Untersuchung von Feldumkehrungen an einem numerischen Modell des Geodynamos
Einer der interessantesten Aspekte des Erdmagnetfeldes ist seine auf geologischen Zeitskalen wechselnde Polarität. Solche Feldumkehrungen traten in den letzten 160 Mio. Jahren durchschnittlich einige Male pro Mio. Jahre auf, allerdings mit einer sehr variablen Frequenz. Nach einer Umkehr haben magne...
| Main Author: | |
|---|---|
| Other Authors: | , |
| Format: | Doctoral or Postdoctoral Thesis |
| Language: | German |
| Published: |
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B56D-8 https://doi.org/10.53846/goediss-2962 https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-482-2 |
| Summary: | Einer der interessantesten Aspekte des Erdmagnetfeldes ist seine auf geologischen Zeitskalen wechselnde Polarität. Solche Feldumkehrungen traten in den letzten 160 Mio. Jahren durchschnittlich einige Male pro Mio. Jahre auf, allerdings mit einer sehr variablen Frequenz. Nach einer Umkehr haben magnetischer Nord- und Südpol ihre Plätze annähernd vertauscht. Das von innen kommende Magnetfeld der Erde entsteht im äußeren, flüssigen Eisenkern der Erde in einem selbsterhaltenden Dynamoprozeß. Die diesem Prozeß zu Grunde liegenden physikalischen Gleichungen können heutzutage auf leistungsstarken Computern numerisch gelöst werden. Die Simulationen reproduzieren erfolgreich verschiedene Eigenschaften des Erdmagnetfeldes, wie z. B. die Dominanz des Dipolfeldes, die Konzentration des magnetischen Flusses in mehreren Bündeln an der Kern-Mantel-Grenze (KMG) und die Westdrift magnetischer Strukturen. Feldumkehrungen wurden aber in den Modellen von wenigen Ausnahmen abgesehen nicht beobachtet. Zunächst wird untersucht, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, damit Umkehrungen auftreten.Es wird ein dreidimensionales numerisches Modell benutzt, welches die Gleichungen für Konvektion und Magnetfelderzeugung in einer rotierenden Kugelschale löst. In einer umfangreichen Studie werden sowohl die physikalischen Kontrollparameter variiert, als auch die Art, wie die Konvektion angetrieben wird. Als wichtiger Kontollparameter stellt sich die Rayleighzahl Ra heraus, welche das Verhältnis von konvektionsantreibenden zu konvektionshemmenden Kräften angibt. Oberhalb einer bestimmten Ra treten chaotische Umkehrungen des Dipolfeldes auf. Bei geeigneter Wahl von Ra stimmen das mittlere Dipolmoment, die Umkehrhäufigkeit und der zeitliche Verlauf der Feldstärke während der Umkehrungen mit paläomagnetischen Beobachtungen des Erdfeldes überein.Im Paläomagnetismus werden Deklination D und Inklination I des in einer Gesteinsprobe aufgezeichneten Magnetfeldvektors bestimmt. Unter der Annahme, daß das Erdmagnetfeld an der Oberfläche ein reines Dipolfeld ist, wird aus den Daten (D, I) die Länge und Breite des Südpols dieses Dipolfeldes bestimmt. Diesen Pol nennt man den virtuellen geomagnetischen Pol (VGP). Z. B. mit magnetisierten Bohrkernen aus Tiefsee-Sedimenten kann der Pfad rekonstruiert werden, den ein VGP während einer Polumkehr durchläuft. Überraschenderweise häufen sich diese Pfade entlang amerikanischer und ostasiatischer Längen, wenn man sie für Umkehrungen des Erdmagnetfeldes der letzten 10 Mio. Jahre betrachtet.Als mögliche Ursache für diese Häufungen wird in der Geophysik die thermische Kopplung des Kerns an den Mantel diskutiert. Temperaturunterschiede des untersten Mantels führen dabei zu einem inhomogenen Wärmefluß aus dem Kern in den Mantel. Diese Wärmeflußunterschiede können die Konvektion im Kern und damit das Magnetfeld beeinflussen. Anhand des numerischen Modells wird gezeigt, daß thermische Kern-Mantel-Kopplung tatsächlich zu der beobachteten Häufung der VGP's führt. Desweiteren kann gezeigt werden, daß das Wärmeflußmuster an der KMG entscheidend die Umkehrfrequenz des Dynamos beeinflußt. One of the most interesting aspects of the Earth's magnetic field is that it changes its polarity on geological time scales. In the last 160 million years, such field reversals occurred several times per million years, but with a very variable frequency. After a reversal, the magnetic north pole has more or less exchanged its place with the magnetic south pole. The internal magnetic field is generated within the liquid iron core of the Earth in a self-sustained dynamo process. The physical equations that govern this process can nowadays be solved numerically on high performance computers. The simulations reproduce the principal characteristics of the Earth's field quite nicely, e. g. the dominance of the dipole field, the magnetic flux concentrations at the core-mantle-boundary (CMB) and the westward drift of magnetic structures. However, reversals of the field are not a common feature of the models and it is unclear what conditions are required for obtaining them.We use a three-dimensional numerical model that solves the equations for convection and magnetic field generation in a rotating spherical shell. In an extensive study both the physical control parameters and the way the convection is driven are varied. The Rayleigh number Ra turns out to be an important control parameter regarding field reversals. It measures the forces that drive convection against the forces that hinder convection. Chaotic reversals of the dipole field arise beyond a certain value of Ra. For a suitable value of Ra, the mean dipole moment and the temporal evolution of the magnetic field resemble the known properties of the Earth's field from paleomagnetic data.In paleomagnetism, the declination D and inclination I of the magnetic field vector recorded in a rock sample are determined. On the assumption that the magnetic field is a purely dipolar field, one can calculate the longitude and latitude of the magnetic poles of this dipole field out of the (D, I) data. The south magnetic pole of this virtual field is called the virtual geomagnetic pole (VGP). Magnetic samples from deep sea sediments are used to reconstruct the paths that these VGP's take during a reversal. Surprisingly, the paths for the reversals of the last 10 million years have a stong tendency to fall along American and East Asian longitudes.Thermal core-mantle coupling could be a possible cause for the clustering of the VGP's: Due to temperature differences of the lowermost mantle the heat flux from the core into the mantle is inhomogeneous. These heat flux heterogeneities have an influence on the convection of the core and thus on the magnetic field. With the numerical model it is shown that thermal core-mantle-coupling indeed causes the observed clustering of the VGP's. Furthermore it can be shown that the heat flux pattern at the CMB crucially influences the reversal frequency of the dynamo. |
|---|