Dynamo-vaikutus (astrofysiikka)

In astrophysics , teoria dynamo vaikutus käsittelee tapaukset, joissa johtava esine , joka on taivaankappale tai planeetan generoi magneettikentän , kun se läpi kulkee sähkövirta . Taustalla oleva fyysinen teoria on samanlainen kuin joka kuvaa dynamo vaikutus on sähkötekniikan .

Nämä induktiiviset ilmiöt mahdollistavat selittää muodostumista magneettikentän ympärillä tähti, kuten että Maan , jonka maanpäällinen dynamo vaikutus , kuin Sun , jonka aurinko dynamo tai ympärillään muiden planeettojen tai tähdet .

Tämän alan edistysaskeleet voisivat antaa paremman käsityksen tietyistä magnetohydrodynaamisista ongelmista ja selittää auringon ja magnetarien (tietyntyyppinen neutronitähti ) tietyt ominaisuudet .

Historiallinen

Vuonna 1600 julkaistussa de Magnetessa  (en) William Gilbert päättelee, että maapallolla on pysyvä magnetismi, kuten magnetiitin . Maan magneettisen dipolin havainto , joka käsittää suuren osan maapallon magneettikentästä ja joka näytti tuolloin havaittujen olevan kiinnitetty noin 11 asteen poikkeamalla maapallon pyörimisakselista , viihdytti tätä ajatusta.

Vuonna 1919 Joseph Larmor ehdotti, että dynamo voisi luoda kentän. Hän yrittää kuitenkin selittää jälkimmäistä suhteessa auringon magneettikenttään. Larmor ei suostuta ikäisensä. Carl Friedrich Gaussin teorioiden soveltaminen magneettisiin havaintoihin osoittaa, että maapallon magneettikenttä on pikemminkin sisäinen kuin ulkoinen.

Muut tutkijat tarjoavat vaihtoehtoisia selityksiä. Einstein spekuloi, että elektronin ja protonin varausten välillä voi olla epäsymmetria, joka koko maan mittakaavassa tuottaisi sen magneettikentän. Sillä välin Patrick Blackett yritti sarjaa kokeita löytääksesi perustavan suhteen kulmamomentin ja magneettisen momentin välillä , mutta ei tullut mitään.

Walter M. Elsasser , jota pidetään nykyisen maapallon dynamovaikutusta koskevan teorian isänä, väittää, että magneettisuutta synnyttävät maapallon ulommassa nestemäisessä ytimessä indusoidut sähkövirrat . Hän oli yksi ensimmäisistä, joka tutki mineraalien magneettista suuntaa kivissä ja kvantifioi maapallon magneettikentän vaihtelun ajan myötä.

Magneettikentän ylläpitämiseksi ohmista hajoamista vastaan (joka tapahtuisi dipolikentällä 20000 vuodessa), ulommalle sydämelle on tehtävä konvektiiviliikkeet .

Toistaiseksi maapallon magneettikentän digitaalista mallintamista ei ole vielä osoitettu onnistuneesti, mutta se näyttää toteutettavalta. Ensimmäiset mallit keskittyvät kentän tuottamiseen johtuen konvektioliikkeistä planeetan nestemäisessä ytimessä. Oli mahdollista osoittaa yhtä voimakkaan kentän muodostuminen kuin maapallon, kun malli otti tasaisen lämpötilan ytimen pinnalla ja nestemäisen magman epätavallisen korkean viskositeetin . Laskelmat, jotka sisältävät realistisempia parametreja, tuottavat magneettikentän arvoja, jotka ovat pienempiä kuin mitatut, mutta myös tasoittavat tietä nykyisten mallien hienosäätöön, mikä voisi viime kädessä johtaa yhteen, tarkkaan analyyttiseen malliin. Siten maapallon ytimen pinnan lämpötilan hyvin pienet , muutaman millikelviinin suuruiset vaihtelut aiheuttavat konvektiovirtauksen suuria nousuja ja tuottavat realistisemman magneettikentän.

Virallinen määritelmä

Dynamovaikutusteoria kuvaa prosessia, jossa pyöriminen konvektiivisella liikkeellä johtavassa nesteessä ylläpitää magneettikenttää. Tätä teoriaa käytetään selittämään pitkäaikaisten magneettikenttien läsnäolo tähtitieteellisissä kappaleissa. Maanpäällisessä tapauksessa johtava neste on ulkosydämessä oleva nestemäinen rauta . Siinä tapauksessa aurinko dynamo , se on kaasu ionisoitu tachocline . Astrofysikaalisten kappaleiden dynamoteoria käyttää magnetohydrodynaamisia yhtälöitä tutkimaan, kuinka neste voi jatkuvasti uudistaa magneettikentän.

Dynamon toimintaan vaaditaan kolme ehtoa:

  1. Väliaine, joka koostuu sähköä johtavasta nesteestä,
  2. Pyörimisen tuottamasta kineettisestä energiasta
  3. Sisäinen energialähde konvektiivisten liikkeiden ohjaamiseksi nesteessä.

