Около 4,5 миллиардов лет назад планета размером с Марс столкнулась с Землёй
Столкновение изменило облик Земли, создало Луну и превратило оба небесных тела в крутящиеся шары расплавленной породы. Спустя миллиард лет у Земли и Луны появилась твёрдая кора и магнитное поле. Хотя магнитное поле Луны давно исчезло, магнитное поле Земли сохранило свою первоначальную силу. Основные причины такого долголетия были выявлены десятилетия назад. Однако детальная модель прошлого, настоящего и будущего динамо остаётся недоступной из-за турбулентности в жидком ядре планеты, которая приводит в движение динамо.
Теперь Юфэн Линь из Южного университета науки и технологий в Китае и его коллеги использовали 2500 процессорных лет компьютерного времени для моделирования динамо Земли до того, как внутреннее ядро планеты начало затвердевать 1–1,5 миллиарда лет назад. Конфигурации магнитного поля, полученные в результате моделирования, согласуются с теми, которые были выведены из древних пород, решая загадку того, как молодая Земля поддерживала динамо.
Для существования динамо планета должна иметь электропроводящее жидкое ядро и способ его перемешивания
На Земле перемешивание обеспечивается за счёт тепловой энергии ядра и распада радиоактивных элементов в ядре. Само перемешивание может происходить из двух источников конвекции. Внизу мантии, окружающей жидкое внешнее ядро, магма становится обеднённой кислородом, кремнием и другими лёгкими элементами. Магма отделяется от мантии и опускается в внешнее ядро. Над внутренним ядром непрерывно кристаллизующаяся смесь железа и никеля вытесняет более лёгкие элементы, которые всплывают вверх через внешнее ядро.
Геофизики определяют степень устойчивости динамо через значение магнитного числа Рейнольдса (Rm), определяемого как отношение времени, за которое электрические токи рассеиваются, ко времени циркуляции жидкого ядра. Если Rm превышает 40, динамо устойчиво. Rm Земли оценивается примерно в 1000, что соответствует долгоживущему динамо.
Ещё одним ключевым параметром является число Экмана (Ek), отношение вязкой силы к силе Кориолиса. Ek для земного жидкого ядра составляет примерно 10^–15^. Чрезвычайно низкое значение отражает низкую вязкость расплавленного металла, что делает жидкость высокотурбулентной и сложной для моделирования.
Измерения древних пород и модели тепловой истории Земли указывают на то, что у планеты было динамо задолго до того, как внутреннее ядро начало затвердевать
Модели динамо обычно предполагают твёрдое внутреннее ядро, отчасти потому, что оно является источником конвективного перемешивания. Стремясь воссоздать динамо молодой Земли, Линь и его коллеги смоделировали ядро как жидкость, содержащуюся во вращающейся сфере. Необходимое перемешивание в их модели возникло из-за температурного градиента, наложенного на границе сферы и мантии. Они использовали уравнения Навье-Стокса и Максвелла для описания магнитогидродинамики системы.
Моделируемое динамо быстро установилось и перешло в стабильное состояние с Rm, равным 500. Линь и его коллеги провели моделирование при трёх различных значениях Ek: 10^–6^, 10^–7^ и 10^–8^, последнее из которых было наименьшим значением Ek, которого когда-либо достигала любая симуляция. Хотя 10^–8^ на 7 порядков больше истинного значения, исследователи обнаружили, что магнитная энергия динамо, кинетическая энергия, Rm и другие величины потеряли свою зависимость от Ek.
Ультрахолодные атомы имитируют разрушение струн потока
В квантовой хромодинамике и других калибровочных теориях узкие трубки из линий поля, называемые струнами, соединяют пары зарядов, которые не могут существовать изолированно — например, цветные заряды кварков. Когда разделение зарядов превышает критическое расстояние, эти струны потока могут разрываться, в конечном итоге распадаясь на пары частица-античастица. Определение того, как рвутся струны потока, имеет фундаментальное значение для понимания динамики этих полевых теорий, но модели этого явления трудно исследовать экспериментально.
Ин Ying Liu из Университета науки и технологий Китая и его коллеги продемонстрировали систему ультрахолодных атомов, которая служит экспериментальным аналогом разрушения струн. Экспериментальная установка состоит из одномерного массива атомов рубидия, заключённых в набор интерферирующих оптических решёток. Каждый сайт на полученной сверхрешётке имеет настраиваемый потенциал, который определяет, насколько легко атомы могут перемещаться с одного сайта на другой.
Эксперимент начинается с того, что каждый сайт решётки заселён одним атомом. Это начальное состояние представляет два заряда, соединённых струной потока. Изменяя параметры оптической сверхрешётки, исследователи заставляют атомы взаимодействовать друг с другом и перемещаться между сайтами. Эта эволюция представляет динамику струны потока по мере разделения зарядов.
Пока что Лю и его коллеги использовали свою технику для моделирования разрушения струн в упрощённой калибровочной теории, известной как решётчатая модель Швингера. Они говорят, что их эксперимент также предлагает платформу для моделирования более сложных калибровочных теорий и моделей физики высоких энергий, а также для исследования столкновений частиц и схем квантовой коррекции ошибок.