No "Zinātnes vēstneša"

Viena no vissenāk novērotajām fizikas parādībām ir Zemes magnētiskais lauks. Lauks ir arī vairumam planētu, Saulei, zvaigznēm, galaktikām un citiem debess ķermeņiem. Pēc pašreizējiem priekšstatiem, kosmiskie magnētiskie lauki veidojas minēto ķermeņu iekšpusē, kur šķidrs (vai gāzveida) elektrovadītājs atrodas cikloniska tipa kustībā. Zemes gadījumā parādība notiek izkusušā Zemes kodolā, kas sastāv no dzelzs, niķeļa un silīcija sakausējuma. Radioaktīvā silšana rada konvekciju, kuru Zemes rotācija sagriež struktūrās, daudzmaz līdzīgās atmosfēras cikloniem - anticikloniem. Ja reizinājums elektrovadāmība x izmērs x ātrums ir pietiekoši liels, tad stāvoklis bez magnētiskā lauka ir nestabils un gadījuma lauki, paši sevi pastiprinot, aug, līdz sasniedz ievērojamas vērtības. Līdzīgi pašierosinās tehniskās dinamomašīnas. Atšķirība ir tā, ka debess ķermeņos elektrovadāmība ir vairāk vai mazāk homogēna, te nav ne pārdomāti izvietotas izolācijas, ne ferromagnētisku magnētvadu, bet strāvas un lauka līniju virzienu nosaka tikai ātrumu sadalījums kustīgā elektrovadītājā. Tomēr magnētiskais lauks veidojas gandrīz no nekā.

Kaut pašierosināšanās teorija šaubas nerada un skaitliskā modelēšana to apstiprina, vairākas laboratorijas ir mēģinājušas parādību atveidot eksperimentāli, par kustīgo elektrovadītāju izmantojot izkausētu nātriju - labāko no visiem šķidriem elektrovadītājiem. Runa nav par konkrēta debess ķermeņa reproducēšanu, bet gan par principa demonstrēšanu - atrast, kā maisīt nātriju, lai tas pats no sevis magnetizētos. To izdarīt nav viegli, jo ierīcei jābūt lielai un kustībai ātrai.

Veiksmīgais eksperiments.

1999. gada 11. novembrī Salaspilī, Latvijas Universitātes Fizikas institūtā pirmo reizi pasaulē tika demonstrēts magnētiskā lauka pašieroses mehānisms, kas ieguva nosaukumu Rīgas dinamo eksperiments. Eksperimenta galvenie autori bija Agris Gailītis, Oļģerts Lielausis un Ēriks Platacis. Pēc diviem mēnešiem līdzīgs eksperiments deva pozitīvus rezultātus Karlsrūē, Vācijā. Stāsta Oļģerts Lielausis: "Galvenais teorētiķis un idejiskais vadītājs bija fizikas doktors Agris Gailītis, tas ir viņa 30 gadu darbs. Man piekrita eksperimenta organizatoriskā puse, bet tā tehniskais vadītājs bija Ēriks Platacis. Iekārta līdz pēdējai kniedei tapa pie mums Salaspils darbnīcā. Tiesa, atsevišķus mezglus pēc mūsu pasūtījuma palīdzēja izrēķināt ārzemēs, piemēram, propelleru, kas nosaka šķidrā metāla spirālveida kustību, izrēķināja Drēzdenes Tehniskajā universitātē, bet uztaisīja mūsu meistari, un vācieši pēc tam bija pārsteigti par tā precizitāti. Iekārtas cilindriskais korpuss taisīts no nerūsējoša tērauda, pats eksperiments notika vakuumā, jo šķidrais nātrijs saskaroties ar gaisu rada pamatīgu blīkšķi. Lai tas nenotiktu, bija jāizgatavo sarežģīts blīvslēgs, kur mums arī palīdzēja Vācija. Viss bija stipri sarežģīti, jo citādi tādu eksperimentu kāds cits jau sen būtu izdarījis."