Maan tapauksessa magneettikenttä indusoituu ja päivittyy jatkuvasti nestemäisen raudan konvektiolla ulkosydämessä. Ero pyörimistä ulomman ytimen on järjestetty, että Coriolis-voima johtuen Maan pyöriminen. Coriolis-voima siten pyrkii aiheuttamaan nesteiden liikkumisen ja sähkövirtaa sarakkeet  (in) linjassa pyörimisakselin.

Magneettikenttä (B) riippuu nopeudesta (u), ajasta (t), magneettisesta läpäisevyydestä ( ) ja magneettisesta diffuusiosta ( ) induktioyhtälön mukaan:

Oikealla puolella olevan toisen termin ja ensimmäisen termin välinen suhde on magneettinen Reynoldsin luku .

Lämmitys vuorovesi vaikutuksella

Vuorovesivoimia välillä taivaankappaleissa kiertoradalla aiheuttavat kitkaa, joka lämmittää sisätilojen näiden elinten ja auttaa yhdistämään tekijät lataus, edellyttäen, että tämä sisätila on johtava. Esimerkiksi vuorovesivoimia suoritettua satelliittien Enceladus on Saturnus ja Io on Jupiter ovat riittävät nesteyttää sisätilojen näiden tähdet, vaikka ne eivät välttämättä ole riittävän johtavaa. Pienestä koostaan ​​huolimatta elohopealla on magneettikenttä, koska sillä on johtava nestesydän, kun taas riittävän kitka johtuu sen hyvin elliptisestä kiertoradasta . Eräs teoria, jota tukevat magneettiset kuu-kivet, viittaa siihen, että Kuulla oli kerran magneettikenttä.

Kinemaattinen dynamo

Kinemaattisessa dynamoteoriassa sen sijaan, että se olisi dynaaminen muuttuja, nopeuskenttä määritetään. Se määritetään käyttämällä Maxwellin yhtälöitä konjugoituna Ohmin lakiin .

Kinemaattisen dynamoteorian mielenkiintoisin piirre on, että sitä voidaan testata, kykeneekö nopeuskenttä luomaan dynamovaikutuksen vai ei.

Epälineaarinen dynamo

Kinemaattinen approksimaatio muuttuu virheelliseksi, kun magneettikenttä tulee riittävän voimakkaaksi vaikuttamaan nesteen liikkeisiin. Tässä tapauksessa nopeuskenttään vaikuttaa Lorentzin voima, eikä induktioyhtälö ole enää lineaarinen. Tässä tilanteessa digitaalisia malleja käytetään täysin epälineaaristen dynamojen simulointiin.

Huomautuksia ja viitteitä

(fr) Tämä artikkeli on osittain tai kokonaan otettu Wikipedian englanninkielisestä artikkelista Dynamo-teoria  " ( katso kirjoittajaluettelo ) .
  1. (in) J. Larmor , "  Miten pyörivää kappaletta kuten aurinko puoleensa?  ” , Reports of British Association , voi.  87,1919, s.  159-160
  2. (in) J. Larmor , "  Auringon ja maan pyörivien magneettikenttien mahdollinen alkuperä  " , Electrical Review , voi.  85,1919, s.  412ff
  3. (in) Mary Jo Nye , "  kiusauksia teoriassa strategioita todisteiden: PMS Blackett ja maapallon magnetismi, 1947-1952  " , British Journal tieteen historian , vol.  32, n o  1,1. st maaliskuu 1999, s.  69–92 ( DOI  10.1017 / S0007087498003495 )
  4. Merrill, McElhinny ja McFadden 1996 , s.  17.
  5. (in) Ataru Sakuraba ja Paul H. Roberts , "  Generation of a voimakas magneettikenttä käyttämällä yhtäläinen lämpövirta on pinta-ala ydin  " , Nature Geoscience , Nature Publishing Group, voi.  2,4. lokakuuta 2009, s.  802-805 ( DOI  10.1038 / ngeo643 , Bibcode  2009NatGe ... 2..802S , yhteenveto )
  6. (vuonna) Bruce Buffett , "  geodynamo: A question of limits  " , Nature Geoscience , Nature Publishing Group, voi.  2,2009, s.  741-742 ( DOI  10.1038 / ngeo673 , Bibcode  2009NatGe ... 2..741B , yhteenveto )
  7. (in) E. Palle , maapalloa kaukaiselle planeetalle A Rosetta Stonen etsimään Maan kaltaisia Worlds (Astronomy and Astrophysics kirjasto) , Berliini, Springer,2010, 422  Sivumäärä ( ISBN  978-1-4419-1683-9 ja 1-4419-1683-0 , lue verkossa )
  8. (en) Bill Steigerwald, Saturnuksen jäinen kuu saattaa pitää valtameret nestemäisenä huojunnan kanssa  " , NASA, 6. lokakuuta 2010
  9. (sisään) Nikki Cassis, "  Jupiterin kuun Io: n geologinen kartta sisältää tietoja muusta maasta tulivuoren alueesta  " , Astrogeologian tiedekeskus,19. maaliskuuta 2012
  10. (in) "  Mercuryn yllättävät ydin- ja maisema-uteliaisuudet  " , MESSENGER , Carnegie Institute for Science,21. maaliskuuta 2012
  11. (in) Tim Stevens, Ancient kuun dynamo saattaa selittää magnetisoitu kuu kiviä  " , University of California, marraskuussa 2011 0

Bibliografia

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit