Los movimientos dentro del núcleo fundido de la Tierra se han resistido a los esfuerzos por comprenderlos durante mucho tiempo, pero la coincidencia entre un modelo matemático y físico ha llevado a dos físicos a afirmar que se están acercando. Dado que estos movimientos son los impulsores del campo magnético de la Tierra, comprenderlos y comprender por qué los cambios de campo podría resultar muy importante.
El campo magnético de la Tierra se considera vital para la vida, o al menos para cualquier forma de vida más avanzada que las bacterias. Campos similares son una de las principales cosas que buscamos cuando buscamos planetas habitables. Sin embargo, no lo entendemos bien en absoluto. La mayoría de los físicos no consideran satisfactorias las explicaciones actuales de por qué los polos magnéticos se desvían y, a veces, se invierten, lo que por supuesto significa que las predicciones tienen poco valor. Aunque persiste el debate sobre si un cambio de dirección en este campo sería tan desastroso como algunos temen, sin duda sería bueno recibir alguna advertencia.
Dado que el campo es impulsado por movimientos dentro del núcleo, similares a la convección en una olla de agua hirviendo, necesitamos comprender estos flujos. Sin embargo, los flujos en sí están influenciados por el campo magnético que han creado, así como por la rotación y la estructura interna de la Tierra, lo que desafía nuestra capacidad de comprender lo que está sucediendo.
Un paso adelante fue el concepto de cilindro tangente, pero ni siquiera esto ha sido suficiente para modelar los movimientos con precisión. El profesor Alban Pothérat y el Dr. Kélig Aujogue de la Universidad de Coventry creen que reconocer una característica de los cilindros tangentes que antes se pasaba por alto podría ser el paso que necesitamos. Un modelo físico de las capas de la Tierra les da confianza en que tienen razón.
Un esquema del interior de la Tierra, con los núcleos interior y exterior marcados en círculos, el cilindro tangente imaginario y los flujos dentro del campo exterior, tanto dentro como dentro del cilindro.
Crédito de la imagen: Pothérat et al./APS 2024
El cilindro tangente es una estructura imaginaria que corre paralela al eje alrededor del cual gira la Tierra y toca los puntos donde el núcleo interno sólido y el núcleo externo líquido se encuentran en el ecuador. En consecuencia, separa las partes polar y ecuatorial del núcleo externo, dando forma a los flujos de materiales dentro de cada una.
Los modelos del cilindro tangente de la Tierra y los de otros planetas se basaron en la restricción de Taylor-Proudman, que postula que en un núcleo giratorio los flujos ocurren perpendiculares al eje de rotación, formando una serie de cilindros concéntricos. Desde esta visión, la convección se produce en la sección polar del núcleo líquido y en su porción ecuatorial, pero no se cruza entre sí.
Pothérat y Aujogue escriben: “Aquí establecemos y verificamos experimentalmente que los campos magnéticos alineados con la rotación incurren en flujos hacia [tangent cylinders]” y estos están vinculados a los flujos a lo largo del cilindro mediante campos magnéticos.
El experimento de la Pequeña Tierra visto desde arriba, que muestra los flujos de cilindros concéntricos.
Crédito de la imagen: Pothérat et al./APS 2024
Los autores modelaron matemáticamente las interacciones entre las fuerzas de Lorentz y Coriolis. Luego utilizaron el Experimento de la Pequeña Tierra (LEE) para probar sus conclusiones. El LEE utiliza un hemisferio lleno de ácido sulfúrico y un campo magnético de 10 Teslas que gira alrededor de un eje vertical. Luego se coloca en un tanque cilíndrico de agua fría mientras un elemento calefactor impulsa la convección. Las observaciones del LEE fueron consistentes con las expectativas del autor.
El estudio se publica en Physical Review Letters.