Nuclear Georeactor Generation of Earth's Geomagnetic Field
这次交流的目的是表明，产生地磁场的机制和为其提供动力的能源是同一个，即地球中心的核地质反应堆。为此，我：i）提出核地质反应堆裂变产物子壳是流体的证据; ii）表明地磁场是在地质反应堆子壳内产生的，而不是在地球的铁合金流体核内产生的; iii）描述为什么对流在地质反应堆子壳内比在铁合金核内更可行; iv）披露地质反应堆子壳发电机操作的额外相对物理优势;以及，五）简要概述为提高地质反应堆-地磁场生成的知识水平而应进行的研究。提出了专门针对地球的核地质反应堆产生地磁场的概念。然而，这些概念和原理通常适用于行星磁场的产生。
2007-08-28 physics.gen-ph physics.geo-ph physics.space-ph
Magnetic Field Generation in Planets and Satellites by Natural Nuclear Fission Reactors
物理学中最基本的问题之一是理解产生地磁场和其他行星和卫星磁场的机制的本质。几十年来，发电机机制，被认为是负责产生地磁场和其他行星磁场，已被归因于每个行星的铁合金核心对流。最近，我描述了地核对流中固有的问题，并提出地磁场是由发电机机制产生的，涉及对流，不是在流体核中，而是在地球中心天然核裂变反应堆的导电，流体，裂变产物子壳中，称为地质反应堆。在这里，我详细阐述了太阳系中类似地球内部物质的共性，这是我概括自然行星核裂变反应堆产生行星磁场的概念的基础。
2007-09-27 physics.gen-ph physics.geo-ph physics.space-ph
Geomagnetic semblance and dipolar-multipolar transition in top-heavy double-diffusive geodynamo models
地球液态外核的对流是由热和化学扰动驱动的。本研究的主要目的是研究双扩散对流磁场产生的影响，通过三维全球地球发电机模型，在所谓的“头重脚轻”制度的双扩散对流，当热和成分背景梯度不稳定。使用线性本征解算器，我们首先确认，相比于标准的单扩散配置，对流的发病是由另外的第二个浮力源促进。接下来，我们进行系统的参数调查进行$79$数值发电机模拟。我们表明，对于对流输入功率在其热成分和化学成分之间的任何分配，模拟磁场和地磁场之间都可以达到良好的一致性。相反，偶极主导和多极发电机之间的过渡被发现强烈依赖于浮力强迫的性质。经典的参数，如当地的罗斯贝数或赤道对称的程度的流动，预计将支配这种转变，未能捕获偶极击穿。力平衡的尺度相关分析表明，当惯性力与主导长度尺度下的洛伦兹力之比达到$0.5$时，无论浮力如何分配，都会发生过渡。积分动能与磁能之比$E_k/E_m$提供了该力比的合理代表。考虑到地核中的$E_k/E_m \ll 1$，地球发电机预计将在远离偶极-多极转变的地方运行。由此看来，地磁极性倒转的发生不太可能与地核中惯性力振幅的剧烈而准时的变化有关，必须寻找另一种机制。
2021-05-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Simulating geomagnetic reversals through 2D Ising systems
在这项工作中，二维伊辛系统被用来模拟地球的磁场的逆转。每一次自旋都被认为是地球发电机中的一个环电流，磁化强度与场强成正比。鉴于该系统的一些物理少盘建模的相对成功，所有模拟都在小型系统中实现。温度T被用作调谐参数。它起着外部扰动的作用。幂律分布之间的逆转。当系统规模增加时，幂律的指数渐近地趋向于非常接近-1.5的值，通常被认为是这种现象的正确值。根据T和Tc的接近程度，反转期的平均持续时间会发生变化。这样，就有可能在模型和大致明确的反转记录时期之间建立一种平行关系。提出了今后工作的一些可能趋势。
2006-05-05 physics.gen-ph physics.geo-ph
Does the Planetary Dynamo Go Cycling On? Re-examining the Evidence for Cycles in Magnetic Reversal Rate
地磁场反转的记录在板块构造理论的发展中起着不可或缺的作用。反转记录的统计分析旨在详细说明模式，并将这些模式与核幔过程联系起来。地磁极性时标是一个动态记录，新的古地磁和地质年代学数据提供了更多的细节。在本文中，我们使用傅立叶分析研究了3.75亿年前（Ma）反转记录中揭示的周期性。在1600 - 4000万年（Myr）范围内的反转功率谱中发现了四个显著的峰。绘制由近端峰值的频率之和构建的函数，产生一个短暂的2600万年的周期性，表明具有周期性吸引子的混沌运动。可能的1600万年的周期性，以前公认的结果，可能与地幔柱的脉动，也许;更试探性地，与核-幔动力学起源附近的大型低剪切速度层在太平洋和非洲。行星的磁场屏蔽了带电粒子，这些带电粒子会在行星表面产生辐射，并使大气层变薄，这是一种与M星特别相关的损耗机制。了解行星磁场的起源和发展可以阐明宜居带。
