Gary A. Glatzmaier van het Institute of Geophysics & Planetary Physics van het Los Alamos National Laboratory heeft uitgebreid werk verricht op dit gebied. Hij antwoordt:
“Men denkt dat het aardmagnetisch veld wordt opgewekt door vloeistofbewegingen in het vloeibare, buitenste deel van de aardkern, die hoofdzakelijk uit ijzer bestaat. De vloeistofbewegingen worden aangedreven door drijfkrachten die ontstaan aan de basis van de buitenkern wanneer de aarde langzaam afkoelt en ijzer condenseert op de vaste binnenkern eronder. Door de rotatie van de aarde stijgt de opwaartse vloeistof op in gebogen banen, die nieuwe magnetische velden genereren door het bestaande magnetische veld te verdraaien en af te schuiven. Meer dan 99 procent van de magnetische energie van de aarde blijft volledig in de kern opgesloten. Wij nemen alleen het kleine gedeelte van het magnetische veld waar dat zich uitstrekt naar het oppervlak en verder, waar de basisstructuur een dipool is – dat wil zeggen een eenvoudig noord-zuid veld zoals dat van een eenvoudige barmagneet. Er zijn ook kleinere, niet-dipolaire structuren in het aardveld; deze veranderen plaatselijk en heel weinig op een eeuwschaal.
“Het dipoolgedeelte van het veld ligt gewoonlijk vrij dicht bij de draaias van de Aarde; met andere woorden, de magnetische polen liggen gewoonlijk vrij dicht bij de geografische polen, vandaar dat een kompas werkt. Af en toe echter keert het dipoolgedeelte van het veld om, waardoor de plaatsen van de magnetische noord- en zuidpool verwisselen. Dit omkeerproces is te zien in de paleomagnetische gegevens, die zijn vastgelegd in gesteenten van de oceaanbodem en in sommige lavastromen. Het omkeerproces is niet letterlijk “periodiek” zoals op de zon, waarvan het magnetisch veld elke 11 jaar omkeert. De tijd tussen magnetische omkeringen op de aarde is soms zo kort als 10.000 jaar en soms zo lang als 25 miljoen jaar; de tijd die nodig is om om te keren is slechts ongeveer 5.000 jaar.
“De eerste dynamisch-consistente, driedimensionale computersimulatie van de geodynamo (het mechanisme in de vloeibare buitenkern van de aarde dat het aardmagnetisch veld opwekt en in stand houdt) werd voltooid en gepubliceerd door Paul H.Roberts van de universiteit van Californië in Los Angeles en mijzelf in 1995. Wij programmeerden supercomputers om de grote reeks niet-lineaire vergelijkingen op te lossen die de fysica van de vloeistofbewegingen en de opwekking van het magnetisch veld in de kern van de Aarde beschrijven. Het gesimuleerde geomagnetische veld, dat nu het equivalent van meer dan 300.000 jaar omspant, heeft een intensiteit, een dipool-gedomineerde structuur en een westwaartse drift aan het oppervlak die alle vergelijkbaar zijn met het echte veld van de Aarde. Ons model voorspelde dat de vaste binnenkern, die magnetisch gekoppeld is aan de oostwaartse vloeistofstroom erboven, iets sneller zou draaien dan het aardoppervlak. Deze voorspelling werd onlangs ondersteund door studies van seismische golven die door de kern gaan.
“Bovendien heeft het computermodel drie spontane omkeringen van het aardmagnetisch veld voortgebracht gedurende de 300.000 jaar durende simulatie. Dus nu hebben we voor het eerst driedimensionale, tijdsafhankelijke gesimuleerde informatie over hoemagnetische omkeringen kunnen optreden. Het proces is niet eenvoudig, zelfs niet in ons computermodel. Vloeistofbewegingen proberen het veld om te keren op een tijdschaal van enkele duizenden jaren, maar de vaste binnenkern probeert omkeringen te voorkomen omdat het veld in de binnenkern lang niet zo snel kan veranderen (diffunderen) als in de vloeibare buitenkern. Slechts in zeldzame gevallen evolueren de thermodynamica, de vloeistofbewegingen en het magnetisch veld allemaal op een compatibele manier, zodat het oorspronkelijke veld volledig uit de binnenkern kan diffunderen, zodat de nieuwe dipoolpolariteit erin kan diffunderen en een omgekeerd magnetisch veld tot stand kan brengen. De stochastische (willekeurige) aard van het proces verklaart waarschijnlijk waarom de tijd tussen omkeringen op de Aarde zo varieert.”
Voor meer gedetailleerde verklaringen van de geodynamo, de gesimuleerde magnetische omkeringen en de superrotatie van de binnenkern van de Aarde, beveelt Glatzmaier de volgende artikelen aan:
“A Three-Dimensional Self-Consistent Computer Simulation of a GeomagneticField Reversal” door Gary A. Glatzmaier en Paul H. Roberts in Nature, Vol.377, pages 203-209; 1995.
“Rotation and Magnetism of Earth’s Inner Core” door Gary A. Glatzmaier en PaulH. Roberts in Science, Vol. 274, pages 1887-1891; 1996.
Edwin S.Robinson is hoogleraar geofysica aan de Virginia Polytechnic Institute &State University in Blacksburg, Virginia.
Hij voegt daar nog wat achtergrondinformatie aan toe:
“Het belangrijkste geomagnetische veld van de aarde wordt geproduceerd door de stroom van elektrisch geladen deeltjes in het vloeibare gedeelte van de aardkern. Deze vloeibare zone strekt zich uit van een diepte van 2.900 kilometer tot een diepte van 5.100 kilometer. Stromingen van stromende vloeistof worden veroorzaakt door het verschil in temperatuur tussen de top en de basis van deze zone. Deze stromingen lijken op de beweging van water in een kokende ketel. De rotatie van de aarde om haar as geeft symmetrie aan het patroon van de stromingen in de vloeibare kern. Daarom is er een enigszins symmetrische elektrische stroom in de vloeibare kern die het resultaat is van de beweging van de elektrisch geladen deeltjes.
“We weten uit de natuurkundige principes betreffende elektromagnetische inductie dat een elektrische stroom altijd een bijbehorend magnetisch veld heeft. In de vloeibare kern van de aarde ontstaat een dynamo. Omdat de kernstroom enigszins symmetrisch is rond de rotatie-as, is het bijbehorende magnetische veld vergelijkbaar met dat van een staafmagneet. Om onduidelijke redenen wordt het evenwicht tussen het effect van de draaiing van de aarde en het effect van de temperatuur op de kerndynamo van tijd tot tijd verstoord, waardoor het patroon van de kernstroom wordt verstoord. Na een dergelijke verstoring is het theoretisch mogelijk dat de dynamo zich herstelt met een tegengestelde stroomrichting. Het bijbehorende magnetische veld zal dan een tegengestelde polarisatie hebben.
“Omdat we niet in de vloeibare kern kunnen afdalen om waar te nemen wat er werkelijk gebeurt, moeten we conclusies trekken op basis van metingen die op of boven het aardoppervlak zijn gedaan. Daarom is onze kennis van de kern zeer onvolledig. We weten gewoon niet genoeg over de kern om te voorspellen wanneer de polen in de toekomst zullen omkeren of hoe lang het duurt om zo’n omkering te voltooien of wat het delicate evenwicht verstoort van de factoren die de kernstroom produceren. Maar we beschikken wel over overtuigende informatie, verkregen uit gemagnetiseerde minerale korrels in gesteenten, die ons vertelt dat geomagnetische polariteitsomkeringen zich in de geschiedenis van de aarde vele malen hebben voorgedaan.