LE NOYAU DE LA TERRE


 

Le géodynamo
 
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Enregistrements paléomagnétiques indiquent que le champ magnétique terrestre

existe depuis au moins trois milliards d'années. Cependant, sur la base de la taille et de la conductivité électrique du noyau de la Terre, le champ, si ce n'était pas toujours généré, serait pourrir loin dans seulement environ 20.000 ans que la température du noyau est trop élevé pour maintenir le magnétisme permanent.

 En outre, les enregistrements paléomagnétiques montrent que la polarité dipolaire du champ magnétique terrestre s'est inversé de nombreuses fois dans le passé, le temps moyen entre les inversions étant environ 200000 années avec des événements d'inversion individuels prenant seulement quelques milliers d'années.

Ces observations plaident pour un mécanisme dans l'intérieur de la Terre qui génère continuellement le champ géomagnétique. Il a longtemps été supposé que ce mécanisme est une exploitation de dynamo convection dans le noyau externe liquide de la Terre, qui entoure son noyau interne solide, les deux étant composé principalement de fer. Le noyau interne solide est à peu près la taille de la lune

, mais à la température de la surface du soleil. La convection dans le noyau externe fluide est pensé pour être entraîné par les deux sources de flottabilité thermique et la composition à la limite du noyau interne, qui sont produites alors que la Terre se refroidit lentement et le fer dans l'alliage liquide riche en fer se solidifie sur l'âme intérieure un dégagement de chaleur latente et le constituant de l'alliage léger. Ces forces de flottabilité engendrent fluide à augmenter et les forces de Coriolis, due à la rotation de la Terre, provoquent des écoulements de fluides soient hélicoïdale. On peut supposer que ce champ magnétique rebondissements de mouvement et cisailles fluide, générant nouveau champ magnétique pour remplacer celui qui diffuse loin.

Cependant, jusqu'à présent, aucun modèle dynamique auto-cohérent détaillée existait que démontré cela pourrait effectivement travailler ou expliqué pourquoi le champ magnétique terrestre a l'intensité qu'il fait, a une structure fortement dipôle-dominé avec un axe de dipôle près alignées avec l'axe de rotation de la Terre, a une structure non dipolaire champ qui varie sur l'échelle de temps de dix à cent ans et pourquoi

le champ subit parfois des inversions de dipôles. Afin de tester l'hypothèse de la dynamo convective et de tenter de répondre à ces questions de longue date, le premier modèle numérique auto-cohérent, le modèle Glatzmaier-Roberts, a été élaboré qui simule la convection et la génération du champ magnétique dans un noyau

externe liquide qui entoure un noyau interne solide ( Figure 1) avec les dimensions, la vitesse de rotation, le flux de chaleur et (autant que possible) les propriétés du matériau de noyau de la Terre [1-5]. Les équations MHD qui décrivent ce problème sont résolus en utilisant une méthode spectrale (expansions polynomiales harmoniques sphériques et Chebyshev) qui traite tous les termes linéaires implicitement et explicitement les termes non linéaires [4]. Ces équations sont résolues encore et encore, faire avancer la solution dépend du temps 15 jours à la fois.

 

 


Fig.1 Un aperçu de la région (jaune) où l'écoulement du fluide est le plus grand. La frontière noyau-manteau est le maillage bleu; la limite noyau interne est la maille rouge. D'importants flux de zone (vers l'est à proximité de l'âme interne et vers l'ouest près de l'enveloppe) existent sur ​​un "cylindre tangent" imaginaire en raison des effets de rotation importante, faible viscosité du fluide, et la présence de l'âme interne solide à l'intérieur de la coquille sphérique du fluide externe noyau. (Cliquez sur l'image pour télécharger, 0,15 Mo)

La simulation numérique tridimensionnel résultant de la géodynamique, de fonctionner sur des superordinateurs parallèles au Pittsburgh Supercomputing Center et le Laboratoire national de Los Alamos, s'étend maintenant sur plus de 300.000 ans. Le champ magnétique simulé possède une intensité et d'une structure de dipôle dominé qui est très semblable à de la terre (la figure 2) et une dérive vers l'ouest des structures non-dipolaires du champ à la surface qui est essentiellement le même que le 0,2 degrés / an mesuré sur la Terre. Notre solution illustre la manière dont l'influence de la rotation de la Terre sur la convection dans le noyau externe fluide est responsable de cette structure de champ magnétique et en fonction du temps [1].

 


Fig.2 Un aperçu de la structure du champ magnétique 3D simulé avec le modèle Glatzmaier-Roberts géodynamo. Lignes de champ magnétique sont en bleu où le champ est dirigé vers l'intérieur et jaune où dirigée vers l'extérieur. L'axe de rotation du modèle de la Terre est vertical et passant par le centre. Une transition se produit à la frontière noyau-manteau de la structure intense, compliquée champ dans le noyau fluide, où le champ est généré, à la structure du champ lisse, le potentiel à l'extérieur du noyau. Les lignes de champ sont étirés à deux rayons de la Terre. Le champ magnétique est rappe autour du "cylindre tangent" en raison du cisaillement de l'écoulement de fluide de zone (Fig. 1). (Cliquez sur l'image pour télécharger, 0,15 Mo)

En outre, environ 36000 années dans la simulation du champ magnétique a subi un renversement de son moment dipolaire (figure 3), sur une période d'un peu plus de mille ans. L'intensité du moment de dipôle magnétique a diminué d'environ un facteur de dix au cours de l'inversion et récupéré immédiatement après, similaire à ce qui est vu dans la fiche d'inversion paléomagnétique de la Terre.Notre solution montre comment la convection dans le noyau externe liquide essaie continuellement de renverser le terrain, mais que le noyau interne solide inhibe inversions magnétiques parce que le champ dans le noyau interne ne peut changer l'échelle de temps beaucoup plus de diffusion [2]. Une seule fois dans de nombreuses tentatives est une inversion réussie, ce qui est probablement la raison pour laquelle les temps entre les inversions du champ de la Terre sont longues et réparties de manière aléatoire.

 
Fig.3 Comme dans la figure. 2, mais 500 ans avant le milieu d'un renversement de dipôle magnétique, au milieu du retournement, et 500 ans après le milieu de l'inversion. (Cliquez sur les images pour télécharger, 0,15 Mo chacune)

Après la première inversion magnétique, nous avons continué notre simulation sur deux branches différentes: l'une en continuant à prescrire un flux de chaleur uniforme de la base à la frontière noyau-manteau et l'autre en prescrivant un flux de chaleur hétérogène là qui est similaire à celle de la Terre modèle actuel. L'ancien n'a pas inversé à nouveau, ce dernier a subi deux autres reprises, environ 100.000 ans d'intervalle. Ceci démontre l'influence de la structure thermique dans le manteau inférieur présente sur la section de convection et de génération de champ magnétique dans le noyau liquide en dessous. Voir un film de l'un de nos inversions magnétiques simulés.

Une partie de cette solution numérique est le débit du solide noyau interne par rapport à la surface, qui évolue en fonction du couple appliqué sur le noyau interne par le champ magnétique généré par la rotation. Notre solution montre comment les couples de champ du noyau interne de fluide en écoulement vers l'est au-dessus (figure 4a), en le maintenant en co-rotation [5]. Ce mécanisme est analogue à un moteur électrique synchrone pour laquelle le champ, réalisé vers l'est par le fluide, se comporte comme le champ magnétique rotatif dans le stator et le noyau intérieur comporte comme le rotor.

 

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