Nowa symulacja odkrywa sekrety wnętrza Ziemi
Bez pola magnetycznego życie na Ziemi nie byłoby możliwe. Zjawisko to chroni naszą planetę przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i wiatrem słonecznym. Choć podstawy generowania pola magnetycznego są znane od dawna, to szczegóły tego procesu wciąż pozostawiają wiele pytań. Najnowsze badania mogą jednak zmienić ten stan rzeczy.
Pole magnetyczne naszej planety powstaje dzięki tzw. efektowi geodynama. W uproszczeniu polega on na tym, że płynne, elektrycznie naładowane żelazo w zewnętrznym jądrze Ziemi porusza się wokół stałego, wewnętrznego jądra. Ruchy te, wywołane obrotem Ziemi i prądami konwekcyjnymi, generują prąd elektryczny, który z kolei odpowiada za pole magnetyczne.
Temperatura i ciśnienie rosną wraz ze zbliżaniem się do wnętrza planety. Wraz ze wzrostem temperatury materiały się topią, natomiast na skutek wzrostu ciśnienia temperatura topnienia zaczyna wzrastać. Z tego względu jądro zewnętrzne jest płynne, natomiast wewnętrzne – stałe. Dynamiczne oddziaływanie między częściami jądra znajdującymi się w różnych stanach skupienia ma podstawowe znaczenie dla powstawania pola magnetycznego.
Czego jeszcze nie wiemy o wnętrzu Ziemi?
Pomimo ogromnego postępu naukowego, naukowcy wciąż zastanawiają się nad dokładnym składem jądra naszej planety. Czy rzeczywiście składa się ono tylko z żelaza? Fale sejsmiczne przechodzące przez Ziemię sugerują co innego. Dane zebrane z eksperymentów nie zgadzają się z symulacjami, które zakładają jednolity skład jądra.
Właśnie tutaj wkracza nowatorska metoda symulacyjna opracowana przez międzynarodowy zespół naukowców z Niemiec, USA i Francji. Nowe podejście pozwala modelować nie tylko zachowanie atomów, ale także ich magnetyczne właściwości. Jak mówi jeden z autorów badań, Attila Cangi, „Łącząc dynamikę atomów z magnetyzmem, udało się przełamać dotychczasowe ograniczenia”.
Nowa era badań nad jądrem Ziemi?
Zespół wykorzystał metodę nazwaną „dynamiką spinowo-molekularną”, łącząc dwie odrębne techniki badawcze. Naukowcy stworzyli cyfrowy model 2 milionów atomów żelaza i poddali go warunkom panującym we wnętrzu Ziemi. Najważniejszym krokiem było propagowanie fal uderzeniowych, które symulowały kompresję i ogrzewanie atomów.
Badania wykazały, że w zależności od prędkości fal żelazo zachowywało się różnie. Przy niższych prędkościach pozostawało stałe, przybierając różne struktury krystaliczne. Przy szybszych falach stawało się natomiast płynne. Szczególnie interesujący okazał się jednak wpływ magnetyzmu, który w znaczący sposób oddziaływał na właściwości materiału.
Naukowcy zasugerowali istnienie tzw. fazy BCC – szczególnej struktury krystalicznej żelaza, która stabilizuje się w ekstremalnych warunkach. Choć nigdy nie zaobserwowano jej doświadczalnie w zbliżonych warunkach, symulacje wyraźnie na nią wskazują. Jej odkrycie mogłoby odpowiedzieć na liczne pytania dotyczące działania efektu geodynama.
Badanie może mieć wpływ na coś więcej niż tylko wiedzę o wnętrzu Ziemi
Oprócz zgłębiania tajemnic wnętrza Ziemi nowa metoda otwiera drzwi do innych i pozornie niepowiązanych technologii. Doskonałym przykładem jest rozwój neuromorficznych systemów komputerowych, inspirowanych sposobem działania ludzkiego mózgu. Mogłyby one znacznie przyspieszyć i usprawnić algorytmy sztucznej inteligencji.
Kolejnym obszarem zastosowań wyników badań jest nowoczesna technologia przechowywania danych. Mikroskopijne domeny magnetyczne w tzw. nanodrutach mogłyby stać się szybkim i energooszczędnym medium, które zastąpiłoby używane obecnie technologie.
