Nadprzewodzący wewnętrzny rdzeń Ziemi?

Bardzo ciepły nadprzewodzący… problem?

Kilka przypomnień o nadprzewodnikach

Holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes z Uniwersytetu w Lejdzie zaobserwował w 1911 roku po raz pierwszy zjawisko nadprzewodnictwa w rtęci w temperaturze 4 K. Za tę pracę otrzymał w 1913 roku nagrodę Nobla. Później odkryliśmy, że wiele materiałów może wykazywać to zjawisko, ale zawsze w temperaturach bliskich zera absolutnego. Dopiero w 1966 r. materiały nadprzewodzące w wysokiej temperaturze (30 K) zostały odkryte przez Alexa Müllera i Georga Bednorza. (Co ciekawe, w normalnie izolującej ceramice). Rekord 138 K należy dziś do związku talu, rtęci i miedzi (bar, wapń, miedź i tlen). Jeśli związek ten zostanie poddany ciśnieniu co najmniej 300.000 atmosfer, temperatura nadprzewodnictwa tego materiału wzrasta wówczas do około 168 K. (Ron Goldfarb z National Institute of Standards and Technologies).

Pewne własności nadprzewodników

Generalnie nadprzewodnictwo pojawia się w temperaturach bliskich zera absolutnego.
Rezystywność nadprzewodnika = 0.
Nadprzewodniki tracą swoją właściwość nadprzewodnictwa, jeśli zostanie do nich przyłożone zbyt intensywne pole magnetyczne.
Niektóre materiały nadprzewodzące odnotowują wzrost temperatury nadprzewodnictwa, jeśli zastosujemy do nich bardzo silne ciśnienie.

Hipoteza o nadprzewodnictwie rdzenia wewnętrznego

Znajdujący się w centrum Ziemi rdzeń wewnętrzny charakteryzuje się następującymi cechami:

Ma temperaturę 5000°C.
Byłby to związek niklu i żelaza (żelazo-nikiel).
Pomimo temperatury, pod wpływem ciśnienia wewnętrzny rdzeń jest stały.

$R = ρ \frac{l}{S}$

gdzie:

R – omy (Ω)
ρ – omy/metr
l – metry
S – metry²

	Rdzeń zewnętrzny	Rdzeń wewnętrzny
T (°C)	3665	5000
R (Ω)	0,15282	0
P (waty)	6,11.10¹⁷	0

Struktura pola magnetycznego wewnątrz Ziemi.

Uwaga:
Gdyby ciśnienie wywierane na rdzeń zewnętrzny przez skorupę i górny płaszcz było wystarczające, rdzeń zewnętrzny również byłby stały. Zostałby fizycznie zmieszany z rdzeniem wewnętrznym. Zmiana fazy nie miałaby miejsca. Istniałaby wówczas ciągłość zmian temperatury i rezystywności.

Problem:
O ile hutnicy wiedzą, jak podgrzać żelazo do 3000 ° C, nikt nie wie, jak w tej temperaturze zmierzyć rezystywność, a to z bardzo prostego powodu, żaden zbiornik i żadna elektroda inna niż wykonana z węgla nie może się temu oprzeć. Ale żelazo jest bardzo szybko zanieczyszczane przez to ostatnie i staje się wtedy żeliwem lub stalą. Wszystkie pomiary rezystywności są zatem sfałszowane.

Przyjęte rozwiązanie:
Jedynym metalem, na którym wiemy, jak wykonać pomiary rezystywności ρ (omy na metr) w bardzo wysokich temperaturach, jest wolfram. Wiedząc, że rezystywność metalu wzrasta liniowo w zależności od temperatury, dokonamy ekstrapolacji liniowej dla nieznanych wartości, zarówno dla wolframu, jak i dla żelazo-niklu. Znalezione wartości nie powinny powodować zbyt poważnych błędów.

ρ przy	25° C	3665°C (rdzeń zewnętrzny)	5000°C (rdzeń wewnętrzny)
wolfram	56,5.10^-9	1170.10^-9	1578.10^-9
żelazo-nikiel	738.10^-9	15282.10^-9	20664.10^-9 (=0)
rtęć	958.10^-9

Rezystywność rtęci dodaliśmy, aby pokazać, że metal w fazie ciekłej może mieć rezystywność równoważną rezystywności metalu w fazie stałej. Analogicznie, pozwala nam to zweryfikować rezystywność żelazo-niklu w 4000°C w rdzeniu zewnętrznym.
Jeśli postawimy hipotezę, że konfiguracja atomowa rdzenia wewnętrznego byłaby taka jak w krysztale, którego struktura, pomimo temperatury, nadawałaby mu właściwości nadprzewodnika, wówczas rezystywność, a tym samym rezystancja wewnętrzna R, wynosiłaby R=0.
W związku z tym opór rdzenia zewnętrznego zostałby zwarty przez opór rdzenia wewnętrznego i nie odgrywałby znaczącej roli w magnetyzmie Ziemi.
Fakt, że magnetyzm ziemski jest w 90% dipolarny przemawia na korzyść tej hipotezy. Pozostałe 10% „wąsów” zawdzięczalibyśmy jedynie turbulentnym ruchom konwekcyjnym w jądrze zewnętrznym i byłyby to tylko zjawiska drugiej kategorii. Turbulencje te stanowiłyby jedynie słaby ułamek pola magnetycznego generowanego przez rdzeń wewnętrzny.

Dysk Faradaya. Źródło: Benoite Christophe, Dusson Alexandre

Oczywiste jest, że w warunkach braku rezystywności wzmocnienie G w pętli sprzężenia zwrotnego wynosi G ≥ 1.
Problem trwałości w czasie został w ten sposób rozwiązany.
Pozostaje rozwiązać problem inwersji pola magnetycznego.

