Over de kern van de aarde

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

De bruto vorm van de kern

We wisten in de jaren 1890, van 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 aardbevingsgolven 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 vanuit de kern reflecteert. Het werd duidelijk dat de kern bestaat uit een dikke schaal van vloeibaar ijzer - de buitenste kern - met een kleinere, solide binnenste kern in het midden. 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 Harvard University het bewijs van een "binnenste kern" met een diameter van ongeveer 600 kilometer. In 2008 stelden Xiadong Song en Xinlei Sun een andere binnenste kern voor met een diameter van ongeveer 1200 km. Van deze ideeën kan niet veel worden gemaakt totdat anderen het werk bevestigen.

Wat we ook leren, roept nieuwe vragen op. Het vloeibare ijzer moet de bron zijn van het geomagnetische veld van de aarde - de geodynamo - maar hoe werkt het? Waarom draait de geodynamo om, schakelt magnetisch noord 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 op.

De kern bestuderen

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

Maar een groot probleem is nonuniqueness-elk gegeven stuk seismisch bewijs kan op meerdere manieren worden geïnterpreteerd. Een golf die de kern doordringt, 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. Veel verschillende gegevens moeten worden gecontroleerd.

De barrière van niet-uniekheid vervaagde enigszins toen we de diepe aarde in computers begonnen te simuleren met realistische getallen, en terwijl we hoge temperaturen en druk in het laboratorium reproduceerden met de diamant-aambeeldcel. Deze hulpmiddelen (en duurstudies) hebben ons door de lagen van de aarde laten kijken tot we eindelijk de kern kunnen overdenken.

Waar de kern van is gemaakt

Gezien het feit dat de hele aarde gemiddeld bestaat uit dezelfde mix van dingen die we elders in het zonnestelsel zien, moet de kern bestaan ​​uit ijzermetaal 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 zijn in ontwikkeling. Zwavel en zuurstof zijn al lang kandidaten en zelfs waterstof is overwogen. De laatste tijd is de belangstelling voor silicium toegenomen, omdat experimenten en simulaties onder hoge druk suggereren dat het beter in gesmolten ijzer kan oplossen dan we dachten. Misschien is er meer dan één daar beneden. Er zijn veel ingenieuze redeneringen en onzekere veronderstellingen nodig om een ​​bepaald recept voor te stellen, maar het onderwerp is niet voorbij alle vermoedens.

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

Core Dynamics

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

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

De planeet Mercurius heeft ook een grote ijzeren kern en een magnetisch veld, hoewel veel zwakker dan de aarde. Recent onderzoek laat zien dat de kern van Mercurius rijk is aan zwavel en dat een soortgelijk vriesproces het roert, met "ijzersneeuw" die valt en met zwavel verrijkte vloeistof stijgt.

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

Recent laboratoriumwerk onder hoge druk van Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao en anderen heeft ons aanwijzingen gegeven over de grens van de kernmantel, waar vloeibaar ijzer een interactie aangaat met silicaatrots. De experimenten tonen aan dat kern- en mantelmaterialen sterke chemische reacties ondergaan. Dit is de regio waar velen denken dat mantelpluimen afkomstig zijn en opstaan ​​tot plaatsen zoals de Hawaiiaanse eilandenketen, Yellowstone, IJsland en andere oppervlaktekenmerken. Hoe meer we over de kern leren, hoe dichterbij deze komt.

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