earth-mag-field-x600 (1)

Генериране на геомагнитното поле от ядрен геореактор

От 1939 година се счита, че геомагнитното поле произлиза механизъм динамо, но не в течното ядро на земята, както дълго се е смятало, а в генерирания от атомно делене подслой на геореактора, естествено произлязъл реактор за атомно делене, за който се смята, че съществува в центъра на Земята.

Никоя друга проява на Земята не изглеждала толкова необяснима, колкото нейното магнитно поле. Твърдят, че Алберт Айнщайн е считал неговия произход за един от най-важните неразрешени проблеми във физиката.

Преди повече от хиляда години хора в Китай пускат в купи вода тънки резени от минерала, който днес наричаме магнетит, и откриват, че резенчетата се подреждат в една определена посока. Това наблюдение води до разработването на така наречения магнитен компас. През 1600 година Уилям Гилбърт публикува De Magnete (За магнита), базиран на обширната му колекция от магнитни измервания от цялото земно кълбо. Книгата показва, че самата Земя е като огромен магнит и магнитните сили не произлизат от извънземен източник, както бива предполагано от други. През 1838 г. математикът гений, Йохан Карл Фридрих Гаус, доказва, че източникът на магнитното поле е в центъра на земята или близо до него (Фигура 1).

earth-mag-field-x600 (1)

Фигура 1. Схематично представяне на земното магнитно поле, както се е смятало, че изглежда, преди да бъде открит ефектът на слънчевия вятър.

 Земята действа като огромен магнит с магнитно поле, простиращо се в междупланетното пространство, защитава планетата, отразявайки частици от слънчевия вятър, но не е постоянен магнит (Фигура 2). Във вътрешността на Земята температурата е прекалено висока (над точката на Кюри) за постоянен магнит да остане магнетизиран. Освен това магн. поле трябва постоянно да бъде захранвано с енергия: в противен случай взаим. му със слънчевия вятър и с земната материя биха го накарали да се руши и в крайна сметка да изчезне. Следователно на Земята или близо до центъра и трябва да съществуват механизъм за генериране на електромагнитно поле и енергиен източник за захранването му.

magnetosphere

Фигура 2: Схематично представяне на слънчевия вятър, безопасно отклоняван от Земята от геомагнитното поле. Забележете настъпващото като следствие изкривяване на формата на полето.

През 1911 г. Лармо предполага, че магнитното поле на Слънцето бива поддържано от механизъм, подобен на самозадвижващо се динамо. Еласе и Булар първи приспособяват концепцията за слънчевото динамо, за да обяснят, че геомагнитното поле бива генерирано в течното ядро на Земята от действие, подобно на това на динамото.

Механизмът на динамото в общи линии е магнитен усилвател. От 1939 година се вярва, че геомагнитното поле произлиза от конвективни движения течното, електропроводимо ядро на Земята. Идеята е, че конвективната течност взаимодейства със силите на Кориолис, образувани от въртенето на планетата и действат като динамо, което е магнитен усилвател. Идеята изглежда толкова логична и смислено обясняваща произхода на наблюдаваното магнитно поле, че до скоро никой не поставя под въпрос дали дългосрочна, стабилна конвекция може да протече в течното ядро на Земята.

Учените прекалено често подхвърлят термина конвекция без да спрат и да помислят какво означава и предполага. Нобеловият лауреат Субраманян Чандрасекар определя конвекцията по следния начин: “Най-простият пример за термално предизвикана конвекция се появява, когато хоризонтален слой течност бива нагрят отдолу и неблагоприятна температура бива поддържана. Прилагатеното “неблагоприятен” за преобладаващата температура, тъй като, поради термалното разширяване, течността на дъното става по-лека от тази отгоре, и това е тежка в горната си част подредба, която е потенциално нестабилна. При тези обстоятелства течността ще опита да се преразпредели и да компенсира тази слабост в подредбата си. Така произтича темп. конвекция: Тя представлява усилията на флуида да си възвърне стабилността до известна степен.”

От проучвания на магнетизма на скали се знае, че геомагнитното поле съществува поне от 3.5 милиарда години. С изключение на обръщанията на полярността, геомагнитното поле е удивително стабилно за дълги периоди от време. Всъщност геомагнитното поле понякога е оставало без обръщания за 40 милиона години. И така, ако геомагнитното поле е произвеждано от механизъм динамо, то тогава дългосрочна, устойчива конвекция трябва непременно да преобладава във Функционалната течност на динамото. Но може ли стабилна конвекция да съществува дълго време в рамките на течното ядро на Земята. С това се занимава Дж. Марвин Херндън.

