Hoeveel energie heeft het aardeschild nodig?

Het magnetische veld van de aarde is zuiniger dan verwacht

Het magnetisch veld van de aarde in een computersimulatie © Max Planck Institute for Aeronomy
voorlezen

Kun je je de aarde voorstellen zonder een magnetisch veld? Nee? Dit is begrijpelijk, omdat onder andere het magnetische veld van de aarde ons beschermt tegen de energetische deeltjes van de zonnewind. Nu, met de slimme combinatie van computermodellering en experimenten, hebben wetenschappers vastgesteld hoe weinig energie dit schild nodig heeft. Het idee kwam van prof. Ulrich Christensen van het Max Planck Instituut voor Aeronomie in Katlenburg-Lindau en prof. Andreas Tilgner van het Instituut voor Geofysica in Göttingen.

"De geodynamo die het magnetisch veld van onze aarde genereert, verbruikt slechts 200.000 tot 500.000 megawatt. Het zou daarom kunnen worden geleverd door een paar honderd grote energiecentrales ", zegt prof. Christensen. Tot nu toe waren de schattingen drie tot tien keer hoger.

Spoel, magnetisch veld en stroom

In natuurkundelessen hebben we bijna allemaal een keer met magnetische balk, koperen spoel en elektriciteit een magnetisch veld gegenereerd. Geïnduceerd, zoals het in wetenschappelijk jargon wordt genoemd. Op een veel hoger niveau, maar volgens hetzelfde principe genereert de aarde haar magnetisch veld.

"Wanneer een elektrisch geleidend materiaal wordt verplaatst door een magnetisch veld, induceert dit stroom in het geleidende materiaal. Omgekeerd genereert elke stromende stroom zelf een magnetisch veld ", legt prof. Christensen uit.

De aarde als kookpot

Iets soortgelijks gebeurt in de aarde. Bij de daar heersende temperaturen is het ijzer van de buitenkern vloeibaar. De binnenste kern daarentegen is massief, hoewel deze ongeveer 1000 ° C heter is dan de buitenste kern. Op de binnenste kern maar zoveel druk dat het ijzer niet kan smelten. De extreem hete kern werkt op het vloeibare ijzer van de buitenste kern als een hete plaat op het water in een steelpan: deze warmt eerst op aan de onderkant van de pot, gaat vervolgens omhoog en koelt iets af. Dan zinkt het aan de zijkanten terug naar de bodem van de pot. Dit zorgt voor wervelingen en turbulenties in het water. "Het ijzer in de buitenste kern is waarschijnlijk ongeveer net zo vloeibaar als water. Daarom nemen we aan dat daar ook turbulenties worden gevormd ", zegt prof. Christensen. Geen wonder voor een pot ter grootte van de aarde. tonen

Hoe hard is ijzer?

De bewegingen van vloeibaar ijzer veroorzaken het magnetisch veld van de aarde. Moderne computermodellen kunnen gemakkelijk kracht, tijdelijke verandering en grootschalige structuur van het aardmagnetische veld reproduceren. Er is echter een probleem met het berekenen van de energievraag. Omdat: de harkmodellen alleen kunnen worden verwerkt door de sterkte van het ijzer te verhogen om de turbulentie te elimineren. "De modellen tellen alsof het ijzer net zo hard was als boter uit de koelkast", legt Christensen uit. "We wilden nu weten of het was alsof de baby baadde met water, als het gaat om het energieverbruik." Om uit te vinden hoe belangrijk de turbulentie voor energieverbruik is, hebben de onderzoekers De resultaten van het zogenaamde Karlsruher Dynamoexperiment zijn gekoppeld aan moderne computersimulaties. In dit experiment bouwden buisonderzoekers een dynamo waarin vloeibaar natrium de rol van ijzer overnam. Hoewel er veel turbulentie in de buizen was, kwam het energieverbruik goed overeen met de computermodellen. "Daarom weten we dat de turbulentie geen grote rol speelt en dat we de computermodellen kunnen gebruiken om het energieverbruik van de geodynamo te bepalen", zegt Christensen.

Erdkern lter dan gedacht

Dit betekent dat nu rekening moet worden gehouden met de ouderdom van de kern van massieve aarde. Omdat dit lage energieverbruik kan worden afgedekt door de warmte, die langzaam de kern van vaste aarde vrijgeeft. De vaste aardekern blijft gestaag groeien door deze koeling. Omdat: steeds meer ijzer wordt te koud om vloeibaar te blijven bij de hoge druk. Volgens eerdere berekeningen kon de hoeveelheid energie die de vaste aardekern tot nu toe heeft geleverd, de geodynamo slechts ongeveer een miljard jaar hebben gebruikt. Dus gingen onderzoekers ervan uit dat de vaste kern niet ouder was. Maar de nieuwe berekeningen laten zien dat de drie miljard jaar oude vaste kern bijna net zo oud is als de aarde. Dit past ook beter bij gegevens die andere wetenschappers hebben verkregen van magnetische rotsen.

Verdere informatie:

Oorspronkelijke publicatie: Christensen, UR, Tilgner, A., Stroombehoefte van de geodynamo van ohmse verliezen in numerieke en laboratoriumdynamo's, Nature 429, 169 (2004).

(Max Planck Instituut voor Aeronomie, Katlenburg-Lindau / Instituut voor Geofysica van de Universiteit van Gttingen, 24.05.2004 - Kirsten Achenbach DFG Research Center Ocean Frontier)