Il campo magnetico terrestre sotto la "lente di ingrandimento della simulazione".

Nel novembre 2013 l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha inviato nello spazio tre satelliti che da allora misurano con precisione il campo magnetico terrestre. Questo perché il campo magnetico terrestre continua a lasciare perplessi gli scienziati. Ad esempio, non è ancora chiaro quale sia il meccanismo che provoca l'inversione del campo magnetico terrestre. Gli scienziati dell'ETH Andrew Jackson e Andrey Sheyko e Chris Finlay della Technical University of Denmark sono ora riusciti a identificare un possibile meccanismo utilizzando simulazioni sul supercomputer Piz Daint. I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista scientifica "Nature".

Le simulazioni, le misure sismiche e le proprietà fisiche dei minerali - da queste ultime sappiamo come è strutturato l'interno profondo della Terra - sono finora l'unico modo per indagare l'interno della Terra e la formazione del campo magnetico terrestre. Il campo magnetico terrestre è di particolare interesse per le ricerche, ad esempio come scudo protettivo contro le radiazioni cosmiche o come sistema di navigazione per gli uccelli.

Il movimento della fusione genera un campo magnetico

Secondo le conoscenze attuali, la cosiddetta geodinamo è molto probabilmente generata da processi nel nucleo interno ed esterno della Terra. Mentre il nucleo interno è solido e consiste principalmente di ferro e nichel, il nucleo esterno è liquido e contiene elementi più leggeri oltre al ferro e al nichel. Il liquido è così caldo che i metalli in esso contenuti non possono essere magnetici, ma conducono elettricità e calore. Mentre gli elementi più pesanti nel nucleo esterno liquido affondano verso il nucleo interno e vi si solidificano, gli elementi più leggeri vengono sollevati.

Questo processo e la differenza di temperatura ai confini del nucleo interno ed esterno e del mantello terrestre causano la circolazione (rotoli di convezione) nel nucleo liquido. Allo stesso tempo, la rotazione della Terra provoca l'azione della forza di Coriolis. Essa provoca vortici nel metallo fuso perpendicolari ai rulli di convezione, che sono orientati parallelamente alla rotazione terrestre. Questo genera una corrente di induzione, che alla fine crea il campo magnetico di un dipolo (polo nord e sud) e componenti multipolari più deboli.

Due proprietà dei materiali sono decisive per il campo magnetico terrestre e la sua inversione: da un lato, la viscosità del nucleo liquido della Terra. Questa determina la velocità con cui le correnti nel nucleo terrestre possono arrestarsi. Dall'altro, la conduttività elettrica, che determina la velocità con cui il campo magnetico scompare. Nelle simulazioni precedenti, entrambe le cose avvenivano alla stessa velocità.

"Nella nostra simulazione, abbiamo permesso che il campo magnetico si estinguesse venti volte più velocemente delle correnti nel nucleo liquido", spiega l'ETH Andrew Jackson, coautore dello studio. Gli scienziati hanno così ridotto il numero adimensionale che descrive la relazione tra le due proprietà dei materiali. In questo modo si sono avvicinati a condizioni simili a quelle della Terra rispetto alle simulazioni precedenti.

Lo scopo della simulazione era in realtà quello di studiare la stabilità del campo magnetico. Dopo un certo periodo di tempo, tuttavia, si è verificata periodicamente un'inversione di campo, riferisce Jackson.

L'inversione di campo osservata poteva essere spiegata solo dall'influenza delle cosiddette onde di dinamo. "Questa è la prima simulazione in cui un'inversione di campo apparentemente causata da onde di dinamo ha avuto successo in condizioni di confine non scivolose", dice Sheyko. "Non-slip" sono condizioni al contorno realistiche che un fluido esposto all'attrito sperimenta quando raggiunge un confine, in questo caso il guscio del nucleo esterno.

Le onde dinamo sono forti perturbazioni globali del campo magnetico che si propagano dal nucleo. La loro esistenza è stata ipotizzata nel 1955 per spiegare la periodica inversione di campo del Sole che si verifica ogni undici anni. Sebbene la Terra e il suo campo magnetico siano molto diversi da quelli del Sole, i più recenti risultati di ricerca suggeriscono che anche le onde dinamo potrebbero svolgere un ruolo nell'inversione del campo magnetico terrestre.

Condizioni idealizzate

La simulazione di questi processi altamente complessi in tre dimensioni richiede supercomputer estremamente potenti. E anche con questi, le condizioni simili alla Terra possono essere calcolate solo approssimativamente. Come base per la simulazione e il modello iniziale, il team di ricerca ha utilizzato un modello in cui i ricercatori nel 2009 hanno ipotizzato una bassa viscosità e un flusso di calore costante alla superficie del nucleo terrestre.

Con questo modello è stato possibile simulare per la prima volta un campo magnetico sufficientemente forte e stabile in condizioni simili alla Terra. I ricercatori hanno ora integrato questo modello con condizioni idealizzate, ad esempio ipotizzando che il pianeta simile alla Terra sia sferico. Allo stesso tempo, però, si sono avvicinati a condizioni simili a quelle della Terra, permettendo al campo magnetico e al flusso nel nucleo liquido di decadere a velocità diverse. In questo modo, i ricercatori sono riusciti a utilizzare quattro milioni di ore di CPU su Piz Daint per simulare una dinamo planetaria con una viscosità mai vista prima, un'alta velocità di rotazione, la propagazione del campo magnetico e la durata dell'inversione di polarità.

Durante la simulazione si è sviluppato un forte campo magnetico bipolare, che si è invertito periodicamente nel giro di poche migliaia di anni. Nella realtà, invece, il campo magnetico terrestre si è invertito irregolarmente diverse centinaia di volte, in media ogni 500.000 anni negli ultimi milioni di anni. Poiché non si inverte periodicamente né ha le stesse simmetrie del campo magnetico simulato, differisce in modo significativo dal campo di dipolo simulato. "La fisica su cui si basa la simulazione corrisponde a quella della Terra", dice Andrew Jackson. Ma poiché siamo ancora lontani da ordini di grandezza dalle condizioni reali sulla e nella Terra, il modello fornisce inizialmente solo un'indicazione del fatto che le onde della dinamo potrebbero svolgere un ruolo nell'inversione del campo magnetico terrestre.