2017-01-18 astro-ph.EP nlin.CD physics.data-an
Systematic parameter study of dynamo bifurcations in geodynamo simulations
我们调查的性质发电机分岔的配置适用于地球的液体外核。对偶极磁场稳定域的数值研究发现了非可逆偶极主导发电机和可逆非偶极主导多极解之间的二分法。我们表明，通过考虑弱初始场，上述过渡消失，取而代之的是一个区域的双稳态。在具有自由滑动边界的模式中，地转纬向流可以发展并参与非偶极场的发电机机制，也可以观察到这种结果。我们发现，一个类似的过程中发展无滑移模型时，粘性效应充分减少。以下三个制度的区别：（一）接近对流（$Ra_c$）的发病只有最关键的对流模式（波数）存在，发电机设置在超临界和偶极占主导地位。(ii)在$3<Ra/Ra_c<Ra_c$范围内，分叉是亚临界的，并且仅存在偶极主导的发电机。(iii)$(Ra/Ra_c>10)$，纬向流的相对重要性增加与$Ra$在非磁性模型。场拓扑取决于初始磁场的大小。偶极分支具有亚临界行为，而多极分支具有超临界行为。通过接近更现实的参数，这种非线性机制的扩展增加。滞后行为质疑地磁极性倒转的一般解释。远远高于发电机阈值（通过增加磁普朗特数），洛伦兹力有助于一阶力平衡，正如行星发电机所预测的那样。当$Ra$足够高时，偶极场显著影响流速、流动结构和热量传送，无论场强如何，洛伦兹力都会降低该热量传递。
2018-02-19 astro-ph.EP physics.geo-ph
Determining role of Krein signature for 3D Arnold tongues of oscillatory dynamos
使用同伦家庭的平均场$α^2$ -发电机与螺旋湍流参数$α(r)=α_0+γΔα(r)$和同伦参数$β\in [0,1]$的边界本征值问题，我们表明，基础网络的恶魔点狄利克雷（理想化，$β=0$）边界条件基本上决定舞蹈的特征值，从而罗宾（物理现实，$β=1$）边界条件的发电机不稳定性的字符。在$(α_0,β,γ)-$空间中，$β=1$的Arnold舌形振荡解在$β=0$的恶魔点处结束。在恶魔点附近的3D舌，这是在一阶近似的圆锥体的空间取向，是由在圆锥体的顶点处的恶魔交叉所涉及的模式的Krein签名确定。Krein空间引起的几何形状的共振区解释了微妙的发现$α$ -配置文件导致频谱异常点，这是重要的成分，在最近的理论极性反转的地磁场。
2008-12-19 astro-ph math-ph math.DS
Dynamo-based limit to the extent of a stable layer atop Earth's core
核幔边界（CMB）下存在稳定分层层的说法最近被来自地震研究、矿物物理学和热演化模型的佐证所恢复。这样的层可以在由于轻元素在顶部或核心处的积累而导致的成分分层中或者在由于热通量变得局部亚绝热而导致的热分层中找到其物理起源。然而，这个稳定分层层的确切属性，即其大小$\mathcal{H}_S$和由Brunt-Väisälä频率$N$表征的分层程度，是不确定的，并且存在很大争议。CMB下面的稳定层可以对地球发电机产生关键的动力学影响。由于对流运动的抑制，稳定层预期主要充当磁场上的低通滤波器，通过趋肤效应平滑快速变化和小尺度特征。为了更系统地研究这种效应，我们计算了70个全球地球发电机模型，其稳定分层层的大小从0到300~km，其振幅从$N/Ω= 0$到$N/Ω\simeq 50$，$Ω$是旋转速率。我们表明，在稳定层结层的对流流动的渗透控制的典型大小的对流涡和局部变化的比率$N/Ω$。利用数值模型中获得的磁场和CMB地磁场之间的形态学相似程度的定量测量，我们建立了稳定层厚度$\mathcal{H}_s < (N/Ω)^{-1} d_c$的上限，$d_c$是稳定层底部对流的水平尺寸。这定义了一个强大的地磁约束下的CMB稳定分层层的属性。
2020-05-16 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Abrupt global events in the Earth's history: a physics perspective
地球历史的时间轴揭示了过去5.42亿年地质记录的准周期性，在时间尺度上接近100万年。这种准周期性的起源是什么？定义地质时间尺度边界的全球事件的性质是什么？我认为，一个单一的机制是负责所有三种类型的事件：质量的波动，地磁极性逆转，海平面波动。该机制是快速的，并且涉及显著的能量释放。这种机制不太可能有天文学的原因，既因为涉及的能量，也因为它的行为准周期性。它必须在地球本身中寻找。它必须能够逆转地球的磁场。最后一个要求使它与地磁场起源的共识模型--在地球流体核心中运行的磁流体发电机--不相容。在本文的第二部分，我表明，大量的看似无关的地球物理和地质数据可以理解在一个统一的方式，如果地球的主要磁场的来源是一个~200公里厚的岩石圈，反复磁化的甲烷驱动的海洋喷发，产生海洋流动的发电机行动能力的结果。喷发是由浮力和溶解气体的出溶作用的相互作用驱动的，这些溶解气体积聚在易于停滞和缺氧的海洋水体中。极性反转、质量分离和层序边界是这些喷发的结果。与地磁的共识模型不同，这种情况与古地磁数据一致，表明“[地磁极性]反转期间的方向变化可能非常快，可能发生在从一个倾斜偶极状态到另一个倾斜偶极状态的几乎瞬间跳跃。
2018-10-26 astro-ph astro-ph.EP physics.geo-ph
Terrestrial planetary dynamics: a view from U, Th geochemistry
U和Th在行星内部的迁移受挥发性成分所施加的氧化态控制。在行星的内部深处，由于缺乏氧化挥发物，铀和钍将保持在金属或低价化合物的状态，密度很大。因此，它们首先迁移到地幔底部，然后逐渐被隔离到液态金属核。地球富含包括水在内的氧化性挥发分，因此，核内的U和Th可以通过由外核、热的超级羽流、软流圈和俯冲带（或冷的超级羽流）组成的内循环系统向上迁移。这一内循环系统是板块构造、地球发电机和由此产生的地磁场形成的关键。此外，地球内部丰富的氧化挥发物和水是形成这种循环系统的前提。在早期阶段（> 4Ga），火星发展了一个类似地球的内部循环系统，这是由于来自其建筑材料的相对大量的氧化挥发性成分。这将产生一个发电机，并相应地产生类似地球的磁场。但这种内循环系统在早期被一次或几次巨大的撞击事件破坏，赶走了这些挥发性成分。这些事件也塑造了火星表面引人注目的半球二分结构。另一个结果是它的发电机和地磁场也消失了。从那时起，火星就像水星和金星一样，其核心的U和Th释放的热量不能通过内部循环系统温和地移动，而是通过偶尔的灾难性表面重塑事件（金星）或超级羽流（火星）或逐渐的热传导（水星）。
2007-02-06 astro-ph physics.geo-ph
Fluid Dynamics of Earth's core: geodynamo, inner core dynamics, core formation
本章是从2018年4月在乌迪内举行的三场1.5小时的讲座中构建的，内容涉及地球核心动力学的各个方面。本章以一个关于地球磁场和地核发现的简短历史记录开始（第1节）。然后，我们转向磁流体力学的介绍（第2节），介绍和讨论感应方程和洛伦兹力的形式和影响。第三节介绍了地球磁场的球谐函数描述，并说明了球谐函数描述如何用于证明地磁场的内部起源。然后，我们将介绍地球发电机的对流驱动模型（第4节），讨论我们目前对地核动力学的理解，详细地获得自然旋转对流的临界瑞利数的Ekman依赖性，并介绍用于模拟对流驱动发电机的方程和无量纲参数。下一节讨论地球发电机的能量学（第5节）。最后两个部分涉及内核的动力学，重点是磁场的影响（第6节），并与核心的形成（第7节）。由于本章的范围很广，时间有限，对地球核心动力学的介绍决不是全面的。有关更多信息，感兴趣的读者可以参考Jones（2011），Olson（2013）或Christensen和Wicht（2015）关于地磁场和地球发电机，Sumita和Bergman（2015），Deguen（2012）以及Lasbleis和Deguen（2015）关于内核的动力学，以及Rubie等人（2015）关于核心形成。
2019-05-24 physics.geo-ph
Terrestrial atmospheric ion implantation occurred in the nearside lunar regolith during the history of Earth's dynamo
本研究通过三维磁流体力学数值模拟，结合现代与太古代地球大气条件，发现月球仅在地球磁尾内时会有效接收地球大气离子，且月壤非太阳贡献源于地球发电机长期作用，为地球古大气研究提供新线索。
2024-11-30 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Approaching a realistic force balance in geodynamo simulations
地球维持其磁场的发电机过程由液体外核对流驱动。地球发电机模拟已经成功地再现了许多观测到的地磁场特性。然而，虽然理论上的考虑表明，核心中的流动是由洛伦兹力，旋转力和浮力之间的平衡（称为磁，阿基米德，科里奥利MAC平衡）与粘性和惯性力只有微小的作用，发电机模拟必须采用粘度值，由于计算的限制，许多数量级大于核心。在典型的地球发电机模型中，粘性力和惯性力并不比科里奥利力小多少，而洛伦兹力起次要作用。这导致的结论是，这些模拟是粘性控制，并不代表地球发电机的物理。在这里，我们表明，通过直接分析的相关力量，MAC平衡时，粘度降低到接近目前的实际限制的值可以实现。洛伦兹力、浮力和科里奥利力的未补偿（通过压力）部分具有非常相似的强度，而粘性和惯性在流体体积的主体中小至少20倍。与其他参数相同的非磁对流相比，发电机流的尺度更大，平行于旋转轴的不变性更小（地转性更小），对流传输的热量是对流的两倍，当洛伦兹力强烈影响对流特性时，所有这些都是可以预期的。
