¿Cómo funciona la dínamo interior de la Tierra?

Estoy interesado en obtener una comprensión física básica de cómo se genera el campo magnético de la Tierra. Entiendo que es un tipo de efecto "dínamo", impulsado por corrientes de convección en el núcleo exterior fundido. Estas corrientes hacen que las cargas se muevan y esto genera el campo.

Sin embargo, lo que no puedo encontrar una buena explicación es por qué hay una separación de cargos en primer lugar. Presumiblemente, mover hierro fundido con carga neutra tendría el mismo efecto que mover cualquier otra cosa con carga neutra, es decir, no crearía un campo. Y presumiblemente, si el fluido no se moviera, se volvería neutral bastante rápido, ya que el hierro fundido es un buen conductor eléctrico.

Entonces tengo razón al pensar que la separación de cargas es el resultado de una retroalimentación positiva, en el sentido de que una desviación inicial de la neutralidad generaría un campo, y esto (de alguna manera) causaría una mayor separación de cargas, resultando en una especie de automantenimiento. separación de carga? ¿O hay otra explicación?

En cualquier caso, ¿alguien conoce un buen recurso que explique los principios básicos en términos físicos? Sé que la dínamo interior es un fenómeno muy complejo, pero me gustaría algo que brinde una buena imagen física de cómo interactúan los fenómenos electromagnético y dinámico de fluidos, en lugar de sumergirse directamente en ecuaciones diferenciales parciales.

Me uno a la pregunta. También me gustaría saber cuál es la variabilidad natural en la magnitud del campo magnético en 100 años, etc. ¿Es común que disminuya un 10% en 150 años, como en los últimos 150 años?
@Nathaniel No creo que necesite una separación de carga per se, una corriente ya debería hacer algo.
@Bernhard, pero la Tierra no tiene carga neta, por lo que, a menos que algo provoque que las cargas se separen, no habrá corriente ...
@Nathaniel ¿Hay carga neta en un cable que lleva corriente? No, son electrones moviéndose. Es la conductividad del líquido que es una propiedad esencial
@Bernhard, mi razonamiento fue el siguiente: los electrones deben moverse en relación con los protones en el cable. Si solo agito un cable desconectado y sin carga a su alrededor, no creará un campo sin importar qué tan rápido lo mueva, porque el campo generado por los protones en movimiento cancela el de los electrones en movimiento. Entonces, si el campo magnético es generado por un fluido en movimiento, entonces ese fluido debería cargarse. Pero a partir de la respuesta de John Rennie, parece que las corrientes reales juegan un papel, por lo que ahora necesito entender qué impulsa esas corrientes.

Respuestas (2)

Según Wikipedia, el campo magnético es de hecho el resultado de la retroalimentación. En realidad, el artículo de Wikipedia es muy bueno, así que no estoy seguro de cuánto queda por decir. Las corrientes de convección desde el núcleo interno hacia el exterior se doblan en espirales por el efecto Coriolis de la rotación de la Tierra, y esto da una geometría donde el campo magnético y las corrientes eléctricas se sostienen mutuamente.

Con respecto al comentario de Luboš, tendría un Google en el sitio web de la NASA, ya que tienen muchos datos sobre casi todo lo que tiene que ver con la Tierra, por ejemplo, http://science.nasa.gov/science-news/science-at- nasa/2003/29dec_magneticfield/ es un artículo dirigido al público en general. Es probable que haya datos sin procesar en el sitio en alguna parte.

El artículo de Wikipedia menciona lo difícil que es modelar numéricamente la generación del campo magnético en el núcleo. Ha habido un par de experimentos realmente alarmantes en la última década tratando de modelar el núcleo. Por ejemplo, consulte http://www.nature.com/news/dynamo-maker-ready-to-roll-1.9582 ; si 13 toneladas de sodio líquido no son alarmantes, no sé qué es :-) Consulte http: //physicsworld.com/cws/article/news/2007/mar/09/molten-sodium-mimics-earths-magnetic-field-flipping para un experimento anterior que afirma haber modelado las inversiones de campo.

Para una excelente introducción popular a esto, vea el programa Horizon de la BBC llamado "The Core". Esto está en YouTube , aunque no estoy seguro de que sea una carga oficial, así que no sé cuánto tiempo permanecerá allí el programa.

