Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że kryształy żelaza w jądrach planet mogą tworzyć się gwałtownie, powodując okresowe dynamo.
Naukowcy uważają, że podobnie jak kryształy śniegu, które formują się w górnych warstwach atmosfery i opadają na niższe, cieplejsze obszary, zjawisko zwanego „żelaznym śniegiem” występuje w stopionych żelaznych jądrach niektórych ciał planetarnych. Chłodzenie w obszarze granicy jądro-płaszcz powoduje powstawanie kryształów żelaza, które następnie topią się, opadając głębiej w gorące jądro. Ten ruch może generować pola magnetyczne w mniejszych ciałach, takich jak Merkury i księżyc Jowisza, Ganimedes, lecz jego dokładna dynamika nie jest jeszcze w pełni zrozumiała.
W pierwszym tego rodzaju eksperymencie Ludovic Huguet i jego koledzy modelowali żelazny śnieg w laboratorium, używając lodu wodnego, co pozwoliło im odkryć wyraźne cykle tworzenia się kryształów oraz okresy braku aktywności. Ekstrapolując te wyniki na ciała planetarne, odkrycia te mogą sugerować, że planetarne pola magnetyczne pojawiają się i znikają okresowo, gdy ich dynamo włącza się i wyłącza.
Konfiguracja eksperymentalna naukowców była dość prosta – zbiornik wody był chłodzony od dołu, a na dnie znajdowała się warstwa słonej wody, aby zapobiec przyklejaniu się kryształów lodu. Gdy dolne warstwy słodkiej wody ochładzały się, powstawały kryształki lodu, które unosząc się w górę, topiły się po dotarciu do cieplejszej wody. Ten proces powodował powstanie prądu wywracającego, który wraz z ciepłem wydzielanym podczas tworzenia się kryształków, ostatecznie ogrzał niższe warstwy wody i zatrzymał powstawanie kryształków lodu. Gdy woda ponownie wystarczająco się ochłodziła, proces rozpoczął się od nowa.
Naukowcy odkryli, że cykle tworzenia kryształów, zwane „wybuchami”, powtarzały się co około 1400 sekund w przeprowadzonych przez nich eksperymentach. Tempo tego procesu było kontrolowane przez dyfuzję ciepła w warstwie chłodzącej, z pewną zmiennością prawdopodobnie wynikającą z niejednorodności w zarodkowaniu kryształów. Ich model wskazuje, że planety ze stopionymi żelaznymi jądrami mogą przechodzić przez analogiczne cykle tworzenia się żelaznego śniegu, które generują wewnętrzne przepływy płynów w stopionym żelazie. To zjawisko napędza okresowe dynamo, tworząc planetarne pole magnetyczne, które może pojawiać się i znikać w półregularnych odstępach czasu w tych ciałach.
Autorzy pracy opublikowanej w Geophysical Research Letters zauważają, że pozostaje kilka pytań dotyczących tego procesu, w tym jaki stopień przechłodzenia jest niezbędny do powstania kryształów, w jaki sposób cząsteczki żelaznego śniegu poruszają się zbiorowo i jak te ruchy wpływają na przepływ na dłuższą skalę w jądrze.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Iron Snow Ebb and Flow May Cause Magnetic Fields to Come and Go
- A Laboratory Model for Iron Snow in Planetary Cores
Źródło: EOS
Na ilustracji: Śnieg żelazny może wystąpić, gdy ochłodzenie w pobliżu granicy rdzeń-płaszcz powoduje powstawanie kryształów żelaza. Kryształy te rosną, następnie opadają do gorącego rdzenia i topią się. Źródło: Zdjęcie: Ludovic Huguet i tekstura mapy z NASA/Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa/Carnegie Institution of Washington
