisch sicher vorkommt), um das vollständige System nach und nach zu starten, und das war's, wir sind jetzt drin!

Wenn Sie mehr zu diesem Thema wissen wollen, ist das Stichwort Magnetohydrodynamik. Die Situation wurde vor langer Zeit in Gleichungen gebracht, und es gibt einige sehr gute Erklärungen (viel besser als mein kleines Blabla), wie es im Internet funktioniert.

Um auf die Frage von Luboš Motl zu antworten

Ich würde auch gerne wissen, wie groß die natürliche Variabilität des Magnetfelds in 100 Jahren usw. ist. Ist es üblich, dass es in 150 Jahren um 10% abnimmt, wie in den letzten 150 Jahren? –

Es ist sogar noch schlimmer, tatsächlich haben wir „sehr oft“ ein Phänomen namens geomagnetische Umkehrung, das heißt, dass der Norden zu Süden und der Süden zu Norden wird. Eigentlich ist es nicht passiert, seit wir den Kompass erfunden haben, aber wir haben dieses Phänomen daran erkannt, dass einige Vulkangesteine ​​nicht die gleiche magnetische Ausrichtung hatten (vgl. mein erster Absatz), als sie sich im Laufe der Jahrhunderte gebildet haben. Dieses Phänomen ist auch theoretisch sehr schwer vorherzusagen, obwohl wir es in den letzten zehn Jahren in Experimenten beobachten konnten. Pass auf, es kann in den nächsten Jahrhunderten wirklich passieren :)

(In der Sonne kommt es übrigens viel öfter vor - etwa alle zehn Jahre -, und das wurde schon lange beobachtet)

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