Poolomslag

Het omklappen van het aardmagnetisch veld is verklaarbaar door ijzerstromen in de kern. Het is nu nagebootst in het lab en met de computer. Michiel van Nieuwstadt

In een vat met snelstromend vloeibaar metaal is voor het eerst een magnetisch veld opgewekt dat model kan staan voor het aardmagnetisch veld. Geofysici van de Ecole Normale Supérieure in Parijs slaagden er in het magnetische veld op te wekken en gemiddeld eens in de minuut te laten omklappen door vloeibaar natrium snel te laten stromen in een cilinder met een inhoud van 160 liter (Europhysical Letters, 5 maart). Ook het aardmagnetisch veld klapt periodiek om – zij het eens in de gemiddeld 250.000 jaar.

Gelijktijdig is een publicatie verschenen van onderzoekers van de TU Delft die voor het eerst een realistische computersimulatie hebben gemaakt van een dergelijk geomagnetisch veld (Physical Review Letters, 6 maart). Sasa Kenjeres en Kemal Hanjalic van de TU Delft bootsten op de computer een eerder laboratoriumexperiment na met snelstromend vloeibaar natrium dat in 1999 is gedaan in de Letse hoofdstad Riga. In dat geomagnetische veld – het eerste dat ooit in een laboratorium werd opgewekt – sloegen de polen niet om.

Het binnenste van de aarde, de binnenkern, is een massieve bol met een diameter van 1.200 kilometer. De ruim 2.000 kilometer dikke schil daaromheen – de buitenkern – bestaat uit een vloeibaar mengsel van vooral ijzer. Vanaf de buitenkern is het via de aardmantel en de aardkorst nog een kleine 3.000 kilometer naar het aardoppervlak.

Wetenschappers menen dat in de buitenkern convectiestromen optreden: koele, zware metaalmengsels worden vanuit het aardcentrum opgewarmd, zetten uit waardoor hun soortelijk gewicht afneemt en stijgen op in de richting van het aardoppervlak. Verder af van de aardkern koelt de stroom af en gaat dan weer dalen. Dit stijgen en dalen wordt gecompliceerd door de rotatie van de aardas. Daardoor ontstaan spiraalvormige wervelingen.

spaghetti

Wie het aardmagnetisme wil verklaren vanuit deze wervelingen loopt op tegen een kip-of-ei-probleem. Als een vloeibaar metaal een magnetisch veld passeert dan ontstaat daarin een elektrische stroom, vergelijkbaar met de stroom in een draad. Die elektrische stroom genereert op zijn beurt een magnetisch veld, zoals er ook een magnetisch veld ontstaat rond een elektrische stroom in een draad.

Maar wat was er het eerst, het magnetische veld, of de stroom die daardoor wordt opgewekt? “Het bijzondere aan de experimenten in Parijs en Riga is dat daarin wordt aangetoond dat het magnetische veld uit zichzelf kan ontstaan”, zegt Sasa Kenjeres “zónder dat er eerst een extern magnetisch veld nodig is.” Daarmee is tenminste bevestigd dat een geomagnetische dynamo echt kan bestaan.

Het in drie dimensies modelleren van de interactie tussen turbulent bewegend vloeibaar metaal en de magneetvelden die daarin worden opgewekt is buitengewoon ingewikkeld. De crux van de oplossing van Kenjeres ligt in de combinatie van vergelijkingen voor de turbulentie van vloeistof met vergelijkingen voor magnetisme rond bewegende lading. “Van vloeistofturbulentie weten we hier in Delft veel”, verklaart Kenjeres de synthese. “En voor het toenmalige Hoogovens hebben we in 1999 al onderzoek gedaan naar de manier waar op je stromen vloeibaar staal kunt aansturen met magnetische velden.” Naast inzicht levert het synthesemodel van Kenjeres ook mooie computerplaatjes en -animaties op waarin de magneetvelden zich als spaghetti kronkelen rond de stromende vloeistof.

Voor laboratoriumsimulatie van het aardmagnetisch veld gebruiken wetenschappers stalen cilinders gevuld met natrium, verhit tot boven zijn smelttemperatuur van 98°C . Eén (in Riga) of meerdere schoepraderen (in Parijs) genereren binnenin de cilinder een spiraalbeweging analoog aan de wervelstromen die wetenschappers vermoeden in de zee van vloeibaar ijzer in de buitenkern.

autonoom

Het omslaan van de polen gebeurt in het Franse experiment geleidelijk: het veld neemt langzaam af tot nul en ontstaat dan snel in de omgekeerde richting. Poolwisselingen die zich in de geschiedenis van de aarde voltrokken vertoonden eenzelfde patroon. De oorzaak van de poolwisselingen is nog niet exact te duiden, maar het Franse onderzoek laat in elk geval zien dat poolwisseling autonoom kan optreden en niet van buiten in gang wordt gezet.

Dat het in Parijs voor het eerst is gelukt om de polen te laten omslaan heeft volgens Kenjeres te maken met het feit dat de cilinder die de Fransen gebruiken – anders dan die van de Letten – niet is ingedeeld in compartimenten (voor vloeistof die naar boven of omlaag stroomt). Een cilinder zonder compartimenten maakt het experiment niet alleen realistischer, het zorgt er ook voor dat er makkelijker turbulenties kunnen ontstaan die de rest van het systeem als het ware meeslepen naar een nieuw evenwicht.

De laboratoriumexperimenten in Parijs en Riga mogen het principe van de geomagneet ondersteunen, ze staan nog ver af van de aardse werkelijkheid, zo erkent Kenjeres. De laboratoriumcilinders vertegenwoordigen in feite niet meer dan één enkel dwarrelstroompje; in de vloeibare aardkern staan talloze wervels in wisselwerking. Het is dan ook de vraag wat de in Parijs waargenomen omslag van het magneetveld in één wervelstroom ons leert over de omslag van het hele aards magneetveld: een optelsom van talloze kleinere wervelstromen in de buitenkern. Kenjeres wijst erop dat er ook cruciale verschillen kunnen bestaan tussen een met vloeibaar metaal gevulde cilinder met schoepraderen en de mechanismen in de aarde: een met vloeistof gevulde tollende bol. “Het Franse onderzoek is een mooie stap vooruit”, zegt hij. “Maar het streven is wel om dit soort effecten te laten optreden in een snel draaiende bol of cilinder. Praktisch is dat moeilijk, maar Daniel Lathrop van de universiteit van Maryland werkt aan dergelijke experimenten. Uiteindelijk hopen wij die dan weer op de computer te modelleren.”

Rectificatie / Gerectificeerd

In het stuk over het aardmagnetisme (`Poolomslag`, W&O 17 maart) staat dat de binnenkern van de aarde een diameter heeft van 1.200 kilometer. Dat moet zijn een straal van 1.200 kilometer.