2016-10-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Scaling of the geomagnetic secular variation time scales
本研究提出磁时间尺度谱τ(l,r)，通过数值地球发电机模型发现核幔边界处τ满足l⁻¹标度、边界下方标度变缓，且冻结通量假设无法解释该标度规律，明确地表长期变时间尺度无法可靠估算外核内部时间尺度。
2024-08-15 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal and electrical conductivity of iron at Earth's core conditions
地球就像一个巨大的热机，由放射性同位素的衰变和缓慢的冷却驱动，从而引起板块构造、火山和造山运动。另一个关键产物是地磁场，它是由一台发电机在液态铁核中产生的，发电机靠冷却和冻结释放的热量来生长固态内核，并靠冻结时从液体中排出的轻元素产生的化学对流来运转。提供给地球发电机的能量，通过核幔边界（CMB）的热通量来测量，对地球的演化产生了限制。宇宙微波背景辐射热通量的估计取决于堆芯中铁混合物在极端压力和温度条件下的性质，最关键的是导热率和电导率。由于实验和理论上的固有困难，这些量仍然知之甚少。在这里，我们使用密度泛函理论计算这些电导率在液态铁混合物在核心条件下的第一原理-第一个直接计算的值，不依赖于估计的基础上推断。Fe、O、S和Si的混合物取自早期的工作，并符合地震学确定的核心密度和内核边界密度跳跃。我们发现这两种电导率都比目前使用的估计值高2-3倍。这些变化是如此之大，以至于必须重新评估堆芯的热历史和功率需求。新的绝热热通量估计值在CMB处为15-16 TW，高于目前基于地幔对流对CMB热通量的估计值;地核顶部必须是热分层的，上部地核中的任何对流都是由化学对流驱动的，以对抗CMB热流中不利的热浮力或横向变化。地球发电机的能量受到很大的限制，未来的地幔演化模型必须包含高CMB热通量，并解释最近形成的内核。
2012-03-22 physics.geo-ph
Turbulent geodynamo simulations: a leap towards Earth's core
我们提出了一种尝试，以达到现实的湍流制度的直接数值模拟的地球发电机。我们依赖于一个序列的三个对流驱动的模拟在一个快速旋转的球壳。最极端的情况是通过降低粘度（磁普朗特数Pm=0.1），同时保持剧烈的对流（磁雷诺数Rm>500）和快速旋转（埃克曼数E= 1 e-7），达到地球的核心区域，在今天的超级计算机上是可行的。详细而全面的分析突出了与地磁观测或发电机理论预测相匹配的几个关键特征-所有这些都在同一个模拟中出现-但它也揭示了与地球核心动力学相关的有趣见解。在这个强场，偶极主导的发电机模拟中，磁能比动能大一个数量级。磁场强度的空间发布是高度不均匀的，并且切向圆柱体的内部和外部之间存在着鲜明的动力学对比（平行于围绕内核的旋转轴的圆柱体）。在内部，磁场最强，并且与强有力的扭曲极涡相关联，其动力学可能偶尔导致在壳的表面处形成反向极性通量补丁。此外，强磁场还允许轻材料在切向圆柱体内积聚，从而导致那里的稳定分层。在切向圆柱体附近频繁触发扭转Alfv{é}n波并向赤道方向传播，切向圆柱体外磁场抑制纬向风的增长，动能多为非纬向。时空分析表明，低频非纬向气流具有明显的地转性（柱状）和主要是大型：在我们最极端的模拟中，在没有任何异质边界强迫的情况下，m=1的涡流自发地出现。我们的时空分析进一步揭示了（i）低频、大尺度流动由科里奥利力和浮力之间的平衡控制--磁场和流动倾向于对齐，最大限度地减少洛伦兹力;（…
2017-06-15 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Paleomagnetic signatures of core-mantle interactions inferred from top-heavy thermochemical geodynamo simulations
University of Leeds（利兹大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
通过顶部重热化学地磁发电机模拟，研究热和化学驱动力对时间平均地磁场纵向结构的影响，发现非均匀边界热通量能匹配古地磁观测的倾角异常纵向变化，而化学驱动增强会减少但不会消除纵向结构。
2026-06-25 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
