De kern van de aarde

Een eeuw geleden wist de wetenschap amper dat de aarde zelfs een kern had. Tegenwoordig worden we verleid door de kern en zijn verbindingen met de rest van de planeet. We staan ​​inderdaad aan het begin van een gouden eeuw van kernstudies.

Tegen de jaren 1890 wisten we, uit de manier waarop de aarde reageert op de zwaartekracht van de zon en de maan, dat de planeet een dichte kern heeft, waarschijnlijk ijzer. In 1906 ontdekte Richard Dixon Oldham dat golven van aardbevingen veel langzamer door het centrum van de aarde bewegen dan door de mantel eromheen - omdat het centrum vloeibaar is.

In 1936 meldde Inge Lehmann dat iets seismische golven van binnenuit weerspiegelt. Het werd duidelijk dat de kern bestaat uit een dikke schaal van vloeibaar ijzer - de buitenste kern - met een kleinere, stevige binnenkern als middelpunt. Het is solide omdat op die diepte de hoge druk het effect van hoge temperatuur overwint.

In 2002 publiceerden Miaki Ishii en Adam Dziewonski van de Harvard University het bewijs van een 'binnenste innerlijke kern' van ongeveer 600 kilometer doorsnee. In 2008 stelden Xiadong Song en Xinlei Sun een andere binnenkern voor, ongeveer 1200 km breed. Van deze ideeën kan niet veel worden gemaakt totdat anderen het werk bevestigen.

Wat we leren, roept nieuwe vragen op. Het vloeibare ijzer moet de bron zijn van het aardmagnetische veld van de aarde - de geodynamo - maar hoe werkt het? Waarom draait de geodynamo om, schakelt magnetisch noorden en zuid, over geologische tijd? Wat gebeurt er bovenaan de kern, waar gesmolten metaal de rotsachtige mantel ontmoet? In de jaren negentig kwamen er antwoorden.

Ons belangrijkste instrument voor kernonderzoek zijn aardbevingsgolven, vooral die van grote evenementen zoals de Aardbeving in Sumatra in 2004. De rinkelende 'normale modi', die de planeet laten pulseren met het soort bewegingen dat je in een grote zeepbel ziet, zijn handig voor het onderzoeken van grootschalige diepe structuren.

Maar een groot probleem is uniciteit- elk gegeven seismisch bewijs kan op meerdere manieren worden geïnterpreteerd. Een golf die de kern binnendringt, doorkruist ook de korst minstens één keer en de mantel minstens twee keer, dus een kenmerk in een seismogram kan op verschillende mogelijke plaatsen ontstaan. Er moeten veel verschillende soorten gegevens worden gecontroleerd.

De barrière van non-uniekheid vervaagde enigszins toen we de diepe aarde in computers begonnen te simuleren realistische getallen, en zoals we hoge temperaturen en drukken reproduceerden in het laboratorium met de diamant-aambeeld cel. Deze tools (en de lengte van de dagstudies) hebben ons door de lagen van de aarde laten gluren totdat we eindelijk de kern kunnen beschouwen.

Aangezien de hele aarde gemiddeld uit hetzelfde mengsel bestaat van dingen die we elders in het zonnestelsel zien, moet de kern ijzer zijn, samen met wat nikkel. Maar het is minder dicht dan puur ijzer, dus ongeveer 10 procent van de kern moet iets lichter zijn.

Ideeën over wat dat lichte ingrediënt is, evolueerden. Zwavel en zuurstof zijn lange tijd kandidaten geweest, en zelfs aan waterstof is gedacht. De laatste tijd is er steeds meer belangstelling voor silicium, omdat experimenten en simulaties onder hoge druk suggereren dat het beter in gesmolten ijzer kan oplossen dan we dachten. Misschien zijn er meer dan een van deze daar beneden. Er zijn veel ingenieuze redeneringen en onzekere aannames voor nodig om een ​​bepaald recept voor te stellen - maar het onderwerp gaat niet alle gissingen te boven.

Seismologen blijven de binnenkern onderzoeken. De kern oostelijk halfrond lijkt te verschillen van het westelijk halfrond in de manier waarop de ijzerkristallen zijn uitgelijnd. Het probleem is moeilijk aan te vallen omdat seismische golven vrijwel rechtstreeks van een aardbeving, dwars door het middelpunt van de aarde, naar een seismograaf moeten gaan. Gebeurtenissen en machines die precies goed zijn opgesteld, zijn zeldzaam. En de effecten zijn subtiel.

In 1996 bevestigden Xiadong Song en Paul Richards een voorspelling dat de binnenkern iets sneller roteert dan de rest van de aarde. De magnetische krachten van de geodynamo lijken verantwoordelijk te zijn.

Over geologische tijd, groeit de binnenkern terwijl de hele aarde afkoelt. Aan de bovenkant van de buitenkern bevriezen ijzerkristallen en regenen in de binnenkern. Aan de basis van de buitenkern bevriest het ijzer onder druk en neemt veel nikkel mee. Het resterende vloeibare ijzer is lichter en stijgt. Deze stijgende en dalende bewegingen, in wisselwerking met geomagnetische krachten, roeren de hele buitenkern met een snelheid van ongeveer 20 kilometer per jaar.

De planeet Mercurius heeft ook een grote ijzeren kern en een magnetisch veld, hoewel veel zwakker dan die van de aarde. Recent onderzoek wijst erop dat de kern van Mercurius rijk is aan zwavel en dat een vergelijkbaar bevriezingsproces het roert, met "ijzersneeuw" die valt en zwavelrijke vloeistof stijgt.

Kernstudies groeiden in 1996 toen computermodellen van Gary Glatzmaier en Paul Roberts voor het eerst het gedrag van de geodynamo reproduceerden, inclusief spontane omkeringen. Hollywood bezorgde Glatzmaier een onverwacht publiek toen het zijn animaties gebruikte in de actiefilm De kern.

Recent hogedruklaboratoriumwerk door Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao en anderen heeft ons hints gegeven over de grens van de kernmantel, waar vloeibaar ijzer in wisselwerking staat met silicaatgesteente. Uit de experimenten blijkt dat kern- en mantelmaterialen sterke chemische reacties ondergaan. Dit is de regio waar velen denken dat mantelpluimen ontstaan, die oprijzen om plaatsen te vormen zoals de Hawaiiaanse eilandenketen, Yellowstone, IJsland en andere oppervlaktekenmerken. Hoe meer we over de kern leren, hoe dichter deze komt.

PS: De kleine, hechte groep kernspecialisten behoort allemaal tot de SEDI-groep (Study of the Earth's Deep Interior) en las de Deep Earth Dialog nieuwsbrief. En ze gebruiken het Special Bureau for the Core's website als een centrale opslagplaats voor geofysische en bibliografische gegevens.