Twents convectieonderzoek helpt aardmagnetisme te verklaren

Waarom het aardmagnetisch veld langzaam van richting verandert, en op gezette tijden zelfs helemaal ‘omklapt’, daar is geen afdoende verklaring voor. De oorzaak wordt gezocht in het stromingsgedrag van gesmolten ijzer in de vloeibare buitenkern van de aarde. Onderzoekers van de Universiteit Twente beschikken nu over een model dat mogelijk méér inzicht kan bieden. Vorige week publiceerden ze in de webeditie van Physical Review Letters de resultaten van onderzoek aan turbulente convectie, waarvan ook in de aardkern sprake is.

De oorzaak van het magnetisme van de aarde is te vinden in de vloeibare, stroperige buitenkern van de aarde. Deze wordt lokaal opgewarmd door de hete binnenkern, zodat de viskeuze substantie in beweging komt. Dit gebeurt via een convectieproces met parallelle wervelingen in zogenaamde convectiecellen of convectierollen.

Omdat ijzeratomen in de bewegende viskeuze substantie – mede onder invloed van de warmte – elektronen verliezen, ontstaan in de bewegende buitenkern elektrische stromen die op hun beurt weer lokale magnetische velden opwekken. Zo creëert elke convectiecel zijn eigen magneetveld.

Zou er sprake zijn van een net, symmetrisch stromingspatroon in de convectiecellen, dan zouden alle gegenereerde magneetvelden elkaar opheffen. Maar dat is niet het geval vanwege kleine verschillen in bijvoorbeeld de grootte van de convectiecellen, de convectiesnelheid of in de dichtheid van de viskeuze massa. Het resulterende magneetveld is het aardmagnetisme zoals wij dat waarnemen. Onderlinge verschillen in de orde grootte van een enkele procent zijn al groot genoeg om het geconstateerde aardmagnetische veld te kunnen verklaren.

Omklappen

Op basis van deze inzichten voerden de Amerikaanse onderzoekers Gary Glatzmaier van het Los Alamos National Laboratory en Paul Roberts van de University of California (Los Angeles) een supercomputersimulatie uit die bijna een jaar duurde. In 1995 lieten ze in het wetenschappelijke tijdschrift Nature zien welk aardmagnetisme de supercomputer berekende op basis van de stromende ijzermassa in de vloeibare buitenkern.

Hun resultaten waren opmerkelijk: de magnetische noordpool bleek inderdaad te bewegen en de simulatie bracht ook het omklappen van de polariteit in beeld. Aan de hand van geologisch sedimentonderzoek was dit verwisselen van magnetische noord- en zuidpool al eerder vastgesteld. Het vindt plaats met onregelmatige tussenpozen van enkele honderdduizenden jaren.

Hoe prachtig de Amerikaanse numerieke simulaties ook zijn, een dieper begrip van het gedrag van de stromende ijzermassa’s en hun relatie met het gemeten aardmagnetisme ontbreekt. Waaróm de magnetische noordpool langzaam verschuift, en waarom de aardmagneet van tijd tot tijd zelfs ompoolt, daarvoor ontbreekt een stevige verklaring.

Onderzoek van de Universiteit Twente laat nu zien wat er waarschijnlijk aan de hand is. Onder leiding van professor Detlef Lohse namen promovendus Francisco Fontenele Araujo Jr. en gastonderzoeker Siegfried Grossmann van de Universiteit van Marburg het gedrag van een convectierol in een afgesloten vat onder de loep. In het door de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) gefinancierde onderzoek slaagden ze er in te verklaren hoe de stroming in convectiecellen tot stilstand kan komen en zelfs kan omkeren, zoals in laboratoriumexperimenten is gebleken.

Stilstand

Een convectierol ontstaat wanneer een gas of een vloeistof plaatselijk wordt verhit. Het warmere materiaal stijgt als een pluim of bel op, komt daarbij in een koudere omgeving, koelt af en gaat daardoor weer dalen. Uiteindelijk komt het materiaal weer bij de warmtebron zodat het proces opnieuw kan beginnen.

De onderzoekers in Twente hebben nu een wiskundig model gemaakt waarin ze de relatie tussen de temperatuur in en buiten de convectiepluim en het gedrag van de pluim hebben geanalyseerd. Het model blijkt in staat het stoppen en omkeren van de convectierichting adequaat te beschrijven. Een team van drie natuurkundigen van de Universiteit van Californië in Santa Barbara heeft inmiddels experimenten uitgevoerd die het model van de Twentse onderzoekers bevestigen.

De omkering van een convectierol in een gesloten vat blijkt af te hangen van een toevallig extra snel opstijgende warme pluim. Wanneer de pluim snel omhoog beweegt, krijgt hij niet voldoende tijd om af te koelen. Het relatief warme medium daalt dan niet, maar omdat het in de besloten ruimte ook niet verder kan opstijgen, komt de convectierol tot stilstand en gaat deze zelfs de andere richting uit draaien. Dergelijk gedrag zou volgens de Twentse onderzoekers ook achter de omkering van het aardse magneetveld kunnen zitten.