Gracias por esto: leí el artículo de Wikipedia hace un tiempo y evidentemente me perdí u olvidé la parte donde menciona el ciclo de retroalimentación. Pero realmente me gustaría tener una mejor comprensión física de cómo el campo magnético y las corrientes se sostienen entre sí. Como analogía, la atmósfera es extremadamente compleja, pero sin embargo, uno puede comenzar por comprender la noción de una celda de convección y luego aprender sobre la fuerza de Coriolis, los efectos del calor latente, etc. explicación, pero si no hay ninguna, aceptaré esta respuesta.
(Parte del problema puede ser que no tengo tanta experiencia con el electromagnetismo, por lo que hablar de cosas como "líneas de campo congeladas" en la página de Wikipedia me parece un poco misterioso).
Podría ser una analogía útil pensar en un alternador, como se usa en los automóviles de todo el mundo. Los alternadores no contienen imanes permanentes. Funcionan porque la electricidad que generan pasa a través de las bobinas de campo para generar un campo magnético, y esto a su vez permite que el rotor genere la electricidad. Consulte Wikipedia o simplemente Google para "alternador". Supongo que el núcleo será mucho más complicado porque no tiene conductores bien definidos para que fluya la corriente.

En realidad, no es necesario dividir las cargas para que el fluido se mueva. Para darte una idea, cuando tienes un imán y acercas una cosa de hierro, "obliga" a algunos elementos de la cosa de hierro a orientarse en la misma dirección que el campo magnético. Luego, se convierte en un imán no permanente (crea su propio campo magnético; dependiendo de la materia, el campo magnético destruirá el campo magnético dentro de la cosa o se orientará en la misma dirección). Tanto el imán como el artículo de hierro permanecen (incluso localmente) eléctricamente neutros en este proceso.

Ahora en el centro de la tierra la situación es un poco diferente, ya que es líquido. Los electrones pueden moverse libremente en el fluido (porque el Ni-Fe no tiene mucho cuidado con sus electrones externos), pero de todos modos permanecen eléctricamente neutros en cualquier momento (cuando un electrón abandona su átomo de hierro, otro toma su lugar y así sucesivamente) . Así tenemos un movimiento global de cargas sin necesidad de fraccionarlas.

Esto genera una corriente eléctrica que a cambio crea un campo magnético.

Entonces tengo razón al pensar que la separación de cargas es el resultado de una retroalimentación positiva, en el sentido de que una desviación inicial de la neutralidad generaría un campo, y esto (de alguna manera) causaría una mayor separación de cargas, resultando en una especie de automantenimiento. separación de carga? ¿O hay otra explicación?

La imagen correcta sería que una pequeña corriente crea un pequeño campo magnético, que tendrá una retroalimentación positiva sobre el movimiento de las partículas, ¡y así sucesivamente! Pero no es tan simple. En realidad, esa es una pregunta abierta que interesa tanto a los matemáticos como a los físicos (incluyéndome a mí ;)), y la respuesta no es tan simple de responder teóricamente y la mayoría de las situaciones que podemos imaginar conducen a un campo magnético decreciente exponencialmente (pero no es lo que pensamos). observar en la tierra, el sol y muchos otros objetos estelares, ¡así que existen otras posibilidades!).

¿Por qué no es tan simple? Porque cuando un electrón se mueve, irradia un campo electromagnético, y parte de él se "pierde" (puedes imaginarlo como el hecho de que parte del campo electromagnético de la tierra sale de él, por lo tanto, por conservación de energía, el núcleo pierde algo de energía!). Así tenemos una retroalimentación positiva entre el campo magnético y el movimiento del fluido por un lado, y “perdida” por las radiaciones.

Ahora, ¿cómo comenzó? El núcleo inicialmente tenía su propio movimiento, y solo necesitábamos un pequeño paso (lo que estadísticamente sucede con seguridad) para lanzar el sistema completo gradualmente, y eso es todo, ¡ahora estamos en eso!

Si quieres saber más sobre ese tema, la palabra clave es Magnetohidrodinámica. La situación se ha puesto en ecuaciones hace mucho tiempo, y hay muy buenas explicaciones (mucho mejores que mi pequeño blabla) sobre cómo funciona Internet.

Para responder a la pregunta de Luboš Motl

También me gustaría saber cuál es la variabilidad natural en la magnitud del campo magnético en 100 años, etc. ¿Es común que disminuya un 10% en 150 años, como en los últimos 150 años? –

Es incluso peor que eso, en realidad tenemos "muy a menudo" un fenómeno llamado inversión geomagnética, es decir, que el norte se convierte en sur y el sur se convierte en norte. En realidad no sucedió desde que inventamos la brújula, pero detectamos este fenómeno por el hecho de que algunas rocas volcánicas no tenían la misma orientación magnética (ver mi primer párrafo) cuando se formaron a lo largo de las edades. Este fenómeno también es muy difícil de predecir teóricamente, aunque logramos verlo en experimentos en la última década. Cuidado, puede suceder de verdad en los próximos siglos :)

(Por cierto, sucede faaar más a menudo bajo el sol, aproximadamente cada diez años, y esto ya se observó durante mucho tiempo)

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