&bala; Física 17, 142
Um “Pequeno Experimento Terrestre” dentro de um ímã gigante lança luz sobre padrões de fluxo até agora inexplicáveis no inside da Terra.
O núcleo interno da Terra é uma bola sólida e quente – cerca de 20% do raio da Terra – feita de uma liga de ferro. O núcleo externo do planeta, abaixo do manto rochoso, é um steel líquido mais frio. Os modelos geofísicos explicam que, uma vez que o movimento de um steel líquido induz correntes elétricas, e as correntes induzem um campo magnético, a convecção e a rotação produzem os campos magnéticos do nosso planeta. Mas estes modelos normalmente negligenciam uma contribuição importante: como o campo magnético da Terra influencia os próprios fluxos que o geram. Alban Pothérat, da Universidade de Coventry, Reino Unido, e colaboradores desenvolveram agora uma teoria que explica esse suggestions e a examinaram usando um “Pequeno Experimento da Terra” baseado em laboratório (1). Seus resultados informam um modelo que identifica processos que podem explicar as discrepâncias entre as previsões teóricas e as observações da Terra por satélite, abrindo novas perspectivas no estudo dos fluxos geofísicos.
Compreender os fluxos no inside planetário é um desafio de longa knowledge. “Se você não levar em conta o fato de que o próprio campo magnético altera o fluxo, então não obterá o fluxo correto”, diz Pothérat. Na verdade, tanto os dados de satélite da missão Swarm da Agência Espacial Europeia como as simulações numéricas de última geração indicam certos fluxos circulantes no núcleo, onde o líquido produzido na fronteira do núcleo interno é alimentado no núcleo externo, move-se para cima em direção aos pólos, e daí finalmente flui de volta para dentro (Fig. 1).
Estas observações não podem ser explicadas pela teoria estabelecida para fluidos rotativos, que assume que as forças induzidas pelo campo magnético no fluxo podem ser negligenciadas, uma vez que são dominadas pelas forças de Coriolis induzidas pela rotação. Se a rotação for rápida o suficiente, diz a teoria, os fluxos de líquido são bidimensionais e situam-se no plano regular ao eixo de rotação. Para interiores planetários, isto impõe uma restrição conhecida como teorema de Taylor-Proudman: o fluido não pode fluir através de uma fronteira, chamada cilindro tangente, definida por uma distância radial igual ao raio do núcleo sólido. Os fluxos documentados na Terra, entretanto, violam esta condição. Para explicar a discrepância, é necessária uma experiência que capte a convecção, a rotação e o magnetismo de uma só vez, diz Pothérat.
A. Pothérat/Universidade de Coventry
Pothérat e os seus colegas realizaram tal experiência, utilizando-a para examinar uma extensão do modelo estabelecido associado à restrição de Taylor-Proudman. As configurações anteriores que imitavam a Terra usavam tanques rotativos preenchidos com um steel líquido altamente condutivo, mas opaco, o que impedia a visualização de fluxos líquidos. O “Pequeno Experimento da Terra” da equipe (Fig. 2) em vez disso, utilizou uma solução de ácido sulfúrico transparente e de baixa condutividade, que permitiu a aquisição de mapas que visualizam estruturas de fluxo em um fluido magnetorotativo. “Essa é a grande originalidade”, diz Pothérat. Dado que o seu líquido period muito menos condutor do que um steel líquido, a equipa precisava de um grande campo magnético externo para criar forças magnéticas suficientemente fortes para imitar condições semelhantes às dos planetas. Eles alcançaram tais condições usando um campo magnético de 10 tesla produzido pelo ímã gigante do Laboratório de Alto Campo Magnético de Grenoble, na França. “A verdadeira façanha da nossa experiência é colocar um tanque rotativo dentro deste enorme íman”, diz Pothérat.
O Little Earth Experiment envolve uma cúpula hemisférica giratória apoiada em uma mesa plana e giratória. O hemisfério de vidro transparente foi preenchido com um fluido condutor, que representava o núcleo externo da Terra. Na parte inferior plana do hemisfério, um elemento de aquecimento cilíndrico que se projetava no líquido desempenhava o papel do núcleo sólido interno da Terra, impulsionando a convecção. Um tanque cilíndrico de plástico cheio de água ficava no topo do hemisfério, proporcionando um efeito de resfriamento que imitava o efeito do manto da Terra. Ao amarrar o fluido condutor com centenas de milhares de partículas de vidro ocas com diâmetro de mícron, que dispersaram a luz do laser que chegava, os pesquisadores puderam rastrear as posições das partículas e medir a velocidade do fluido em vários pontos enquanto o tanque girava.
As principais medições foram mapas da velocidade do fluido em duas alturas – uma perto do núcleo sólido e outra em latitudes próximas do topo do hemisfério – obtidas para forças eletromagnéticas e rotacionais representativas de condições semelhantes às da Terra. Ajustando esses dados, os investigadores calcularam que pelo menos 10% do líquido fluía num padrão de circulação semelhante ao que ocorre no núcleo da Terra: do núcleo sólido, o líquido fluía em direção ao topo da cúpula e depois em direção às regiões equatoriais. “Podemos finalmente ver como é o fluxo”, diz Pothérat.
Os investigadores estabeleceram que a componente polar do campo magnético impulsiona o fluxo entre as regiões polares e equatoriais, concluindo que este fluxo induzido pelo campo deve ser tido em conta para explicar os fluxos convectivos que não podem ser descritos apenas pela rotação. Modificar a teoria convencional adicionando um campo magnético apontado na direção polar permitiu aos pesquisadores prever exatamente quando e quanto líquido fluiu. O campo magnético explica completamente por que o fluxo cruza a fronteira tangente-cilindro, diz Pothérat.
Hao Cao, pesquisador de geofísica da Universidade da Califórnia, Departamento de Ciências da Terra, Planetárias e Espaciais de Los Angeles, chama o trabalho de “impressionante” e diz que a verificação experimental dos regimes de fluxo “ilustra o papel crítico dos campos magnéticos na formação de fluidos”. dinâmica nos núcleos da Terra e planetários.” Ele acrescenta uma nota de advertência relativamente à sua aplicação direta a núcleos planetários reais, salientando que “a dinâmica dos fluidos nesta experiência tem um impacto mínimo no próprio campo magnético”. Essa não é a situação esperada nos núcleos planetários, diz ele.
–Rachel Berkowitz
Rachel Berkowitz é editora correspondente da Revista Física com sede em Vancouver, Canadá.
Referências
- A. Potherat e outros.“A restrição magnética de Taylor-Proudman explica os fluxos para o cilindro tangente,” Física. Rev. 133184101 (2024).