За да съществува стабилна конвекция за дълго време в течното ядро на Земята, е необходимо неблагоприятната температура да бъде поддържана дълго време, така че получената под течното ядро топлина да накара долната част на ядрото да стане по-лека, с по-голяма плаваемост, и затова да се издигне до горната част на ядрото, носейки топлина със себе си. За да бъде поддържана тази “неблагоприятната температура” за дълго време се изисква температурата в горната част да бъде поддържана по-ниска от тази в долната. Това може да стане, само ако топлината, пренасяна в горната част чрез конвекция и топлопроводимост, бива ефективно премахната. И в това се състои проблемът.

Течното ядро на Земята е обвито в изолиращо покривало, скалист пласт, мантията, което е дебело 2900 км и има значително по-нисък топлинен капацитет и по-ниска топлопроводимост от течното ядро. Така топлината, пренасяна в горната част не може да бъде ефективно премахната чрез провеждане на топлина. Дебелият скален пласт също така има значително по-голяма вискозност от течното ядро, което означава, че топлината в горната част не може да бъде отведена в скалистия пласт и чрез конвекция. С други думи, в течното ядро неблагоприятна температура не може да бъде поддържан дълго и поради това конвекция не може да бъде поддържана за големи времеви периоди. Следствието от това е ясно: или геомагнитното поле е генерирано от процес, различен от този на механизма на динамото, или съществува и друг течен регион, в който може да протича продължителна конвекция. Изглежда второто твърдение е вярното.

През 1993 г. Херндън публикува първата от серия научни статии, разкриващи произхода, възможностите и доказателствата за реактор за атомно делене, наречен геореактор, в центъра на Земята като източник на геомагнитното поле. Тази статия, както отбелязва Рао с обширните си споменавания за нея, може да предложи решението на загадки около променливостта на геомагнитното поле и образуването на хелий в земните недра. Изчисленията, лежащи в основата на Херндъновата концепция за геореактора вече са потвърдени и множество цифрови симулации са проведени в националната лаборатория Оук Ридж…

През 1996 г. в статия, публикувана в Протоколи на Националната академия на науките на САЩ, Херндън описва геореактора като състоящ се от ураново подядро, обградено от подслой, съставен от продукти на атомно делене и радиоактивен разпад, които е възможно да са “каша или течност”, както е показано на фигура 3.
dcfhbr9v_2f93hrwdr_b

 Фигура 3. Схематично представяне на под-структурата на геореактора във вътрешното ядро на Земята (A) и вътрешната структура на Земята като цяло (B).

През 2007 г. Херндън представя доказателства в подкрепа на идеята си, че подслоят е каша или течност, и че магнитното поле на Земята бива произвеждано от механизъм динамо, действащ в подслоя на геореактора. Забележително е, че в него няма пречка за дългосрочна, устойчива конвекция; топлината, генерирана от атомното делене в подядрото прави течността на дъното на подслоя по-лек, с по-голяма плаваемост и я кара да се издигне до върха на подслоя, където влиза в контакт с вътрешното ядро, относително добър проводник на топлина. То от своя страна се допира до друг такъв – течното ядро на Земята. Така няма пречка за дългосрочна, стабилна конвекция в подобвивката на геореактора.

magnetic fieldФигура 4. Схематично представяне на вътрешността на Земята и геореактора.

Очаква се конвективните движения в електропроводимото течна (или кашеста) подобвивка ще взаимодействат със силите на Кориолис, произвеждани от въртенето на планетата около оста си, и ще действат като динамо, магнитен усилвател (фигура 5). И, за разлика от течното ядро на Земята, подобвивката на геореактора съдържа големи количества богати на неутрони елементи, получени от деленето. Те претърпяват бета разпад и дават електрони за генерирането на малки магнитни полета за усилване. По този начин геореакторът действа и като енергиен източник, и като функционална течност за генерирането чрез действието на динамото на земното магнитно поле.

magnetic_field2

Фигура 5. Схематично представяне на геодинамично действие в под-обвивката на геореактора.

Концепцията за геомагнитно поле, произведено от ядрен геореактор във вида описан по-горе, се отнася за Земята. Същата концепция и принципи са приложими към генериране на планетарно магнитно поле като цяло.

Произход на магнитното поле на Земята:

Най-добре е да се гледа с високо качество, тъй като съдържа експериментална демонстрация, обясняваща защо дългосрочна конвекция и следователно действието на динамо е невъзможно в ядрото.