Κυριακή, 21 Οκτωβρίου 2012

Geodynamo (αναστροφή μαγνητικού πεδίου και 2012)


Το φαινόμενο της δημιουργίας μαγνητικού πεδίου στα διάφορα πλανητικά σώματα, αλλά και στον ίδιο τον Ήλιο, είναι από τα πιο ενδιαφέρονται αστροφυσικά προβλήματα και απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και πολλά χρόνια, ουσιαστικά από τότε που επισημάνθηκε ότι η Γη έχει μαγνητικό πεδίο.

Ο υποψήφιος μηχανισμός που επικρατεί σήμερα για το πώς δημιουργείται και συντηρείται αυτό το πεδίο είναι ο μηχανισμός του δυναμό (self excited dynamo). Η φυσική αρχή του δυναμό είναι απλή, αν και η πλήρης και αυτοσυνεπής αντιμετώπιση του προβλήματος είναι αρκετά περίπλοκη. Καταρχήν, ο μηχανισμός είναι αυτό που υπονοεί το όνομά του (The Great Magnet, the Earth). Είναι δηλαδή ένα μοντέλο που βασίζεται στις ίδιες αρχές που λειτουργεί και το δυναμό ενός ποδηλάτου. Και η αρχή λειτουργίας ενός δυναμό στηρίζεται στην αρχή της επαγωγής. Τι λέει όμως η αρχή της επαγωγής; Μας λέει ότι αν πάρουμε έναν αγωγό και τον κινήσουμε μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε στα άκρα του αγωγού θα εμφανιστεί ηλεκτρική τάση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αν έχεις φορτία που κινούνται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε αυτά τα φορτία θα δεχτούν μία δύναμη Lorentz κάθετη στο μαγνητικό πεδίο και την διεύθυνση κίνησης. Σε έναν αγωγό λοιπόν, υπάρχουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τα διάφορα άτομα από τα οποία αποτελείται ο αγωγός. Καθώς κινείται ο αγωγός, κινούνται τα άτομα και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και φυσικά αισθάνονται την δύναμη Lorentz. Επειδή όμως τα άτομα (που είναι συνήθως θετικά φορτισμένα, αφού τους λείπει κάποιο ηλεκτρόνιο) δεν μπορούν να κινηθούν, αφού είναι εγκλωβισμένα στο πλέγμα του αγωγού, τα μόνα που κινούνται είναι τα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ρεύμα μέσα στον αγωγό. Αυτό το ρεύμα με τη σειρά του μπορεί να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο, το οποίο συνεισφέρει στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Φυσικά τα πράγματα στην περίπτωση της εφαρμογής στη Γη δεν είναι ακριβώς έτσι και αυτό είναι το πρόβλημα της εμφάνισης του κυρίαρχου μαγνητικού πεδίου. Στο εσωτερικό της Γης, αντί για κάποιο αγωγό, έχουμε ένα αγώγιμο ρευστό το οποίο κινείται και από την κίνησή του δημιουργούνται ρεύματα (εδώ τα άτομα μπορεί να μην είναι δέσμια σε κάποιο πλέγμα, αλλά και πάλι τα ηλεκτρόνια είναι πολύ πιο ελαφριά και μπορούν να κινηθούν πολύ πιο εύκολα). Η περιοχή στην οποία συμβαίνει αυτό είναι η περιοχή ανάμεσα στον στερεό εσωτερικό πυρήνα της Γης και τον εσωτερικό μανδύα, που ονομάζεται εξωτερικός ρευστός πυρήνας και έχει περίπου την πυκνότητα και την αγωγιμότητα του σιδήρου. Υπάρχει ακόμα μία διαφορά από την παραπάνω περίπτωση του δυναμό του ποδηλάτου και αυτή είναι το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ενώ στο δυναμό του ποδηλάτου υπάρχει εξωτερικός μαγνήτης που διαμορφώνει ένα κυρίαρχο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, στην περίπτωση της Γης, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται, ενισχύεται και επιβιώνει από καθαρά εσωτερικές διαδικασίες της κίνησης του αγώγιμου ρευστού.

