Железный снег может образовываться, когда охлаждение вблизи границы ядро-мантия приводит к образованию кристаллов железа. Эти кристаллы растут, затем погружаются в горячее ядро и плавятся. Авторы и права: изображение Людовика Юге и текстура карты НАСА/Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса/Института Карнеги в Вашингтоне.
Точно так же, как кристаллы снега образуются в верхних слоях атмосферы, затем падают на более низкие, более теплые высоты и тают, ученые полагают, что в расплавленных железных ядрах некоторых планетарных тел происходит явление, называемое железным снегом. Охлаждение вблизи границы ядро-мантия приводит к образованию кристаллов железа, которые плавятся по мере падения глубже в горячее ядро. Это движение может создавать магнитные поля в некоторых более мелких телах, таких как Меркурий и спутник Юпитера Ганимед, но его динамика малоизвестна.
В первом в своем роде эксперименте Людовик Юге и его исследовательская группа смоделировали железный снег в лаборатории с использованием водяного льда и обнаружили отчетливые циклы образования и бездействия кристаллов. Экстраполируя на планетарные тела, полученные результаты могут означать, что планетарные магнитные поля периодически появляются и исчезают, когда их динамо-машины включаются и выключаются.
Статья опубликована в журнале Geophysical Research Letters.
Простая экспериментальная установка исследователей включала резервуар с водой, охлаждаемый снизу, со слоем соленой воды на дне, чтобы предотвратить прилипание кристаллов льда. По мере того как нижние слои пресной воды охлаждались, они образовывали кристаллы льда, которые всплывали вверх и таяли, достигая более теплой воды. Это создало опрокидывающий поток, который, наряду со скрытым теплом, создаваемым образованием кристаллов, в конечном итоге нагрел нижние слои воды и остановил образование кристаллов льда. Когда вода снова достаточно остыла, процесс начался заново.
Исследователи обнаружили, что в их экспериментах эти «всплески» образования кристаллов повторялись примерно каждые 1400 секунд. Эта скорость контролировалась диффузией тепла в охлаждающем слое с некоторой изменчивостью, вероятно, из-за неоднородности зародышеобразования кристаллов.
Их модель показала, что планетарные тела с расплавленными железными ядрами могут проходить через подобные всплески образования железного снега, которые создают внутренние потоки жидкости в расплавленном железе, приводя в движение периодическое динамо, генерирующее планетарное магнитное поле. Таким образом, в этих телах магнитные поля могут возникать и исчезать через полурегулярные промежутки времени.
Авторы отмечают, что остается несколько вопросов об этом процессе, в том числе какая степень переохлаждения необходима для образования кристаллов, как частицы железного снега движутся коллективно и как эти движения влияют на крупномасштабные потоки внутри ядра.
