Nickel rất quan trọng đối với từ trường của trái đất

Nickel rất quan trọng đối với trường từ trường của trái đất

Các nhà khoa học đang thay đổi ý tưởng của chúng ta về từ trường của trái đất: sắt đơn thuần không thể giải thích khái niệm về địa động lực học

Chỉ cần một la bàn đơn giản để chứng minh rằng Trái đất có từ trường - nhưng khá khó để giải thích chính xác nó được tạo ra như thế nào. Không còn nghi ngờ gì, lõi nóng của hành tinh chúng ta, chủ yếu là sắt, đóng vai trò quan trọng. Khi kết hợp với vòng xoay của Trái đất, nó tạo ra một "hiệu ứng dynamo" mạnh, tạo ra từ trường.

Nhưng với sắt một mình, hiệu ứng này không thể giải thích được. Một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Alessandro Toschi và Giáo sư Karsten Held và Giáo sư Giorgio Sangiovanni (Đại học Würzburg) đứng đầu đã đưa ra các tính toán trong tạp chí Nature Communications cho thấy lý thuyết về Geodynamo được sửa đổi. Hóa ra, điều cốt yếu đối với hiệu ứng năng lượng mà cốt lõi Trái đất chứa đến 20% niken - một loại kim loại, trong điều kiện khắc nghiệt, hoạt động khá khác so với sắt.

Nhiệt và Áp suất cực đoan

Trái đất của trái đất lớn gấp như mặt trăng và nóng như mặt trời. Có một áp lực của hàng trăm gigapascals - tương đương với áp lực mà một số đầu máy đường sắt sẽ sử dụng nếu chúng có thể được cân bằng trên một milimet vuông.

"Dưới những điều kiện khắc nghiệt này, các vật liệu hoạt động theo cách có thể khá khác so với những gì chúng ta quen", Karsten Held nói. "Thật khó có thể tái tạo các điều kiện này trong phòng thí nghiệm, nhưng với các mô phỏng máy tính tinh vi, chúng tôi có thể tính được hành vi của kim loại trong lõi Trái đất trên mức cơ học lượng tử."

Nhiệt lõi của trái đất phải tìm cách thoát ra. Vật liệu nóng tăng lên các lớp ngoài của toàn cầu, tạo ra các dòng đối lưu. Đồng thời, quay của trái đất dẫn đến lực lượng Coriolis mạnh. Kết hợp những hiệu ứng này tạo ra dòng chảy xoắn ốc phức tạp của vật liệu nóng.

"Khi các dòng điện được tạo ra trong một hệ thống dòng chảy như vậy, chúng có thể gây ra một từ trường làm tăng dòng điện và vv ... và cuối cùng từ trường trở nên mạnh mẽ đến nỗi chúng ta có thể đo nó trên bề mặt trái đất, "Alessandro Toschi nói.

Dẫn nhiệt

Cho đến nay, tuy nhiên, không ai thực sự có thể giải thích làm thế nào dòng chảy đối lưu này nổi lên ở nơi đầu tiên: sắt là một dây dẫn nhiệt rất tốt và áp lực cao dẫn nhiệt của nó tăng lên nhiều hơn.

"Nếu cốt lõi Trái đất chỉ gồm sắt, các electron tự do trong sắt có thể tự vận chuyển bằng nhiệt mà không cần bất kỳ dòng đối lưu nào", Karsten Held nói. "Thế thì, trái đất không có từ trường nào cả."

Tuy nhiên, lõi của hành tinh của chúng tôi cũng chứa gần 20% niken. Trong một thời gian dài, thực tế này không được coi là đặc biệt quan trọng. Nhưng khi hóa ra, niken đóng một vai trò quan trọng: "Dưới áp lực, nickel cư xử khác với sắt", Alessandro Toschi nói. "Với áp lực cao,

Do đó, độ dẫn nhiệt của niken và, do đó, độ dẫn nhiệt của lõi Trái Đất thấp hơn nhiều so với trong lõi chỉ bao gồm sắt "Do tỷ lệ niken đáng kể, nhiệt độ cao Trái đất có thể không di chuyển theo hướng bề mặt của hành tinh bằng các chuyển động của các electron một mình.Vì vậy, các dòng đối lưu phải xuất hiện, cuối cùng tạo ra từ trường của Trái Đất

Để có được những kết quả này, các cấu trúc kim loại khác nhau phải được phân tích các mô phỏng máy tính quy mô, và các hành vi của các electron của họ đã được tính toán. Andreas Hausoel (Đại học Würzburg) đã thực hiện việc tính toán nhiều hạt, một vài trong số đó nằm trong VSC (Vienna Scientific Cluster).

"Cùng với các đồng nghiệp của chúng tôi ở Würzburg, chúng tôi không chỉ có một cái nhìn về sắt và niken, mà cả ở các hợp kim của hai loại vật liệu này. Chúng tôi cũng phải tính đến những điểm không chính xác và bất thường, làm cho việc mô phỏng máy tính trở nên khó khăn hơn" Karsten Held nói.

Những phương pháp mô phỏng tiên tiến này không chỉ quan trọng để có được sự hiểu biết tốt hơn về từ trường của trái đất, mà còn cung cấp những hiểu biết mới về quá trình tán xạ điện tử trong các vật liệu khác nhau. Alessandro Toschi tin rằng: "Ngay sau đó, những cải tiến của thuật toán vật liệu tính toán cũng sẽ dẫn đến các ứng dụng tiên phong thú vị trong hóa học, sinh học, công nghiệp và công nghệ."