Με άλλα λόγια, το όλο πρόβλημα ουσιαστικά ανάγεται στο πως μπορεί ένα αγώγιμο ρευστό με την κίνησή του να δημιουργήσει και να συντηρήσει ένα μεγάλης κλίμακας διπολικό μαγνητικό πεδίο. Για να λυθεί λοιπόν αυτό το πρόβλημα, πρέπει να λυθούν αυτοσυνεπώς οι εξισώσεις της μαγνητοϋδροδυναμικής στην περιοχή του εξωτερικού ρευστού πυρήνα της Γης. Οι εξισώσεις αυτές είναι αρκετά περίπλοκες και μπορούν να λυθούν μόνο αριθμητικά σε υπερυπολογιστές. Αυτό το πρόβλημα έχει λυθεί εδώ και μερικά χρόνια και υπάρχουν κάποια μοντέλα που περιγράφουν αρκετά καλά το μαγνητικό πεδίο της Γης και την συμπεριφορά του.

Μία τέτοια δουλειά παρουσιάστηκε από τους Gary A Glatzmaier καιPeter Olson σε ένα άρθρο του Scientific American το 2005 με τίτλο,Scientific American: Probing the Geodynamo. Επιπλέον στοιχεία πάνω σ’ αυτή τη δουλεία υπάρχουν στην σελίδα του Glatzmaier, The Geodynamo(Glatzmaier), όπου παρουσιάζονται κάποια χαρακτηριστικά του μοντέλου και αρκετές όμορφες εικόνες. Βασικά αξίζει να ψάξει κάποιος τις σελίδες και των δύο γιατί υπάρχουν μερικά όμορφα πραγματάκια (ειδικότερα στη σελίδα του Glatzmaier όπου υπάρχουν και διάφορες δημοσιεύσεις του με τον P.Roberts πάνω στο θέμα, GARY A. GLATZMAIER and PAUL H. ROBERTS, Simulating the geodynamo, Cont. Phys. 38(1997) 269, Paul H. Roberts and Gary A. Glatzmaier, Geodynamo theory and simulations, Rev. Mod. Phys. 72(2000)1081). Όποιος ενδιαφέρεται για το μοντέλο του δυναμό, αξίζει να διαβάσει τόσο το άρθρο του scientific American όσο και το άρθρο στο Contemporary Physics που είναι και το λιγότερο τεχνικό από τα δύο τελευταία άρθρα.

Εγώ απλά θα επισημάνω ένα δύο πραγματάκια σχετικά με τον μηχανισμό. Για αρχή λοιπόν, προκειμένου να υπάρχει αποτελεσματικό δυναμό, πρέπει να υπάρχουν 3 βασικές προϋποθέσεις. 1) Πρέπει να υπάρχει ρευστός αγώγιμος πυρήνας ή έστω ρευστή αγώγιμη περιοχή γύρω από τον πυρήνα, προκειμένου να μπορούν να αναπτυχθούν εκεί τα ρεύματα που θα συντηρήσουν το μαγνητικό πεδίο. 2) Θα πρέπει να υπάρχει μία πηγή ενέργειας, η οποία να κινεί το ρευστό ώστε αυτό να μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε μαγνητικό πεδίο. Αυτή η πηγή ενέργειας είναι κυρίως η θερμική ενέργεια που έχει παγιδευτεί στο εσωτερικό του πλανήτη από την δημιουργία του, η οποία κατά την προσπάθειά της να βγει προς τα έξω δημιουργεί φαινόμενα μεταφοράς στον ρευστό εξωτερικό πυρήνα, περίπου όπως έχουμε τα κύτταρα κυκλοφορίας στην ατμόσφαιρα. Η τελευταία προϋπόθεση είναι: 3) Πρέπει ο πλανήτης να περιστρέφεται έτσι ώστε να μπορούν να εμφανιστούν δυνάμεις Coriolis. Οι δυνάμεις Coriolis θα έχουν ως αποτέλεσμα να συστρέφουν τη ροή του ρευστού όπως αυτή δημιουργείται εξαιτίας των φαινομένων μεταφοράς (φαινόμενο αντίστοιχο με τους κυκλώνες στην ατμόσφαιρα). Από αυτή τη συστροφή τελικά το αποτέλεσμα είναι να ενισχύεται το μαγνητικό πεδίο φτάνοντας τελικά σε μία κατάσταση περίπου σταθερής έντασης.