Stāsta Agris Gailītis

Eksperimentālā ierīce ir šāda. Cilindriska tvertne ir piepildīta ar 2 kubikmetriem šķidra nātrija. Divi motori, kuru kopējā jauda ir 150 kW, griež tvertnes augšgalā ievietoto propelleru. Propellers dzen nātriju uz leju un to iegriež. Veidojas spirāliska plūsma. Tvertne sastāv nevis no viena, bet gan no trim cilindriem, kas ievietoti viens otrā un izgatavoti no nerūsējoša tērauda. Nātrijs pārvietojas lejup pa iekšējo korpusu. Cilindra lejasgalā nātrija plūsma sadalās un pa vidējo korpusu iet atpakaļ uz augšu. Vidējā korpusa apakšdaļā ir "spārni", kas aptur rotācijas kustību, tāpēc augšup ejošā plūsma vairs negriežas. Augšdaļā nātrijs atkal nonāk pie propellera un process atkārtojas.

Atsevišķos tērauda korpusus satur kopā 8 dobas caurulītes. No ārpuses šajās caurulēs iespējams ielikt dažādas jutības magnētiskā lauka mērītājus, temperatūras, spiediena un plūsmas ātruma mērītājus. Trešais, ārējais korpuss ir domāts siltumizolācijas nodrošināšanai. Ja nātriju sasilda līdz 130 - 140 grādiem un propellera ātrums sasniedz 1800 apgriezienu minūtē, sāk veidoties magnētiskais lauks, kas pie 2500 apgriezieniem minūtē sasniedz ievērojamu vērtību. Nātrijs plūst ļoti strauji, tā plūsma ir 0,6 - 0,85 kubikmetri sekundē. Hidrodinamikas eksperimentos reti kad tiek lietotas tik lielas plūsmas, taču ar mazāku plūsmu šādu izmēru ierīcē magnētisko lauku radīt nevar. Taču tas vēl nav viss. Lai efekts parādītos, iekšējā kanālā jābūt pareizam ātrumu sadalījumam. To panāk pirms un pēc propellera novietojot īpaši saliektus, nekustīgus spārniņus. Tie veido nātrija plūsmu tā, lai vertikālais ātrums maksimāls būtu centrā, bet visātrākā griešanās notiktu pie sienām. Ja šos nosacījumus neievēro, tad magnētisko lauku var iegūt tikai pie daudz lielākiem apgriezieniem.

Mūsu eksperimentos iegūtais magnētiskais lauks bija mainīgs. Tas pieder pie lietas. Līdzīgi arī Zemes magnētiskajam laukam ir anomālijas, vienā vietā magnētiskais lauks ir lielāks, citā - mazāks. Ja apgriezienu skaitu samazina, tad lauks pakāpeniski izzūd. Kops 1999. gada pirmajiem veiksmīgajiem eksperimentiem tie regulāri tika turpināti, ar nolūku noskaidrot dažādas magnētiskā lauka ģenerācijas īpatnības un detaļas. 2004. gada vasarā tika veikti 6 šādi eksperimenti, bet 2005. gada sākumā vēl 6. Maksimālais magnētiskais lauks, kas iegūts eksperimentos, ir 0,1 - 0,12 teslas (T). Tā vērtība nedaudz mainās, atkarībā no tā, kurā tvertnes vietā to mēra. Tika veikti arī magnētiskā lauka struktūras aprēķini mūsu cilindra gadījumam un izrādījās, ka izmērītā un aprēķinātā aina ir samērā līdzīgas.

Īsa uzziņa par Zemes magnētisko lauku.

