In der Geophysik schlägt Dynamo-Theorie einen Mechanismus vor, durch den ein Himmelskörper wie die Erde oder ein Stern ein magnetisches Feld erzeugt. Die Theorie beschreibt den Prozess, durch den ein Drehen, convecting, und elektrisch das Leiten von Flüssigkeit ein magnetisches Feld über astronomische zeitliche Rahmen aufrechterhalten können.

Geschichte der Theorie

Als William Gilbert de Magnete 1600 veröffentlicht hat, hat er beschlossen, dass die Erde magnetisch ist und die erste Theorie für den Ursprung dieses Magnetismus vorgeschlagen hat: Dauerhafter Magnetismus wie das, das im natürlichen Magneten gefunden ist. 1919 hat Joseph Larmor vorgeschlagen, dass ein Dynamo das Feld erzeugen könnte. Jedoch, sogar nachdem er seine Theorie vorgebracht hat, haben einige prominente Wissenschaftler abwechselnde Theorien vorgebracht. Einstein hat geglaubt, dass es eine Asymmetrie zwischen den Anklagen des Elektrons und Protons geben könnte, so dass das magnetische Feld der Erde durch die komplette Erde erzeugt würde. Der Nobelpreisträger Patrick Blackett hat eine Reihe von Experimenten getan, nach einer grundsätzlichen Beziehung zwischen dem winkeligen Schwung und magnetischer Moment suchend, aber hat niemanden gefunden.

Walter M. Elsasser, betrachtet als ein "Vater" der jetzt akzeptierten Dynamo-Theorie als eine Erklärung des Magnetismus der Erde, hat vorgeschlagen, dass sich dieses magnetische Feld aus im flüssigen Außenkern der Erde veranlassten elektrischen Strömen ergeben hat. Er hat die Geschichte des magnetischen Feldes der Erde durch das Wegbahnen für die Studie der magnetischen Orientierung von Mineralen in Felsen offenbart.

Um das magnetische Feld gegen den Ohmic-Zerfall aufrechtzuerhalten (der für das Dipolfeld in 20,000 Jahren vorkommen würde), muss der Außenkern convecting sein. Die Konvektion ist eine Kombination der thermischen und compositional Konvektion wahrscheinlich. Der Mantel kontrolliert die Rate, an der Hitze aus dem Kern herausgezogen wird. Hitzequellen schließen Gravitationsenergie ein, die durch die Kompression der Kern-, Gravitationsenergie veröffentlicht ist, die durch die Verwerfung von leichten Elementen (wahrscheinlich Schwefel, Sauerstoff oder Silikon) an der inneren Kerngrenze veröffentlicht ist, als es, latente Hitze der Kristallisierung an der inneren Kerngrenze und Radioaktivität des Kaliums, Urans und Thoriums wächst.

In der Morgendämmerung des 21. Jahrhunderts ist das numerische Modellieren des magnetischen Feldes der Erde nicht erfolgreich demonstriert worden, aber scheint, in der Reichweite zu sein. Anfängliche Modelle werden auf die Feldgeneration durch die Konvektion im flüssigen Außenkern des Planeten eingestellt. Es war möglich, die Generation eines starken, erdähnlichen Feldes zu zeigen, als das Modell eine gleichförmige Kernoberflächentemperatur und außergewöhnlich hohe Viskosität für die Kernflüssigkeit angenommen hat. Berechnung, die realistischere Parameter-Werte vereinigt hat, hat magnetische Felder nachgegeben, die weniger erdähnlich waren, sondern auch die Weise anspitzen, Verbesserungen zu modellieren, die zu einem genauen analytischen Modell schließlich führen können. Geringe Schwankungen in der Kernoberflächentemperatur, im Rahmen einiger millikelvins, laufen auf bedeutende Zunahmen in convective hinaus überfluten und erzeugen realistischere magnetische Felder.

Formelle Definition

Dynamo-Theorie beschreibt den Prozess, durch den ein Drehen, convecting, und elektrisch das Leiten von Flüssigkeit handeln, um ein magnetisches Feld aufrechtzuerhalten. Diese Theorie wird verwendet, um die Anwesenheit anomal langlebiger magnetischer Felder in astrophysical Körpern zu erklären. Die leitende Flüssigkeit im geodynamo ist flüssiges Eisen im Außenkern, und im Sonnendynamo wird Benzin am tachocline ionisiert. Die Dynamo-Theorie von astrophysical Körpern verwendet magnetohydrodynamic Gleichungen, um nachzuforschen, wie die Flüssigkeit unaufhörlich das magnetische Feld regenerieren kann.

Es wurde wirklich einmal geglaubt, dass der Dipol, der viel magnetisches Feld der Erde umfasst und entlang der Drehachse durch 11.3 Grade falsch ausgerichtet ist, durch die dauerhafte Magnetisierung der Materialien in der Erde verursacht wurde. Das bedeutet, dass Dynamo-Theorie ursprünglich verwendet wurde, um das magnetische Feld der Sonne in seiner Beziehung mit dieser der Erde zu erklären. Jedoch ist diese Theorie, die von Joseph Larmor 1919 am Anfang vorgeschlagen wurde, wegen umfassender Studien der magnetischen weltlichen Schwankung, Paläomagnetismus (einschließlich Widersprüchlichkeitsumkehrungen), Seismologie und der Überfluss des Sonnensystems an Elementen modifiziert worden. Außerdem hat die Anwendung der Theorien von Carl Friedrich Gauss zu magnetischen Beobachtungen gezeigt, dass das magnetische Feld der Erde einen inneren aber nicht äußerlichen, Ursprung hatte.

