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研究人员在超级计算机和实验室中模拟了地球发生器
发布者:佚名                      来源:未知            点击率:次             更新日期:2021-07-01 21:20

关键层包裹在几乎纯铁的实心核中,它被埋在厚厚的地幔和极薄的大陆和海洋地壳之下。

预期有三种卫星观测方法, 在接下来的一到二十年里,可以将计算机仿真和实验室实验集成在一起。罗伯茨(roberts)和本文的一位作者(glatzmaier)和埃克塞特大学(university of exeter)的克里斯托弗·阿(christopher a), 英国。 少了什么东西

增进对地球发电机理解的一个好方法是比较计算机发电机模型(缺乏湍流)和实验室发电机模型(缺乏对流)。扭曲地球中心磁场的最小湍流可能在几米到几十米之间。 如果它们遮住了两极,然后发生极性反转。但是在某些特殊领域,的确, 相反的事情发生了。现在,在地心的地幔边界上已经形成了几个磁通量反转区域。000年

斯坦尼斯拉夫·布拉金斯基(stanislav braginsky), 他目前在加利福尼亚大学工作, 洛杉矶, 在1960年代, 有人指出,热量从地心上部的外核中逸出也将导致地球固体内核的体积膨胀。第一个条件是必须有大量的导电流体-地球中心的外核是富含铁的流体。这些热量有助于增强热浮力。琼斯和同事。发电机的运动部分是旋转线圈。 有足够的能量来驱动对流,而科里奥力使对流流体偏转。

也许最重要的区别是流体通过地球中心时的上升路径。原则,地球“发电机”的工作模式与普通发电机类似,那是, 电流和磁场是由其运动部件的动能产生的。并与中部地区的主要对流相互作用。但是这些模型与地球上实际的发电机有多近?事实是,没有人能确定。三维仿真结果可以说明,当偶极子场的强度降低时,逆转开始,为了得到这个结果, 每天运行12个小时以模拟300的模拟程序,花了一年多的时间000年的自然。

几百年来,在实验室流体发生器中产生连续磁场的梦想于2000年首次实现。就像一锅在炉子上煮的汤,地球中心的底部高于顶部(地球中心的高温是形成地球时停留在地球中心的热能)。50亿年的地球历史,地磁方向已在南北方向上反复反转了数百次。在地球的中心, 科里奥利力使上升的流体偏转,沿着螺旋形轨迹上升,它似乎沿着松散的弹簧的螺旋运动。这意味着到目前为止,地球生成器的所有三维计算机模型只能模拟简化的模型, 大型分层对流流体。距地面的深度约为2900公里。 鸟类和其他对磁场敏感的动物使用这种方法已有很长时间了。研究人员希望该卫星在其五年运行期间能够提供地球磁场的连续图像。这些反向磁通带通常在自然磁极反向之前出现。在那之前,我们希望从正在进行的实验室发生器实验中获得更多的见解。他们是:东京大学的影山明(akira kageyama), 日本, 和他的合作者, 加利福尼亚大学的paulh, 洛杉矶。

为了进一步研究反向磁通带的发展,以及它们如何导致下一次极性反转开始,研究人员在超级计算机和实验室中模拟了地球发生器。另一方面,在二维湍流模型中 对流可以通过地球中心上下边界附近的多个小型流体柱和涡旋来识别。此外,密度较低的化合物(例如硫化铁和氧化铁)将通过内核结晶释放,并通过外部核心崛起。

资料来源:全球科学。但是原始磁场并没有完全消失,反向磁通带在切换期间形成较弱的复合极性混合磁场。根据最近的统计, 全球有12个以上的研究小组正在使用这些模型来帮助研究太阳系内外天体产生的磁场。所以, 获得约10的临界磁雷诺数。然后,数十万年的模拟证明,对流确实可以在地球的芯幔边界上产生反向通量区。驱动地球发电机的能量,一部分是卡路里,其中一部分是化学能两者都会在地心深处产生浮力。实验室设备与实际行星芯之间的巨大差异是至关重要的因素。这可以在某些模拟中重现。在1940年代,物理学家已经意识到,产生任何行星磁场都需要三个基本条件。科学家首先在1960年代的实验室中证明了使用发电机的可能性。允许它监视反向通量带的持续增长,偶极子场减弱的其他线索。它还提供了有关下一次反转可能如何开始的线索。然后, 欧洲有两个研究小组,其中之一是由拉脱维亚大学的农业角膜炎引起的,另一个由德国卡尔斯鲁厄研究中心的robert stieglitz和ulrichmüller以及德国拜罗伊特大学的fritzbusse组成。然而, 在过去的十年中, 研究人员开发了新的方法来研究地球发生器的详细工作机制:人造卫星可以提供地球磁场表面的清晰图像; 同时,人们在超级计算机上模拟地球发生器,并在实验室中建立一个物理模型来解释这些轨道观测结果。

计算机生成的极性反转结果为研究人员提供了有关此变化如何开始和进行的基本概述[请参见下页的图形]。

超级计算机模拟

(使用液态钠是因为钠具有高电导率和低熔点。它比可以在当前超级计算机上处理的现有全球地球生成器模型小得多。模拟结果类似于在卫星图像上发现的反向通量带。

根据卫星测量数据,将地球磁场的等高线图推算到地球的地幔边界,它表明大部分磁通量都穿过南半球的地球核心。

在我们探索磁场如何反转之前,需要了解是什么驱动了地球的发电机。在地球的中心,有巨大的钢水,是月球体积的6倍,它构成了所谓的geodynamo。 这主要是由于地球的线宽大(地球中心的半径约为3485公里)。

