Aardmagnetisme laat zich zien

Met een miniatuuraarde compleet met magnetische veldlijnen, kunnen veel mysteries worden onderzocht. Waarom het aardmagnetische veld sinds de negentiende eeuw gestaag afneemt, bijvoorbeeld. En hoe het komt dat de Noord- en Zuidpool niet exact overeenkomen met de magnetische polen.

Het grootste obstakel voor het onderzoek was dat het magnetisme, dat wetenschappers opwekken in zogenaamde dynamovaten, niet goed te meten en analyseren was. Maar een mathematisch model van dr.ir. Sasa Kenjeres en prof.dr. Kemal Hanjalic van Technische Natuurwetenschappen, leidde onlangs tot een doorbraak. De Delftenaren houden in hun model rekening met de turbulentie die in het vat ontstaat. De onderzoekers schrijven er deze maand over in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

Aardmagnetisme wordt veroorzaakt door wervelingen in het buitenste, ijzerrijke deel van de aardkern. IJzerelektronen worden in deze vloeibare massa – die door warmtewisselingen in de aarde continu in beweging is – naar de zijkant gedrukt, waardoor enorme elektrische stromen ontstaan. Deze wervelende elektrische stromen creëren magneetvelden.

Onderzoekers van de universiteit van Riga (Letland), met wie Kenjeres nauw samenwerkt, imiteren deze stromen onder de aardkorst door in een vat van enkele kubieke meters groot vloeibaar natrium met grote snelheid rond te laten wervelen. Ze gebruiken hiervoor een schroef die duizenden toeren per minuut maakt.

“Dat op deze manier ook magneetvelden ontstaan, was al jaren bekend”, zegt Kenjeres. “Maar het lastige is dat het vat hermetisch afgesloten is. Sensoren die door de wand van het vat steken, leveren wel gegevens op over de magneetsterkten op specifieke plekken, maar creëerden geen mooi overzichtsplaatje.”

De Letten probeerden het veld aan de hand van de meetgegevens te reconstrueren op de computer. Maar dat was onbegonnen werk vanwege de turbulentie van de stromingen. Je krijgt dan duizenden gegevens, waarvan je voor duizenden tijdstappen moet berekenen hoe ze zich ontwikkelen. Kenjeres: “Met alle computers bij elkaar doe je daar nog duizend jaar over.”

Kenjeres en Hanjalic ontwikkelden daarom een efficiënter algoritme, waarbij vloeistofmechanica (waaronder turbulentie) en magnetisme gecombineerd zijn in één mathematisch model. Hiermee kunnen zij wel zeer secure computersimulaties maken.

Op het beeldscherm van Kenjeres tollen kluwen draaiende magneetstralen rond. “Hetzelfde gebeurt in het binnenste van de onze planeet”, vertelt de natuurkundige. “In feite maken we nu een ‘reis naar het centrum van de aarde’, zoals de negentiende-eeuwse schrijver Jules Verne in een van zijn boeken beschreef.

Met collega’s van de universiteit van Maryland in de Verenigde Staten wil Kenjeres een volgende belangrijke stap zetten. De komende jaren ontwikkelen ze een dynamovat, waarin het vloeibare natrium door wisselende temperaturen in beweging wordt gebracht, net als in de aarde.

Nagebootst aardmagnetisme (Illustratie: Sasa Kenjeres)

Met een miniatuuraarde compleet met magnetische veldlijnen, kunnen veel mysteries worden onderzocht. Waarom het aardmagnetische veld sinds de negentiende eeuw gestaag afneemt, bijvoorbeeld. En hoe het komt dat de Noord- en Zuidpool niet exact overeenkomen met de magnetische polen.

Het grootste obstakel voor het onderzoek was dat het magnetisme, dat wetenschappers opwekken in zogenaamde dynamovaten, niet goed te meten en analyseren was. Maar een mathematisch model van dr.ir. Sasa Kenjeres en prof.dr. Kemal Hanjalic van Technische Natuurwetenschappen, leidde onlangs tot een doorbraak. De Delftenaren houden in hun model rekening met de turbulentie die in het vat ontstaat. De onderzoekers schrijven er deze maand over in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

Aardmagnetisme wordt veroorzaakt door wervelingen in het buitenste, ijzerrijke deel van de aardkern. IJzerelektronen worden in deze vloeibare massa – die door warmtewisselingen in de aarde continu in beweging is – naar de zijkant gedrukt, waardoor enorme elektrische stromen ontstaan. Deze wervelende elektrische stromen creëren magneetvelden.

Onderzoekers van de universiteit van Riga (Letland), met wie Kenjeres nauw samenwerkt, imiteren deze stromen onder de aardkorst door in een vat van enkele kubieke meters groot vloeibaar natrium met grote snelheid rond te laten wervelen. Ze gebruiken hiervoor een schroef die duizenden toeren per minuut maakt.

“Dat op deze manier ook magneetvelden ontstaan, was al jaren bekend”, zegt Kenjeres. “Maar het lastige is dat het vat hermetisch afgesloten is. Sensoren die door de wand van het vat steken, leveren wel gegevens op over de magneetsterkten op specifieke plekken, maar creëerden geen mooi overzichtsplaatje.”

De Letten probeerden het veld aan de hand van de meetgegevens te reconstrueren op de computer. Maar dat was onbegonnen werk vanwege de turbulentie van de stromingen. Je krijgt dan duizenden gegevens, waarvan je voor duizenden tijdstappen moet berekenen hoe ze zich ontwikkelen. Kenjeres: “Met alle computers bij elkaar doe je daar nog duizend jaar over.”

Kenjeres en Hanjalic ontwikkelden daarom een efficiënter algoritme, waarbij vloeistofmechanica (waaronder turbulentie) en magnetisme gecombineerd zijn in één mathematisch model. Hiermee kunnen zij wel zeer secure computersimulaties maken.

Op het beeldscherm van Kenjeres tollen kluwen draaiende magneetstralen rond. “Hetzelfde gebeurt in het binnenste van de onze planeet”, vertelt de natuurkundige. “In feite maken we nu een ‘reis naar het centrum van de aarde’, zoals de negentiende-eeuwse schrijver Jules Verne in een van zijn boeken beschreef.

Met collega’s van de universiteit van Maryland in de Verenigde Staten wil Kenjeres een volgende belangrijke stap zetten. De komende jaren ontwikkelen ze een dynamovat, waarin het vloeibare natrium door wisselende temperaturen in beweging wordt gebracht, net als in de aarde.

Nagebootst aardmagnetisme (Illustratie: Sasa Kenjeres)