В уникальном научном эксперименте исследователи создали огромную трехметровую вращающуюся сферу, заполненную 12,5 тоннами расплавленного натрия, чтобы воссоздать процессы, происходящие в недрах нашей планеты. Ведущий научно-популярного канала Veritasium Дерек Маллер посетил эту высокотехнологичную лабораторию, чтобы выяснить, как ученые пытаются разгадать тайну генерации магнитного поля Земли. Эксперимент призван помочь человечеству понять природу земного «щита» и научиться прогнозировать его опасное ослабление.
💥 Гигантский шар из жидкого натрия и «скромная катастрофа» 0:00
В основе эксперимента лежит гигантская трехметровая сфера, содержащая 12,5 тонн горячего жидкого натрия. Установка способна вращаться со скоростью до четырех оборотов в секунду, при этом ее внешняя поверхность движется со скоростью более 130 километров в час.
Работа с таким объемом жидкого металла требует строжайших мер безопасности. Ключевым диагностическим параметром является термометрия, предотвращающая чрезмерный нагрев системы. Жидкий натрий расширяется при нагревании, и при превышении критической температуры (около 130 °C) он может переполнить внутренний объем резервуара. Для предотвращения аварии ученые используют систему тройного резервирования датчиков температуры.
Использование жидкого натрия обусловлено тем, что он является лучшим проводником электричества среди всех жидкостей, однако этот металл чрезвычайно пожароопасен. Возможный сбой в системе авторы эксперимента называют «умеренно катастрофическим». В лаборатории полностью отсутствуют водяные спринклеры, поскольку даже одна капля воды при контакте с расплавленным натрием приводит к взрыву. Вместо этого инженеры разработали уникальную систему криогенного пожаротушения:
- Над установкой расположен массивный сосуд Дьюара с жидким азотом.
- В случае утечки или возгорания оператор может нажать кнопку и полностью залить систему жидким азотом.
- Жидкий азот имеет температуру на 300 градусов ниже, чем расплавленный натрий; он мгновенно вытесняет кислород газообразным азотом и замораживает место утечки, останавливая реакцию.
🌍 Как Земля генерирует свое магнитное поле: загадка геодинамо 0:51
Созданная учеными установка фактически представляет собой физическую модель Земли, призванную объяснить механизм работы планетарного магнитного поля. В истории науки существовали разные гипотезы на этот счет: так, в 1600 году Уильям Гилберт предположил, что Земля является огромным постоянным магнитом. Однако современная наука опровергла эту идею. Хотя твердое внутреннее ядро Земли состоит преимущественно из ферромагнитных элементов — железа и никеля, его температура достигает почти 6000 Кельвинов, что намного превышает их точки Кюри. При такой температуре постоянный магнетизм невозможен; то же самое относится и к горячей мантии Земли.
Единственным местом, где может генерироваться магнитное поле планеты, остается жидкое металлическое внешнее ядро. Именно эти процессы конвекции и воспроизводит вращающаяся сфера с натрием.
Согласно современным научным представлениям, процесс генерации поля (эффект геодинамо) происходит следующим образом:
- Земля излучает тепло в космическое пространство, из-за чего ее ядро постепенно остывает.
- Твердое внутреннее ядро разрастается по мере того, как железо и никель из внешнего ядра кристаллизуются на его границе.
- Более легкие элементы (например, сера) остаются во внешнем ядре, создавая выталкивающую силу и поднимаясь вверх в виде турбулентных конвекционных потоков.
- Вращение Земли заставляет эти конвекционные потоки закручиваться в спирали, оси которых примерно параллельны земной оси вращения.
- Эти закрученные турбулентные потоки жидкого металла захватывают и растягивают линии магнитного поля, порождая электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют новые магнитные поля.
Если генерация магнитного поля происходит быстрее, чем его затухание из-за электрического сопротивления металла, система превращается в самоподдерживающийся генератор — динамо. При этом для запуска процесса не требуется изначальное мощное поле — по мнению ученого, достаточно ничтожно малого случайного тока или теплового колебания, чтобы система перешла в режим нестабильности и поле выросло до полноценных масштабов.
🔬 Порог динамо и первые результаты эксперимента 4:46
На текущем этапе эксперимента созданная установка еще не достигла так называемого «порога динамо», то есть не способна генерировать магнитное поле полностью самостоятельно. Тем не менее, исследователи надеются преодолеть этот рубеж в модифицированной версии устройства.
В настоящее время ученые исследуют процессы усиления полей, прикладывая к вращающейся сфере внешнее магнитное поле. Как объясняют авторы проекта, искусственно приложенные магнитные линии пронизывают установку и скручиваются под воздействием турбулентного потока жидкого натрия. В результате поле в угловом направлении увеличивается в процессе вращения и может превышать исходное приложенное поле в 10 раз. По заявлению исследователей, они фиксируют огромные показатели усиления (коэффициента передачи), несмотря на то, что замкнутый цикл самоподдерживающегося динамо еще не сформирован.
🛡 Ослабление земного щита и туманное будущее прогнозов 5:26
Понимание механизмов работы геодинамо критически важно для выживания человечества, поскольку магнитное поле Земли образует защитный слой — магнитосферу, отклоняющую опасные солнечные бури. Однако данные наблюдений показывают, что этот щит постепенно ослабевает. За последние 170 лет напряженность магнитного поля Земли упала на 10%. Кроме того, в Южной Атлантике зафиксирована обширная слабая зона, известная как Южно-Атлантическая аномалия, которая продолжает увеличиваться.
Ученым известно, что за историю планеты магнитные полюса Земли менялись местами сотни раз, однако спрогнозировать дальнейшее поведение поля наука пока не способна. Как констатирует исследователь, на сегодняшний день у человечества отсутствует прогностическая наука для планетарного магнетизма. Отвечая на вопрос Дерека Маллера о том, поможет ли данная натриевая сфера создать систему долгосрочного прогнозирования, ученый подчеркнул, что этот эксперимент является абсолютно уникальным и у него нет мировых аналогов. Из-за этого исследователи до конца не знают, что именно произойдет при дальнейших запусках, а сама возможность предсказания магнитного будущего Земли остается открытым вопросом.
✈ Дорожные заметки: полет в Сидней и Trevor Noah 6:32
В завершение выпуска Дерек Маллер поделился личными планами. В ближайшее время его ждет 13-часовой перелет в Сидней, где начнется его тур по Австралии и состоится премьера нового полнометражного документального фильма. Вместе с ним в путешествие отправляются его супруга и двое детей в возрасте до двух лет.
Ведущий рассчитывает провести время в полете за прослушиванием аудиокниги на платформе Audible, которая выступила спонсором этого видеоролика. Дерек выбрал автобиографическую книгу комика Тревора Ноя «Born a Crime» («Преступление по праву рождения»), посвященную его детству и взрослению в Южной Африке. По словам Маллера, книга начитана самим автором с фирменным южноафриканским акцентом. Ведущий добавил, что его собственная семья имеет южноафриканские корни, поэтому ему особенно интересно узнать больше об опыте жизни в этой стране. Дерек Маллер подробно описал преимущества подписки Audible:
- Ежемесячно пользователи получают один кредит, который можно потратить на любую аудиокнигу.
- Если книга не понравилась в процессе прослушивания, сервис позволяет вернуть ее и восстановить потраченный кредит.
- Неиспользованные кредиты переносятся на следующий месяц, а все приобретенные книги остаются в личной библиотеке навсегда, даже после отмены платной подписки.