Zemei ir divi magnētiskie poli - ziemeļpols un dienvidpols. Interesanti, ka tie ir novietoti pretēji Zemes ģeogrāfiskajiem poliem un pēc novietojuma nesakrīt ar tiem.. Magnētiskais dienvidpols atrodas Kanādas arktisko salu arhipelāgā, aptuveni 1000 km attālumā no Ziemeļpola, bet magnētiskais ziemeļpols atrodas Antarktīdas piekrastē. Zemes magnētisko lauku var raksturot dažādi, mēs izmantosim magnētiskā lauka stiprumu, kuru mēra teslās. Tesla ir visai liela vienība. Zemes magnētiskā lauka stiprums ekvatora rajonā ir tikai 33 mikroteslas, bet magnētiskajos polos - ap 60 mikroteslām. Nu ir iespējams salīdzināt, ka Rīgas dinamo eksperimentā iegūtais magnētiskais lauks ir 2000 reižu stiprāks.

Nākotnes plāni

Salaspils pētnieki gribētu apmēram tādu pašu daudzumu nātrija (2 kubimetrus) iepildīt rotējošā torā. Torā būtu spārniņi, kas liktu nātrijam cirkulēt meridionālā virzienā - pa perifēriju uz augšu un pa centru atkal uz leju. Sākumā tors būtu jāizmēģina, piepildot to ar ūdeni un griežot ar dažādu ātrumu. Pēc tam ar datoru varēs modelēt, vai pie šādas plūsmas, motora jaudas un nātrija daudzuma iespējams iegūt magnētisko lauku.

Rīgas dinamo eksperimenta autori nav vienīgie, kas domā par nākotni. Merilendas universitātē Koledžparkā, ASV ir izgatavota sfēra 3 metru diametrā, kuru paredzēts piepildīt ar 15 tonnām nātrija. Šī sfēra griezīsies attiecībā pret tajā esošo šķidro metālu. Iekšpusē atradīsies otra lode, kuru arī griezīs motors. Kāpēc eksperimentālo ierīci nepieciešams griezt? Tāpēc, ka arī Zeme griežas un viela Zemes izkusušajā kodolā pārvietojas. Tur veidojas kaut kas līdzīgs cikloniem un anticikloniem. Domājams, ka arī šajā lodē plūstošais metāls radīs līdzīgus virpuļus. Ja šādos apstākļos izdotos ģenerēt magnētisko lauku, tad būtu izveidots modelis, kas ir līdzīgs reālajai Zemei.

Līdzīgi eksperimenti, tikai ar nerotējošu un mazāku lodi (1 metra diametrā) tiek veikti Viskonsinas universitātē Medisonā, ASV. Nātriju lodes iekšienē maisa divi propelleri, kurus darbina elektromotori ar 200 zirgspēku jaudu. Eksperimenta autori cer uz rezultātiem jau šogad.

Permā, Krievijā jau ilgus gadus zinātnieku grupa grib realizēt no Salaspils eksperimenta atšķirīgu ideju. Iespējams izveidot pēc izmēriem daudz mazāku sistēmu, bet plūsmas ātrumu padarīt ievērojami lielāku. Viņi grib izveidot kaut ko līdzīgu automašīnas riepai, ko piepilda ar šķidru nātriju. Tad šo riteni pakāpeniski iegriež. Priekš tam liela motora jauda nav vajadzīga. Kad sasniegts krietns ātrums, riteni strauji (0,1 - 0,2 sekundēs) nobremzē. Nātrijs sāk kustēties attiecībā pret riepas materiālu. Ja riepā būs spārniņi, tad nātrija pūsma spirāliski iegriezīsies un vajadzētu rasties magnētiskajam laukam. Diemžēl pagājuši 35 gadi un pagaidām Permas zinātniekiem ir tikai organiskā stikla modelis, kurā var iepildīt ūdeni. Var redzēt, ka modeļa iekšpusē plūsma patiešām iegriežas un kādu sekundi turpina griezties.

Nelaime tā, ka "riepas" apvalkam vajadzīgs elektrovadošs, bet ļoti izturīgs materiāls. Ir izvēlēts vara un kobalta sakausējums, kas vada elektrisko strāvu gandrīz tikpat labi kā varš, bet mehāniskā izturība šim materiālam ir tāda kā tēraudam. Paliek jautājums, kur tādu dabūt? Mazus daudzumus ražo turpat Urālos, bet, vai liela izmēra detaļu būs iespējams izgatavot, to šobrīd pēta rūpnīca "Krasnij Viboržec". Šis projekts ir apaudzis ar tik daudzām blakus problēmām, ka rezultātu grūti prognozēt.