Το άλλο που θα ήθελα να επισημάνω είναι το φαινόμενο της αναστροφής του συνολικού μαγνητικού πεδίου της Γης. Αυτό είναι ένα πολύ καλά καταγεγραμμένο φαινόμενο και είναι ίσως το πιο δύσκολο στην θεωρητική του περιγραφή. Παρόλα αυτά, τα σύγχρονα αριθμητικά μοντέλα έχουν καταφέρει να το αναπαράγουν, όπως παρουσιάζεται στα παραπάνω links. Αυτό που θα πω εδώ είναι ότι το μαγνητικό πεδίο που αντιλαμβανόμαστε στην επιφάνεια της Γης ως διπολικό, είναι στην πραγματικότητα ένα αρκετά πιο περίπλοκο πεδίο στην περιοχή του συνόρου του εξωτερικού ρευστού πυρήνα με τον μανδύα (CMB) που αποτελείται και από ανώτερης τάξης πολύπολα, τα οποία όμως εξασθενούν μέχρι να φτάσουν στην επιφάνεια (ένα n-πολο εξασθενεί ως 1/r^(n+1) με την απόσταση). Αυτό που παρατηρείται λοιπόν είναι ότι υπάρχει μία δυναμική ανάμεσα σε μία κατάσταση που προσπαθεί να ανατρέψει το κυρίαρχο διπολικό μαγνητικό πεδίο και σε μία κατάσταση όπου αυτό διατηρείται. Τις περισσότερες φορές, επικρατεί η σταθερότητα του μαγνητικού πεδίου, αλλά κάποιες φορές το πεδίο ανατρέπεται. Αυτό γίνεται με την σταδιακή επικράτηση και ανώτερων τάξεων του πολυπολικού πεδίου μέχρι να κυριαρχήσει στους πόλους του CMB πεδίο της αντίθετης πολικότητας οπότε και σταθεροποιείται η κατάσταση. Σε όλη τη διαδικασία, η οποία διαρκεί μερικές χιλιάδες χρόνια, το μαγνητικό πεδίο δεν εξαφανίζεται, αλλά γίνεται πιο περίπλοκο.

Έχοντας αναφέρει λοιπόν όλα τα παραπάνω, παρουσιάζω παρακάτω τα video με το 20ο επεισόδιο της εκπομπής «Το Σύμπαν που Αγάπησα» που αναφέρεται σε αυτό το θέμα και τις καταστροφολογικές παπαριές που κυκλοφορούν για το 2012 και το ημερολόγιο των Μάγια και όλα τα σχετικά που δείχνει ο Χαρδαβέλλας και ο Λιακόπουλος στις εκπομπές του. Αν εξαιρέσεις μερικές ανακρίβειες (το θέμα είναι αρκετά τεχνικό) η εκπομπή είναι μάλλον καλή και αντικρούει τα διάφορα καταστροφολογικά σενάρια. Μερικά όμορφα animations που φαίνονται στα video με τις μαγνητικές δυναμικές γραμμές είναι από τις παραπάνω δουλειές που αναφέρω.


2012: Αναστροφή του γήινου μαγνητικού πεδίου
20ο επεισόδιο του 4ου κύκλου της εκπομπής "Το Σύμπαν που Αγάπησα", με τίτλο «Ο Μύθος του 2012: Η αναστροφή του γήινου μαγνητικού πεδίου». Αυτό το επεισόδιο απομυθοποιεί τις διάφορες καταστροφολογικές θεωρίες που προμηνύουν το τέλος του κόσμου το 2012 και βασίζονται στα διάφορα σενάρια που έχουν σχέση με το μαγνητικό πεδίο της Γης και την αναστροφή του ή την εξαφάνισή του.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου