динамо эффект магнитное поле
Откуда берется магнитное поле Земли?
Это магнитное поле важно как для нас, так и для жизни в целом: оно действует как щит, защищающий нас от солнечных ветров. Эти ветры являются потоками заряженных частиц и в противном случае были бы смертельны для очень большой доли живых существ и в конечном итоге сдули бы нашу атмосферу.
Солнце, Юпитер или Сатурн также имеют магнитосферу. У Луны, Марса или Венеры ее нет или больше нет. Поэтому мы можем задаться вопросом, почему Земля и некоторые планеты имеют ее и откуда она взялась.
Источник энергии этого магнитного поля
Планета Земля имеет твердую кору (почва, каменистая), но металлическое сердце, состоящее из железа и никеля, частично жидкого, расплавленного из-за жары. Железо и никель, очень плотные, оказались там под действием силы тяжести при образовании Земли.
Важно то, что ядро Земли является частично жидким: это означает, что внутри нашей планеты происходят движения тепловой конвекции. Тот факт, что ядро металлическое, также имеет решающее значение, потому что это означает, что ядро Земли является проводником электричества и магнитных полей.
В дополнение к этой информации о внутренней структуре Земли, мы должны добавить тот факт, что планета вращается вокруг оси. Это тривиально, но важно по двум основным причинам.
Во-вторых, подобно тому, как вращение Земли является причиной появления циклонов в атмосфере, так и появление вращающихся столбов лавы в жидкой части земного ядра.
Подводя итог: Земля вращается, и это создает вращающиеся массы жидкого и проводящего железа в ядре. Если вы видите механизм формирования магнитного поля с этим, это нормально! Но пока еще не все.
Динамо-эффект
На данный момент мы имеем вращающуюся жидкую проводящую массу. Однако этого недостаточно для создания и поддержания магнитного поля. Потребовалось бы, например, внешнее магнитное поле, омывающее Землю: последнее вызывало бы ток в металлическом ядре, который производил бы магнитное поле Земли.
Проблема в том, что Земля не купается во внешнем магнитном поле. Не достаточно мощное поле во всяком случае.
Таким образом, если бы был точечный магнитный импульс, электрический ток появится в ядре Земли, но он будет рассеиваться очень быстро, и магнитное поле Земли также будет быстро исчезать.
Итак, давайте возьмем планету Земля, как это описано выше: с жидким, вращающимся металлическим сердечником.
Предположим, что Земля была в прошлом в ранее существовавшем внешнем магнитном поле. Как было сказано выше, это поле вызовет ток в жидких частях ядра, и этот ток создаст магнитное поле Земли, противоположное внешнему полю.
Теперь мы должны учитывать конвекционные явления, связанные с внутренним теплом Земли, и явления вращения жидких масс, связанные с вращением Земли. Это два первичных источника энергии, которые будут постепенно преобразовываться в электромагнитную энергию и излучать магнитное поле.
Эти металлические «циклоны», расплавленные во внешнем ядре, принимают форму вращающихся цилиндров, которые будут выравниваться с осью вращения Земли (таким образом, по оси Север-Юг). Делая это, линии электрического тока, индуцированные магнитным полем, будут как бы наматываться на себя, образуя катушку, и растягиваться в длину конвекцией. Линии электрического тока удлиняются : это если индуктивная катушка становится больше, а магнитное поле сильнее.
Таким образом, возникает эффект, когда катушка растягивается и позволяет увеличить количество магнитной энергии от тепловой конвекции и эффекта Кориолиса за счет вращения Земли.
В результате магнитное поле Земли, в противоположность рассеиванию, умудряется поддерживать себя: вращение и конвекция Земли в ядре постоянно накачивают энергию в электромагнитную систему, чтобы компенсировать потери.
Теперь, когда производится магнитная энергия, первоначальное магнитное поле, в котором, как говорят, купалась Земля, может исчезнуть: в этом больше нет необходимости.
Создаваемое магнитное поле поддерживается слоями расплавленного жидкого металла, которые поднимаются на поверхность.
Когда эти слои достигают внешнего предела ядра, конвекции (в этом слое) больше нет, и поле исчезает. Тем не менее это поле будет иметь наведенные электрические токи в нижних слоях, которые также будут производить свое магнитное поле, и увековечить производство магнитного поля.
Таким образом, пока существует конвекция в ядре и вращение нашей планеты, производящее силы Кориолиса, магнитное поле будет существовать.
Конвекционные движения сложны, имеют хаотические составляющие и иногда могут менять направление. Поэтому возможно, что магнитное поле Земли изменится и магнитные полюса будут двигаться и могут даже повернуть вспять. В истории нашей планеты эти инверсии происходили 300 раз за последние 200 миллионов лет, примерно каждые 660 000 лет; последняя произошла около 780 000 лет назад.
Феномен, который до сих пор плохо объяснен
Как было сказано во введении, если источник планетарного магнитного поля называется динамо-эффектом и существуют хорошие теории для его объяснения, то его происхождение остается неизвестным. Как уже говорилось, для этого потребовалось начальное магнитное поле, даже слабое или локальное.
Этот источник остается неизвестным, но если бы его не было с самого начала, жизнь, вероятно, не развивалась бы, по крайней мере, не так сильно и не так хорошо на этой планете. Это один из многих параметров, которые дали Земле необходимые ингредиенты для появления и поддержания жизни, и которые могут объяснить, почему жизнь, наконец, является чем-то гораздо более редким, чем первоначально представлялось.
Кроме того, форма магнитного поля и линии поля сложны и зависят от многих факторов: текучести магмы, локальных изменений температуры, химического состава магмы.
Численное моделирование все еще с трудом учитывает реальные наблюдения, несмотря на то, что мы постепенно приближаемся к функциональной модели.
Теория самовозбуждающегося динамо
Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений. Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.
Магнитное динамо
Гидромагнитное (или магнитогидродинамическое, или просто МГД-) динамо (динамо-эффект) — эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости.
Содержание
Теория
Теорема Каулинга доказывает, что двумерные или осесимметричные движения проводящей среды не могут вызвать постоянный рост магнитного поля. Эта и другие «антидинамо-теоремы» долгое время сдерживали попытки найти работающий пример самогенерации магнитного поля.
Первой конфигурацией, показывающей возможность генерации магнитного поля при специальном движении проводящей среды, было динамо Пономаренко (1978). После этого было исследовано несколько примеров конфигураций, допускающих такую возможность (в частности, ABC-динамо, динамо Ричардсона и др.)
Приложения
Магнитное поле в любой проводящей (но не сверхпроводящей) среде со временем быстро затухает и даже если во время своего образования астрономические объекты (галактики, звёзды, планеты) имели какое-то магнитное поле, то к настоящему времени его бы уже нельзя было зарегистрировать. Тем не менее у большинства объектов магнитное поле существует. Одной из теорий, объясняющей поддержание амплитуды магнитного поля, может быть теория динамо.
Геодинамо
Поскольку во время инверсии магнитное поле практически отсутствует, на Землю обрушится ливень заряженных частиц, основная доля которых приходится на поток, испускаемый Солнцем. По палеомагнитным данным, в прошлом такие инверсии происходили через некоторые (случайные) промежутки времени. Каким образом это влияет на биосферу Земли (и влияет ли вообще) на сегодняшний день — неизвестно.
Солнечное динамо
Предполагается, что магнитное динамо ответственно за существование магнитного поля Солнца, которое проявляется, в частности, в образовании солнечных пятен.
ДИНАМО-ЭФФЕКТ
Полезное
Смотреть что такое «ДИНАМО-ЭФФЕКТ» в других словарях:
ДИНАМО-ЭФФЕКТ — ДИНАМО ЭФФЕКТ, см. Гидромагнитное динамо (см. ГИДРОМАГНИТНОЕ ДИНАМО) … Энциклопедический словарь
Магнитное динамо — Гидромагнитное (или магнитогидродинамическое, или просто МГД ) динамо (динамо эффект) эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости. Содержание 1 Теория 2 Приложения 2.1 Ге … Википедия
гидромагнитное динамо — усиление или поддержание в стационарном состоянии магнитного поля гидродинамическим движением проводящей среды (плазмы, жидкости). Механизм гидромагнитного динамо подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо машине с… … Энциклопедический словарь
Солнечное динамо — … Википедия
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА — Солнце и обращающиеся вокруг него небесные тела 9 планет, более 63 спутников, четыре системы колец у планет гигантов, десятки тысяч астероидов, несметное количество метеороидов размером от валунов до пылинок, а также миллионы комет. В… … Энциклопедия Кольера
ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ — (геомагнетизм), 1) магнитное поле Земли. 2) Раздел геофизики, изучающий распределение в пр ве и изменения во времени магн. поля Земли, а также связанные с ним физ. процессы в Земле и в атмосфере. В каждой точке пр ва геомагн. поле характеризуется … Физическая энциклопедия
МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА — наука о движении электропроводящих жидкостей и газов в присутствии магнитного поля; раздел физики, развившийся на стыке гидродинамики и классической электродинамики. Характерными для М. г. объектами явл. плазма (настолько, что М. г. иногда… … Физическая энциклопедия
Космическая магнитогидродинамика — раздел астрофизики, сформировавшийся в 40 х гг. 20 в., в котором методы магнитной гидродинамики (См. Магнитная гидродинамика) применяются при исследованиях космических объектов: Солнца, звёзд, межзвёздного газа, межпланетной среды,… … Большая советская энциклопедия
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ — силовое поле, действующее на движущиеся электрич. заряды и на тела, обладающие магнитным моментом (независимо от состояния их движения). М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В. Значение В определяет силу, действующую в данной точке… … Физическая энциклопедия
СОДЕРЖАНИЕ
История теории
На заре 21-го века численное моделирование магнитного поля Земли не было успешно продемонстрировано, но, похоже, доступно. Первоначальные модели сосредоточены на генерации поля за счет конвекции во внешнем жидком ядре планеты. Можно было продемонстрировать генерацию сильного поля, подобного Земле, когда модель предполагала однородную температуру поверхности ядра и исключительно высокую вязкость жидкости ядра. Расчеты, которые включали более реалистичные значения параметров, дали магнитные поля, которые были менее похожи на земные, но также указали путь для уточнения модели, которая в конечном итоге может привести к точной аналитической модели. Незначительные изменения температуры поверхности ядра в диапазоне нескольких милликельвинов приводят к значительному увеличению конвективного потока и создают более реалистичные магнитные поля.
Формальное определение
Для работы динамо-машины необходимы три условия:
В случае Земли магнитное поле создается и постоянно поддерживается конвекцией жидкого железа во внешнем ядре. Необходимым условием для индукции поля является вращающаяся жидкость. Вращение внешнего ядра обеспечивается эффектом Кориолиса, вызванным вращением Земли. Сила Кориолиса имеет тенденцию организовывать движения жидкости и электрические токи в столбцы (см. Также столбцы Тейлора ), выровненные с осью вращения. Индукция или создание магнитного поля описывается уравнением индукции :
∂ B ∂ т знак равно η ∇ 2 B + ∇ × ( ты × B ) <\ displaystyle <\ frac <\ partial \ mathbf > <\ partial t>> = \ eta \ nabla ^ <2>\ mathbf + \ nabla \ times (\ mathbf \ times \ mathbf )> 
Приливное отопление, поддерживающее динамо-машину
Приливные силы между небесными телами вызывают трение, которое нагревает их внутренности. Это называется приливным нагревом и помогает поддерживать внутреннее состояние в жидком состоянии. Для производства динамо-машины требуется внутренняя жидкость, которая может проводить электричество. Энцелад Сатурна и Ио Юпитера обладают достаточным приливным нагревом, чтобы сжижать свои внутренние ядра, но они не могут создать динамо, потому что не могут проводить электричество. У Меркурия, несмотря на его небольшой размер, есть магнитное поле, потому что у него есть проводящее жидкое ядро, созданное его составом из железа и трением, возникающим из-за его сильно эллиптической орбиты. Предполагается, что у Луны когда-то было магнитное поле, основываясь на данных, полученных от намагниченных лунных горных пород, из-за кратковременного близкого расстояния к Земле, вызывающего приливный нагрев. Орбита и вращение планеты помогают создать жидкое ядро и дополняют кинетическую энергию, которая поддерживает действие динамо.
Кинематическая теория динамо
В кинематической теории динамо поле скорости предписано вместо того, чтобы быть динамической переменной: модель не предусматривает искажения потока в ответ на магнитное поле. Этот метод не может обеспечить изменение во времени поведения полностью нелинейного хаотического динамо, но может использоваться для изучения того, как напряженность магнитного поля изменяется в зависимости от структуры и скорости потока.
Практическая мера возможных динамо
Наиболее функциональная особенность кинематической теории динамо состоит в том, что ее можно использовать для проверки того, способно ли поле скорости к действию динамо. Экспериментально прикладывая определенное поле скорости к небольшому магнитному полю, можно наблюдать, имеет ли магнитное поле тенденцию к увеличению (или нет) в ответ на приложенный поток. Если магнитное поле действительно растет, то система либо способна к действию динамо, либо является динамо-машиной, но если магнитное поле не растет, то ее просто называют «не динамо».
Самопроизвольное нарушение топологической суперсимметрии.
Нелинейная теория динамо
Численные модели используются для моделирования полностью нелинейных динамо. Используются следующие уравнения:
Затем эти уравнения безразмерны, вводятся безразмерные параметры,
Преобразование энергии между магнитной и кинематической энергией
>
Из приведенной выше диаграммы неясно, почему этот член должен быть положительным. Простой аргумент может быть основан на рассмотрении чистых эффектов. Чтобы создать магнитное поле, чистый электрический ток должен обернуться вокруг оси вращения планеты. В этом случае, чтобы член был положительным, чистый поток проводящего вещества должен быть направлен к оси вращения. На диаграмме показан только чистый поток от полюсов к экватору. Однако сохранение массы требует дополнительного потока от экватора к полюсам. Если бы этот поток был вдоль оси вращения, это означает, что циркуляция будет завершена потоком от показанных к оси вращения, производя желаемый эффект.
Порядок величины магнитного поля, создаваемого динамо-машиной Земли
Из них гравитационная сила и центробежная сила являются консервативными и, следовательно, не имеют общего вклада в движение жидкости в замкнутых контурах. Число Экмана (определенное выше), которое представляет собой соотношение между двумя оставшимися силами, а именно вязкостью и силой Кориолиса, очень мало внутри внешнего ядра Земли, потому что его вязкость мала (1,2–1,5 × 10–2 паскаль-секунды ) из-за к его ликвидности.
Численные модели
В широком смысле модели геодинамо пытаются создать магнитные поля, согласующиеся с данными наблюдений, при определенных условиях и уравнениях, упомянутых в разделах выше. Успешная реализация уравнений магнитной гидродинамики имела особое значение, потому что они подтолкнули модели динамо к самосогласованности. Хотя модели геодинамо особенно распространены, модели динамо не обязательно ограничиваются геодинамо; Представляют интерес также солнечные и общие модели динамо. Изучение моделей динамо полезно в области геофизики, так как с его помощью можно определить, как различные механизмы формируют магнитные поля, подобные тем, которые создаются астрофизическими телами, такими как Земля, и как они заставляют магнитные поля проявлять определенные особенности, такие как изменение полярности.
Первые самосогласованные модели динамо, определяющие как движения жидкости, так и магнитное поле, были разработаны двумя группами в 1995 году: одной в Японии и одной в Соединенных Штатах. Последний был создан в качестве модели для геодинамо и получил значительное внимание, поскольку успешно воспроизводил некоторые характеристики поля Земли. После этого прорыва произошел большой скачок в разработке разумных трехмерных моделей динамо.
Наблюдения
Современное моделирование
Со времени прорыва в самосогласованном виде в 1995 г. было предложено множество улучшений в моделировании динамо. Одним из предложений при изучении сложных изменений магнитного поля является применение спектральных методов для упрощения вычислений. В конечном счете, до тех пор, пока не будет достигнута значительная мощность компьютеров, методы расчета реалистичных моделей динамо должны быть сделаны более эффективными, поэтому улучшение методов расчета модели имеет большое значение для развития численного моделирования динамо.