Vēl nelielas konstrukcijas ir uzbūvētas Grenoblē un Kaderašā (abas - Francijā). Ar tām var tikai pētīt šķidrā metāla plūsmas īpašības un no ārpuses pieliktā magnētiskā lauka iedarbību, bet par magnētiskā lauka pašģenerāciju nevar būt ne runas. Tiesa, Grenobles zinātnieki plāno uzbūvēt ievērojami lielāku sfēru.

Ar vārdu sakot, ir ieguldīts liels darbs, bet magnētiskā lauka pagaidām nav. Neskaitot Salaspils eksperimentu, vienīgais sekmīgais eksperiments ir veikts Karlsrūē, Vācijā. Šajā gadījumā šķidrais nātrijs neveidoja vis vienu, bet gan 52 virpuļus, kas plūda pa paralēli novietotām, spirāliskām caurulītēm. 2000. gadā un vēlāk notika vairākas eksperimentu sērijas, taču šobrīd projekta finansējums ir izbeidzies un iekārta jau ir izjaukta.

Kā rodas Zemes magnētiskais lauks?

Zemes magnētiskais lauks rodas Zemes kodola šķidrajā daļā. Tā sastāv no elektrovadošiem materiāliem, domājams, no izkausētas dzelzs un niķeļa. Kodolā pastāv konvektīvas plūsmas, kas izlīdzina temperatūru dažādās kodola vietās. Kodolā valdošo apstākļu modelēšana rāda, ka konvektīvās plūsmas savērpjas virpuļos. Izkausētajam metālam virzoties cauri pastāvošajam magnētiskajam laukam, rodas elektriskā strāva. Savukārt ap vadītājiem, kuros plūst elektriskā strāva, rodas magnētiskais lauks. Rodas tāds kā "apburtais loks" - magnētiskais lauks rada strāvu, tā savukārt - magnētisko lauku.. Šāds pašuzturošs dinamo mehānisms acīmredzot arī rada magnētisko lauku Zemes iekšienē. Zemes magnētiskā lauka dinamo teorija ir diezgan detalizēti izstrādāta, taču līdz šim neizdevās eksperimentāli pierādīt, ka magnētiskais lauks šķidrā, rotējošā un elektrību vadošā materiālā šādi tiešām var rasties. Līdz Rīgas dinamo eksperimentam.

Kas notiek Zemes iekšienē?

Vai tāpat magnētiskais lauks rodas arī Zemes iekšienē? Zemes iekšienē rotējošie elementi nekādi nav nostiprināti. Vai eksperimentā modelētie griešanās apstākļi ir līdzīgi reāli sagaidāmajiem, to grūti pateikt. Salaspils eksperiments nebija paredzēts burtiskai Zemes vai kāda cita reāla magnētiskā lauka imitēšanai, galvenais bija nodemonstrēt pašu principu, proti, vai pārdomātā konstrukcijā ir iespējams laboratorijā iegūt dinamo efekta radītu magnētisko lauku? Burtiski ekstrapolēt eksperimenta rezultātus uz apstākļiem, kas valda Zemes iekšienē, nevar, jo izmantotā ierīce bija garena, bet Zeme - apaļa.

Kā notiek kustība Zemes kodola iekšienē, protams, detaļās zināms nav. Bet ir zināms, ka liela daļa magnētisko anomāliju "brauc" pa Zemes virsmu ar ātrumu 0,7 mm/s. Tādā veidā anomālijas aptuveni 1800 gados vienreiz apiet apkārt zemeslodei. Apmēram ar šādu ātrumu Zemes kodols rotē attiecībā pret Zemes virsmu.