除了进行中除了更现实的实验室生成器和3d计算机仿真项目之外,国际卫星冠军项目(挑战小型卫星的有效载荷,挑战小型卫星有效载荷的缩写)正在制定高精度的地磁场测量计划,该精度足以实时地直接测量地幔边界处的地磁场变化。创建了两个附加的浮力源来驱动对流。但是还有很长的路要走。进入北半球的地球中心。千百年来,水手们依靠地球的磁场来导航。总体上,在地球的中心,原始极性的消失和新极性的形成将持续约9天。这些反向通量带在1980年至2000年之间增长和扩展。 行星或恒星的内部运动出现在导电流体部分中。 地球为什么有磁场?为什么磁场会反向?关于地球内部的最新研究,为下一次地磁逆转提供新的线索。

类似于油灯中热矿物油的上升。奇怪的是,地球的磁极并不总是指向电流方向。这表示,地球底部较热,密度较小的铁倾向于上升。

流体模式的差异对地球磁场的结构和各种变化的时间有很大的影响。三个研究小组独立开发了数值模拟方法,这种方法可以产生类似于地球表面的磁场。这比失去能量源时磁场的自然消失快20倍!下一个地磁逆转即将到来吗?

没有计算机生成器模型可以模拟行星内部存在的大规模湍流。地球就像太阳系中的其他天体一样,它使用内部发电机来产生自己的磁场。 驱动地球发电机

矿物可以记录过去地球磁场的方向,人们利用这一点,发现于4。这些是地球发生器可以维持数十亿年寿命的主要原因。

当然,大多数人都认为北方箭头指向北方。

实验室发生器

地球物理学家早就知道,地球磁场变化的原因来自地球中心的深度。简单的推论是很难用少量的流体产生大的雷诺数。

这些极端的环境条件构成了行星发电机的第二个要素:驱动流体运动的能量。这些模型还表明,与存在于地球中心的湍流相比,由地球发生器模拟的当前层流仍然过于平滑和简单。它们各自在大量液态钠中产生磁场。自持式流体发生器需要一个与尺寸无关的参数。

部分由于这些成功,计算机生成器模型很快被采用。这也将加强对流。现在, 世界各地的许多研究团队都在大力开发下一代实验室发生器。此外,地球中心的温度也极高,大约摄氏五千度温度类似于太阳表面。这些工作为过去如何发生磁极反转提供了非常诱人的解释。当这些流体到达地球中心的顶部时,当它撞到上地幔时,它将损失一部分热量。)这两个研究小组都找到了一种在1-2米长的螺旋管系统中获得高速流体的方法。此后的其他发现均基于这种共识。就像热汤中的水滴一样。除非流体高速运动。这主要是因为当前的大型并行超级计算机无法通过在三维环境中使用实际物理参数来精确地模拟磁场湍流。通过流体的上升和下降将热量从底部传递到顶部的过程称为热对流。但是科学家需要更多的证据来回答有关磁场形成以及为什么它们随时间改变极性的令人困惑的问题。

通过观察地球模型,当中心地幔边界处的反向磁通带开始控制原始极性时,发生极性反转。

地球中心的雷诺数非常大,大约是1000。由地壳和地幔的重量引起的沉重负荷,所以, 堆芯中的平均压力是表面压力的2百万倍。通过对魔幻地球生成器的更全面描述,人们将意识到我们当前有关地磁场及其逆转的理论是否朝着正确的方向发展。据说雷诺数应超过最小值约10点。但,过去780年没有逆转,000年-这比250次地磁反转之间的平均间隔长得多,再过000年,自1830年以来,已经测量了地球的主要地磁场,已被削弱了近10%。地球的旋转通过科里奥利效应使上升到地球中心的流体偏转,就像我们在气象卫星图像上看到的洋流和热带风暴一样,由于科里奥效应而扭曲成熟悉的漩涡。

直到最近,科学家还主要依靠简化的理论来解释地球的发电机及其电磁秘密。也许十年后的某个日子,计算机处理速度的提高将使模拟湍流发生器成为可能。

地球有一个富含铁的液态核,可以导电。关键是二维流体不能使发生器保持工作状态。这就是为什么研究人员继续开发下一代3d模型的原因

。为了更好地模拟地球的几何形状,这些实验将在大型球形容器中搅动液态钠,最大直径为3米。地球发电机的计算机仿真新时代始于1995年。为了在计算机模型中模拟真实的湍流,研究人员必须诉诸二维视角。当液态铁凝固成固态核之外的晶体时,热结晶的潜在热量将作为副产物释放

这些实验结果证实了这一理论,让我们估计何时将发电机理论应用于地球和其他行星。

为了在层流模型中获得近似的湍流效应,研究人员对流体核心的某些特性使用了不切实际的大值,这些流体核心在现实世界中是如此之小,以至于很难使用数值方法来求解它们。在简化的层流对流模拟中,大型流体柱从地球的底部延伸到顶部。然后,铁水冷却,它的密度将高于周围的介质,快沉下去

这个星球想要产生一个自我维持的磁场,还有第三个条件:旋转

 
 

 

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