Es gibt drei Erfordernisse für einen Dynamo, um zu funktionieren:

• Ein elektrisch leitendes flüssiges Medium
• Kinetische Energie, die durch die planetarische Folge zur Verfügung gestellt ist
• Eine innere Energiequelle, um convective Bewegungen innerhalb der Flüssigkeit zu steuern.

Im Fall von der Erde wird das magnetische Feld veranlasst und ständig durch die Konvektion von flüssigem Eisen im Außenkern aufrechterhalten. Eine Voraussetzung für die Induktion des Feldes ist eine rotierende Flüssigkeit. Die Folge im Außenkern wird durch die durch die Folge der Erde verursachte Wirkung von Coriolis geliefert. Die Coriolis-Kraft neigt dazu, flüssige Bewegungen zu organisieren, und elektrische Ströme in Säulen (sieh auch Säulen von Taylor) ausgerichtet nach der Drehachse. Induktion oder Entwicklung des magnetischen Feldes werden durch die Induktionsgleichung beschrieben:

wo u Geschwindigkeit ist, ist B magnetisches Feld, t ist Zeit, und ist der magnetische diffusivity mit dem elektrischen Leitvermögen und der Durchdringbarkeit. Das Verhältnis des zweiten Begriffes auf der rechten Seite zum ersten Begriff gibt die Magnetische Zahl von Reynolds, ein ohne Dimension Verhältnis der Advektion des magnetischen Feldes zur Verbreitung.

Kinematische Dynamo-Theorie

In der kinematischen Dynamo-Theorie wird das Geschwindigkeitsfeld vorgeschrieben, anstatt eine dynamische Variable zu sein. Diese Methode kann das Zeitvariable-Verhalten eines völlig nichtlinearen chaotischen Dynamos nicht zur Verfügung stellen, aber ist im Studieren nützlich, wie sich magnetische Feldkraft mit der Fluss-Struktur und Geschwindigkeit ändert.

Mit den Gleichungen von Maxwell gleichzeitig mit der Locke des Gesetzes des Ohms kann man ableiten, was grundsätzlich die geradlinige eigenvalue Gleichung für magnetische Felder (B) ist, der getan werden kann, wenn man annimmt, dass das magnetische Feld vom Geschwindigkeitsfeld unabhängig ist. Man kommt in eine kritische magnetische Zahl von Reynolds an, über der die Fluss-Kraft genügend ist, um das auferlegte magnetische Feld zu verstärken, und unter dem es verfällt.

Die funktionellste Eigenschaft der kinematischen Dynamo-Theorie ist, dass sie verwendet werden kann, um zu prüfen, ob ein Geschwindigkeitsfeld ist oder zur Dynamo-Handlung nicht fähig ist. Durch die Verwendung eines bestimmten Geschwindigkeitsfeldes auf ein kleines magnetisches Feld kann es durch die Beobachtung bestimmt werden, ob das magnetische Feld dazu neigt zu wachsen oder nicht in der Reaktion zum angewandten Fluss. Wenn das magnetische Feld wirklich wächst, dann ist das System zur Dynamo-Handlung entweder fähig oder ist ein Dynamo, aber wenn das magnetische Feld nicht wächst, dann wird es einfach Nichtdynamo genannt.

Das Membranenparadigma ist eine Weise, auf schwarze Löcher zu schauen, der das Material in der Nähe von ihren Oberflächen berücksichtigt, die auf der Sprache der Dynamo-Theorie auszudrücken sind.

Nichtlineare Dynamo-Theorie

Die kinematische Annäherung wird ungültig, wenn das magnetische Feld stark genug wird, um die flüssigen Bewegungen zu betreffen. In diesem Fall wird das Geschwindigkeitsfeld betroffen durch die Kraft von Lorentz, und so ist die Induktionsgleichung im magnetischen Feld nicht mehr geradlinig. In den meisten Fällen führt das zu einem Löschen des Umfangs des Dynamos. Solche Dynamos werden manchmal auch genannt

hydromagnetische Dynamos.

Eigentlich sind alle Dynamos in der Astrophysik und Geophysik hydromagnetische Dynamos.

Numerische Modelle werden verwendet, um völlig nichtlineare Dynamos vorzutäuschen. Ein Minimum von 5 Gleichungen ist erforderlich. Sie sind wie folgt. Die Induktionsgleichung, sieh oben. Die Gleichung von Maxwell:

(Manchmal) Bewahrung von Boussinesq der Masse:

(Manchmal) Navier-schürt die Bewahrung von Boussinesq des Schwungs, auch bekannt als Gleichung:

wo die kinematische Viskosität ist, ist die Dichte-Unruhe, die Ausgelassenheit zur Verfügung stellt (für die Thermalkonvektion, ist die Folge-Rate der Erde, und ist die elektrische aktuelle Dichte.

Schließlich, eine Transportgleichung, gewöhnlich der Hitze (manchmal der leichten Element-Konzentration):

wo T Temperatur ist, der thermische diffusivity mit dem k Thermalleitvermögen, der Hitzekapazität und der Dichte ist, und eine fakultative Hitzequelle ist. Häufig ist der Druck der dynamische Druck, mit dem hydrostatischen Druck und zentripetalen entfernten Potenzial. Diese Gleichungen sind dann non-dimensionalized, die nichtdimensionalen Rahmen, einführend

wo Ra die Rayleigh-Zahl, E die Zahl von Ekman, Pr und Pm Prandtl und magnetische Zahl von Prandtl ist. Magnetisches Feldschuppen ist häufig in Zahl-Einheiten von Elsasser.

Siehe auch

• Antidynamo-Lehrsatz
• Dynamo
• Die Gleichungen von Maxwell
• Das Drehen magnetischen Feldes