Недостающее звено в физике металлов объясняет магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли имеет решающее значение для нашего существования, так как оно защищает жизнь на поверхности нашей планеты от губительного космического излучения. Оно порождается турбулентными движениями жидкого железа в ядре Земли. Железо является металлом, а это означает, что оно может легко проводить электрический ток. Новые данные от команды, включающей Рональда Коэна (Ronald Cohen) и Пэна Чжана (Peng Zhang) из Карнеги, показывают, что недостающий элемент традиционной теории, объясняющей, почему металлы становятся менее проводящими при нагревании, был необходим, чтобы разгадать загадку, которая объясняет этот процесс генерирования поля. Их работа опубликована в Nature.

Центр Земли очень горячий, и поток тепла из центра планеты к поверхности, как полагают, обусловливает большую часть динамики Земли, начиная от вулканов до тектоники литосферных плит. Давно предполагалось, что тепловой поток приводит к тому, что называется тепловой конвекцией, – самая горячая жидкость становится менее плотной и поднимается, а более холодная и более плотная опускается в ядре Земли, содержащем жидкое железо, и генерирует магнитное поле Земли. Но последние расчеты ставят эту теорию под вопрос, запуская новый поиск для ее объяснения.

В своей работе Коэн и Чжан вместе с Кристианом Холе (Kristjan Haule) из Университета Рутгерса применили новый метод вычислительной физики и обнаружили, что оригинальная теория тепловой конвекции была справедливой. Их вывод основывается на открытии, что классическая теория металлов, разработанная в 1930-х годах, была неполной.

Электроны в металлах, таких как железо в ядре Земли, проводят ток и тепло. Сопротивление материала препятствует этому потоку. Классическая теория металлов объясняет, что удельное сопротивление возрастает с температурой из-за увеличения колебаний атомов с ростом температуры. Теория говорит, что при высоких температурах сопротивление возникает, когда движущиеся электроны сталкиваются с колеблющимися атомами. Эти электроны рассеиваются и препятствуют току. При повышении температуры атомы вибрируют больше, и рассеяние электронов увеличивается. Электроны не только переносят заряд, но также несут энергию, так что теплопроводность пропорциональна электропроводности.

Работа, которая предположительно поставила крест на существующую несколько десятилетий преобладающую теорию генерации магнитного поля Земли, утверждала, что тепловая конвекция не может служить источником магнитных полей. Расчеты в этих исследованиях говорят, что удельное сопротивление расплавленного металла в ядре Земли, которое возникает в результате процесса рассеяния электронов на атомах, будет слишком низким, и, таким образом, теплопроводность слишком высокой, чтобы позволить тепловой конвекции генерировать такое магнитное поле.

Новая работа Коэна, Чжана и Холе показывает, что причиной возникновения около половины генерируемого сопротивления долго пренебрегали: оно возникает от рассеяния электронов друг на друге, а не от рассеяния на колеблющихся атомах.

«Мы обнаружили эффект, который прятался от нашего взора в течение 80 лет, - сказал Коэн. - А теперь оригинальная теория динамо работает, в конце концов!»

Это концепция ядра Земли с наложенной электронной структурой железа; ширина (размытость) линий является результатом электрон-электронного рассеяния