Jordens kjerne

For et århundre siden visste vitenskapen knapt at Jorden til og med hadde en kjerne. I dag er vi fristet av kjernen og dens forbindelser med resten av planeten. Vi er faktisk i starten av en gullalder med kjernestudier.

Vi visste på 1890-tallet, fra måten Jorden reagerer på tyngden til Solen og Månen, at planeten har en tett kjerne, sannsynligvis jern. I 1906 fant Richard Dixon Oldham at jordskjelvbølger beveger seg gjennom jordas sentrum mye saktere enn de gjør gjennom mantelen rundt det - fordi sentrum er flytende.

I 1936 rapporterte Inge Lehmann at noe gjenspeiler seismiske bølger fra kjernen. Det ble tydelig at kjernen består av et tykt skall med flytende jern - den ytre kjernen - med en mindre, solid indre kjerne i sentrum. Det er solid fordi på det dybden overvinner høyt trykk effekten av høy temperatur.

I 2002 publiserte Miaki Ishii og Adam Dziewonski fra Harvard University bevis på en "innerste indre kjerne" rundt 600 kilometer. I 2008 foreslo Xiadong Song og Xinlei Sun en annen indre indre kjerne rundt 1200 km. Disse ideene kan ikke mye til før andre bekrefter arbeidet.

Uansett hva vi lærer reiser nye spørsmål. Det flytende jernet må være kilden til jordas geomagnetiske felt - geodynamoen - men hvordan fungerer det? Hvorfor vender geodynamoen magnetisk nord og sørover, over geologisk tid? Hva skjer på toppen av kjernen, der smeltet metall møter den steinete mantelen? Svar begynte å dukke opp i løpet av 1990-tallet.

Vårt viktigste verktøy for kjerneforskning har vært jordskjelvbølger, spesielt de fra store hendelser som 2004 Sumatra skjelv. De ringende "normale modusene", som får planeten til å pulse med den slags bevegelser du ser i en stor såpeboble, er nyttige for å undersøke dypt struktur i stor skala.

Men et stort problem er det nonuniqueness—Hvert gitt seismisk bevis kan tolkes på mer enn én måte. En bølge som trenger inn i kjernen krysser også jordskorpen minst en gang og mantelen minst to ganger, slik at et trekk i et seismogram kan ha sin opprinnelse flere steder. Mange forskjellige opplysninger må kryssjekkes.

Barrierer for ikke-unikhet bleknet noe da vi begynte å simulere den dype jorden i datamaskiner med realistiske tall, og da vi reproduserte høye temperaturer og trykk i laboratoriet med diamant-amboltcelle. Disse verktøyene (og langvarige studier) har latt oss kikke gjennom jordlagene til vi endelig kan tenke over kjernen.

Tatt i betraktning at hele jorden i gjennomsnitt består av den samme blandingen av ting vi ser andre steder i solsystemet, må kjernen være jernmetall sammen med noe nikkel. Men det er mindre tett enn rent jern, så rundt 10 prosent av kjernen må være noe lettere.

Ideene om hva den lette ingrediensen er har utviklet seg. Svovel og oksygen har vært kandidater i lang tid, og til og med hydrogen har blitt vurdert. I det siste har det vært en økning i interessen for silisium, da eksperimenter og simuleringer med høyt trykk antyder at det kan oppløses i smeltet jern bedre enn vi trodde. Kanskje mer enn en av disse er der nede. Det krever mye genialt resonnement og usikre forutsetninger for å foreslå noen spesiell oppskrift - men emnet er ikke utenfor all formodning.

Seismologer fortsetter å undersøke den indre kjernen. Kjernen østlige halvkule ser ut til å avvike fra den vestlige halvkule på måten jernkrystallene er på linje med. Problemet er vanskelig å angripe fordi seismiske bølger må gå ganske mye rett fra et jordskjelv, rett gjennom jordas sentrum, til en seismograf. Hendelser og maskiner som tilfeldigvis er stilt opp rett, er sjeldne. Og effektene er subtile.

I 1996 bekreftet Xiadong Song og Paul Richards en spådom om at den indre kjernen roterer litt raskere enn resten av jorden. De magnetiske kreftene til geodynamoen ser ut til å være ansvarlige.

Over geologisk tid, den indre kjernen vokser når hele jorden avkjøles. På toppen av den ytre kjernen fryser jernkrystaller ut og regner ned i den indre kjernen. Ved bunnen av den ytre kjernen fryser jernet under trykk og tar mye av nikkelen med seg. Det resterende flytende jernet er lettere og stiger. Disse stigende og fallende bevegelsene og samhandler med geomagnetiske krefter, rører hele den ytre kjernen med en hastighet på 20 kilometer i året eller så.

Planeten Merkur har også en stor jernkjerne og en magnetfelt, selv om det er mye svakere enn Jordens. Nyere studier antyder at Merkuris kjerne er rik på svovel og at en lignende fryseprosess rører den, med at "jernsnø" faller og svovelanriket væske stiger.

Kjerneundersøkelser steg i 1996 da datamodeller av Gary Glatzmaier og Paul Roberts for første gang reproduserte oppførselen til geodynamoen, inkludert spontane reverseringer. Hollywood ga Glatzmaier et uventet publikum da det brukte animasjonene hans i actionfilmen Kjernen.

Nylig laboratoriearbeid med høyt trykk av Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao og andre har gitt oss hint om kjernemantellgrensen, der flytende jern interagerer med silikatberg. Eksperimentene viser at kjerne- og mantelmaterialer gjennomgår sterke kjemiske reaksjoner. Dette er regionen der mange tenker at mantelplommer har sin opprinnelse, og øker for å danne steder som Hawaiian Islands-kjeden, Yellowstone, Island og andre overflatefunksjoner. Jo mer vi lærer om kjernen, jo nærmere blir den.

PS: Den lille, tett sammensveisede gruppen av kjernespesialister tilhører alle SEDI (Study of the Earth's Deep Interior) -gruppe og leser dens Deep Earth Dialog nyhetsbrev. Og de bruker Special Bureau for Core's nettsted som et sentralt depot for geofysiske og bibliografiske data.