Arī pats Zemes magnētiskais lauks mainās. Ja saglabātos tā patreizējā samazināšanās tendence, tad aptuveni pēc 1500 gadiem tas gandrīz vai izzustu. Šis periods ir tuvs iepriekšminētajam perturbāciju periodam. Tā ir laika skala, kurā Zemes iekšienē notiek magnētiskie procesi.

Zinot, kādas ir magnētiskā lauka anomālijas (perturbācijas) uz Zemes virsmas, ir iespējams izrēķināt, kādas tās ir uz šķidrā kodola virsmas. Iznāk, ka tur perturbāciju stiprums ir aptuveni vienāds ar vispārējā magnētiskā lauka stiprumu. Datorsimulācijās redzams, ka Zemes iekšienē veidojas Zemes asij paralēli virpuļi - kolonnas. To skaits nav pārmērīgi liels, to ir kādi 8 - 10.

Vēl viena problēma ir tā, ka Zemes iekšienē ir ārkārtīgi liels spiediens un augsta temperatūra. Nav skaidru ziņu par to, kā uzvedas viela zem ļoti liela spiediena un augstas temperatūras.

Zemes dipola lauks vājinās.

Droši vien katrs ir redzējis mācību grāmatās vai pats veicis eksperimentu ar magnētu, kam uzklāj papīra lapu un uzber dzelzs skaidiņas. Skaidiņas izkārtojas skaistos lokos, kas sākas vienā magnēta polā un noslēdzas otrā. Tās parāda magnēta dipola jeb "divu galu" lauku. Zemes magnētiskā lauka struktūra ir sarežģītāka, dipola laukam klājas virsū papildu komponenti. Pēdējo 150 gadu laikā, kopš notiek regulāri magnētiskā lauka mērījumi, ir konstatēts, ka dipola lauks ir pavājinājies par 10%. Tas gan nenozīmē, ka Zemes magnētiskais lauks kopumā ir kļuvis vājāks - daļa enerģijas ir pārgājusi lauka komplicētajā struktūrā. Tomēr, ja šī tendence turpināsies, tas var novest pie dipolu lauka (magnētisko polu) izzušanas pēc aptuveni 1300 - 1500 gadiem. Pēc kāda laika dipolu lauks atkal parādīsies, tikai ar pretēju polaritāti - magnētiskie poli būs apmainījušies vietām. Tā pagātnē ir bijis, magnētiskais lauks ir mainījis polaritāti aptuveni reizi 500 tūkstošos gadu. Taču patreizējā prognoze var izrādīties neprecīza un dipolu lauka pavājināšanās periodam atkal var sekot lauka pastiprināšanās.

Pats stiprākais magnēts.

Kamēr Latvijas zinātnieki eksperimentāli pierādīja magnētiskā lauka dinamo teoriju, zinātnieku grupa Bērklija laboratorijās 2001. gadā izgatavoja pašu stiprāko magnētu ar nosaukumu RD-3. Tā radītā magnētiskā lauka stiprums ir 14,7 teslas. Tas ir 250 000 reižu stiprāks par Zemes magnētisko lauku un spēj no vairāku metru attāluma izraut no rokām dzelzs pildspalvu un citus dzelzs priekšmetus, ja kāds zinātnieks izklaidības pēc tādus ienestu laboratorijā. Šādu magnētisko lauku nevar iegūt ar parastu magnētu, tā vietā tiek izmantots supravadošs elektromagnēts, kura tinumus izgatavo no alvas un niobija sakausējuma un atdzesē līdz šķidrā hēlija temperatūrai (4 K). Tik jaudīgi magnēti ir vajadzīgi elementārdaļiņu paātrinātājos. Jo spēcīgāks magnētiskais lauks, jo stiprāk tas novirza lādētās daļiņas, liekot tām kustēties pa apli. Daļiņas ar noteiktu enerģiju ir iespējams "ieslodzīt" mazāku izmēru aplī, kuru ir vieglāk izgatavot.