رقائق الحديد في قلب قمر المشتري
الاضطراب الناتج عن سقوط الجسيمات (باللون الأبيض)، لفهم الجزء الداخلي للكواكب ومجالها المغناطيسي بشكل أفضل. كوينتين كريا، مقدمة من المؤلف
في هذه الصور، ننظر إلى دوامات مضطربة تغذيها تساقط الخرز الزجاجي في الماء. هذا هو نموذجنا المبسط لـ "الثلج الحديدي" الموجود في قلوب بعض الكواكب.
تولد بعض الكواكب مجالاتها المغناطيسية الخاصة من خلال حركة المعدن السائل في قلبها، وهي عملية تسمى "الدينامو" تعمل على الأرض. في الواقع، الأرض كبيرة بما يكفي ليؤدي الضغط إلى تصلب المعدن السائل من مركز النواة نحو محيطها، وبالتالي تعزيز حركات الحمل الحراري الكبيرة التي تغذي المجال المغناطيسي لكوكبنا.
من ناحية أخرى، على الكواكب الأرضية الصغيرة، يكون الضغط منخفضًا جدًا بحيث لا يسمح بهذا التبلور من مركز الكوكب. بل ويمكن عكس هذا الأخير: بعد ذلك يتم ذلك من محيط القلب، عند الحدود مع الوشاح. وهذا سيناريو معقول لجانيميد ، وهو قمر صناعي لكوكب المشتري.
وفي هذه الحالة، عندما يتبلور المعدن السائل في محيط النواة، تتشكل رقائق حديدية أكثر كثافة من المعدن السائل. ومع عدم وجود أي شيء تحت أقدامهم ليحملهم، يسقطون نحو مركز الكوكب بفعل الجاذبية، ويذوبون عندما يصلون إلى درجات حرارة عالية جدًا - مثل الثلج.
ومن خلال تجاربنا، نحاول أن نفهم ما الذي يحرك حركة الدينامو في هذه الكواكب الصغيرة. إحدى الفرضيات هي أن المعدن السائل يتم تحريكه بواسطة هذا "الثلج" من رقائق الحديد الصلبة التي تسقط في المعدن السائل.
من القلب إلى المختبر
ومن أجل وضع نموذج لظاهرة "الثلج الحديدي" هذه وفهمها بشكل أفضل، يجب تبسيط الفيزياء. يتم وضع تبلور وذوبان الرقائق جانبًا مؤقتًا، ويتم تقريب الشكل المعقد للرقائق بواسطة كرة، ويتم استبدال المواد.
لذلك، في المختبر، ننظر إلى التدفق الناتج عن سقوط الكرات الزجاجية (المعروفة أيضًا باسم الرقائق) في الماء (المعروف أيضًا باسم المعدن السائل، وله نفس لزوجة الماء). من خلال فحص الجزء الداخلي من التدفق باستخدام ورقة ليزر عمودية، تكشف صورنا أن سقوط جزيئات الزجاج، باللون الأبيض، لا يترك السائل غير مبال: فهو ينتج سحبًا مضطربة، مع دوامات مرئية باستخدام مادة الرودامين، وهي صبغة برتقالية. نلاحظ ظاهرة اضطراب مشابهة جدًا عندما نضع السكر في قهوتنا (إذا كانت الحبوب كثيرة ومركزة بدرجة كافية!).
توفر هذه الصور ملاحظة رائعة: في كل صورة من الصور الثلاث، يسقط بالضبط جرام واحد من الكرات الزجاجية، ولكن كلما كانت الجزيئات أكبر (من اليسار إلى اليمين)، كلما كانت السحابة التي تولدها أصغر وأكثر سريعة الزوال. لأن وجود الجزيئات هو الذي يغذي الاضطراب بالفعل؛ بمجرد خروج الجزيئات من الدوامات، فإنها تتباطأ قبل أن تصل إلى حالة السكون، ولا شك أن لزوجة الماء تبدد أي حركة.
إن ميل الجزيئات الكبيرة إلى أن تكون أقل حساسية للدوامات، وبالتالي الانفصال عنها بسرعة، هو تأثير القصور الذاتي الذي نختبره كل يوم: في الخارج، بالنسبة لسرعة رياح معينة، تتبع ريشة كتكوت صغير بشكل أفضل وأطول من ريشة كبيرة. ريش الحمام، أقل حساسية لحركات الهواء. وبسبب هذا القصور الذاتي، يكون جرام الجسيمات الصغيرة أكثر قدرة على الحفاظ على السحابة المضطربة من خلال ترسيبها البسيط في الماء غير المتحرك في البداية.
بالنسبة لرقائق الحديد، هناك عدة طرق "لفرض" التدفق
العديد من الأعمال السابقة على الثلج الحديدي لم تجعل من الممكن تحديد ما إذا كانت الرقائق تخلط السائل بشكل كبير أثناء سقوطها، لذلك تم إهمال دراسة ترسيبها في بعض الأحيان . ومع ذلك، فإن تجاربنا، التي سيتم تقديم نتائجها للنشر قريبًا، تشير إلى أن الرقائق يمكن أن يكون لها سلوكيات مختلفة تحرك المعدن السائل، ولا سيما في سحابة مضطربة.
من ناحية أخرى، أظهر هذا العمل نفسه أن الدينامو يمكن أن يأتي من "الحمل الحراري التركيبي": إن ذوبان العديد من الرقائق على عمق معين سيؤدي إلى تراكم فائض من الحديد السائل، أكثر كثافة من بقية المعدن السائل، مما يؤدي حتما إلى الغوص السريع لهذا الثلج الذائب في العمق – مثل طبقة من الماء تطل على الزيت. وهذا ما سندرسه الآن عن طريق صنع ثلج السكر في الماء، لنضيف إلى نموذجنا مكون ذوبان الرقائق، على غرار ذوبان السكر.
مقال من المحادثة بقلم كوينتين كريا (طالب دكتوراه في ميكانيكا الموائع، IMéRA)، بنيامين فافييه (باحث، جامعة إيكس مرسيليا -AMU)، مايكل لو بارس (مدير الأبحاث في المركز الوطني للبحوث العلمية، متخصص في ميكانيكا الموائع الجيوفيزيائية والفيزياء الفلكية، إيكس - جامعة مرسيليا – AMU)
المصدر : مواقع ألكترونية