Anizotropia wewnętrznego rdzenia. Źródło: Raphaël Garcia

Wiemy, że nadprzewodnik traci swoje nadprzewodzące właściwości, jeśli przecina go zbyt duże pole magnetyczne.

Istnieją trzy możliwości:

Znaczne zaburzenie konwekcyjne w zewnętrznym rdzeniu, które dodawałoby własne pole do pola magnetycznego wewnętrznego rdzenia.
Wyjątkowa erupcja słoneczna indukująca w kierunku Ziemi bardzo silne pole magnetyczne.
Mielibyśmy więc mniej lub bardziej długi okres braku geomagnetyzmu.
Po zniknięciu tego zakłócenia, nadprzewodnictwo rdzenia wewnętrznego pojawiłoby się ponownie. Ziemskie pole magnetyczne zostałoby ponownie uruchomione i zorientowane w kierunku zgodnym z polem magnetycznym Słońca. (Ta ostatnia zmiana kierunku następuje co 11 lat).
Rdzeń wewnętrzny, zanurzony w rdzeniu zewnętrznym, którego lepkość, przypomnijmy, jest lepkością wody, ma znaczny stopień swobody. Może więc, z prostych powodów mechanicznych (konwekcja w rdzeniu zewnętrznym i siły Coriolisa), obracać się i prostować. Prowadzi to do ruchu biegunów, a tym samym do zmiany obserwowanej deklinacji magnetycznej, a w skrajnych przypadkach do odwrócenia biegunów.
Należy zauważyć, że płaszczyzna rotacji prądu elektrycznego jest narzucona przez krystaliczną strukturę rdzenia wewnętrznego. Tak więc płaszczyzna elektryczna podąża za ruchami rdzenia wewnętrznego.
Możliwe byłoby zweryfikowanie tej hipotezy poprzez obserwację fizycznej ewolucji pozycji anizotropii rdzenia wewnętrznego, odnotowanej przez sejsmografię, w korelacji z ewolucją deklinacji magnetycznej. Takie obserwacje byłyby trudne do realizacji.
Zauważmy, że gdyby ta korelacja została potwierdzona, wówczas hipoteza magnetyzmu jądra wewnętrznego i jego nadprzewodnictwa zostałaby silnie potwierdzona.

Uwagi i wnioski

Nie możemy ekstrapolować tego zjawiska na wszystkie planety Układu Słonecznego. Wydaje się, że niektóre z nich nie posiadają pola magnetycznego, a inne mają je bardzo słabe. Niektóre, zwłaszcza gigantyczne planety, spełniają wewnętrzne warunki dotyczące masy i temperatury, aby mieć nadprzewodzący rdzeń wewnętrzny.
Obecnie dopuszcza się, że Jowisz ma stałe jądro. Ale czy jest ono nadprzewodzące, czy też istnieje nadprzewodzący rdzeń wewnętrzny?
http://www.berkeley.edu/news/media/releases/2008/11/25_core.shtml
Magnetyzm i fizyka Słońca są zbyt złożone, aby można je było bezpośrednio ekstrapolować na Słońce bez zachowania środków ostrożności. Możemy jednak zauważyć, że na Słońcu istnieje również gazowy rdzeń. Ale czy istnieje również nadprzewodzący rdzeń wewnętrzny? Więcej informacji na ten temat znajduje się na następujących stronach:
1. Dziwaczna zbieżność między Słońcem a OJ 287
2. Dziwaczne zbieżności pomiędzy Słońcem, Jowiszem i OJ 287

Niezbędne są eksperymenty do sprawdzenia, czy niektóre materiały stają się nadprzewodzące w wysokich temperaturach i przy bardzo wysokich ciśnieniach. Nie wydaje się, aby diamenty pozwalały obecnie na uzyskanie ciśnienia i temperatury, które panują w jądrze Ziemi. Jednak jest tu również stronniczość, a mianowicie diament jest węglem, a zatem trudno byłoby nie zanieczyścić próbki żelazo-niklowej. Należy więc mieć nadzieję na zdecydowany postęp technologiczny w tej dziedzinie.

Ostatnie wiadomości

Trudno sformułowane życzenie, które wyraziliśmy powyżej, wydaje się być zrealizowane, generowanie ciśnień w rdzeniach gigantycznych planet jest teraz możliwe. (Raymond Jeanloz – UC Berkeley – 2 maja 2007). Ale zanieczyszczenie węglem pozostaje problemem. Więcej informacji: http://online.kitp.ucsb.edu/online/hp01/jeanloz/.
Czy żelazo może stać się nadprzewodnikiem? Tak, według pewnych niedawnych prac:
Correlated electronic structure of LaO_1-xF_xFeAs. (03/09/2008)
Iron-Based Layered Superconductor. (02/23/2008)

Podziękowania §

Dla dr. Georges’a Hoynant’a (SAF), który dzięki swoim kompetencjom w zakresie przemysłu żelaznego i materiałów ognioodpornych, bardzo nam pomógł podczas opracowywania tych stron dotyczących ziemskiego jądra wewnętrznego.

Dr Georges Hoynant zmarł w styczniu 2012 roku.

Był członkiem Francuskiego Towarzystwa Astronomicznego (komitet kosmologii).

Pani Hoynant, jego żonie, która przekazała nam tę fotografię i upoważniła nas do opublikowania jej tutaj.

Bibliografia i dokumenty

Data utworzenia: 10/03/2007
Ostatnie wydanie: 07/06/18

Autor: Bernard Lempel ()

Przetłumaczono przy pomocy deepl.com z:

A very warm superconductive snag?