Jordens kerne

For et århundrede siden vidste videnskab knap, at Jorden endda havde en kerne. I dag er vi forvirrede af kernen og dens forbindelser med resten af ​​planeten. Faktisk er vi i begyndelsen af ​​en gylden tidsalder af kerneundersøgelser.

Vi vidste i 1890'erne, fra den måde Jorden reagerer på solens og månens tyngdekraft, at planeten har en tæt kerne, sandsynligvis jern. I 1906 fandt Richard Dixon Oldham, at jordskælvbølger bevæger sig gennem Jordens centrum meget langsommere end de gør gennem mantlen omkring det - fordi centrum er flydende.

I 1936 rapporterede Inge Lehmann, at noget afspejler seismiske bølger inde fra kernen. Det blev klart, at kernen består af en tyk skal af flydende jern - den ydre kerne - med en mindre, solid indre kerne i midten. Det er solidt, fordi det høje tryk i denne dybde overvinder effekten af ​​høj temperatur.

I 2002 offentliggjorde Miaki Ishii og Adam Dziewonski fra Harvard University bevis for en "inderste indre kerne" omkring 600 kilometer. I 2008 foreslog Xiadong Song og Xinlei Sun en anden indre indre kerne omkring 1200 km på tværs. Der kan ikke laves meget af disse ideer, før andre bekræfter arbejdet.

Uanset hvad vi lærer rejser nye spørgsmål. Det flydende jern skal være kilden til Jordens geomagnetiske felt - geodynamoen - men hvordan fungerer det? Hvorfor vender geodynamoen om og skifter magnetisk nord og syd over geologisk tid? Hvad sker der øverst på kernen, hvor smeltet metal møder den stenede kappe? Svarene begyndte at dukke op i løbet af 1990'erne.

Vores vigtigste værktøj til kerneforskning har været jordskælvbølger, især dem fra store begivenheder som 2004 Sumatra jordskælv. De ringende "normale tilstande", der får planeten til at pulse med den slags bevægelser, du ser i en stor sæbeboble, er nyttige til at undersøge dyb struktur i stor skala.

Men et stort problem er ikke-unikhed—Hvert givet seismisk bevis kan fortolkes på mere end en måde. En bølge, der trænger ind i kernen, krydser også skorpen mindst en gang og mantelen mindst to gange, så et træk i et seismogram kan stamme fra flere mulige steder. Mange forskellige stykker data skal krydskontrolleres.

Ikke-unikke barrieren falmede noget, da vi begyndte at simulere den dybe jord i computere med realistiske tal, og da vi gengiver høje temperaturer og tryk i laboratoriet med diamant-amboltcelle. Disse værktøjer (og langdagsundersøgelser) har ladet os kigge gennem jordlagene, indtil vi omsider kan overveje kernen.

I betragtning af at hele Jorden i gennemsnit består af den samme blanding af ting, som vi ser andre steder i solsystemet, skal kernen være jernmetal sammen med noget nikkel. Men det er mindre tæt end rent jern, så omkring 10 procent af kernen skal være noget lettere.

Ideer om, hvad den lette ingrediens er, har udviklet sig. Svovl og ilt har været kandidater i lang tid, og selv brint er blevet overvejet. Den seneste tid har der været en stigning i interessen for silicium, da eksperimenter og simuleringer med højt tryk antyder, at det kan opløses i smeltet jern bedre, end vi troede. Måske er mere end en af ​​disse dernede. Det kræver en masse genialt resonnement og usikre antagelser for at foreslå en bestemt opskrift - men emnet er ikke uden for enhver formodning.

Seismologer fortsætter med at undersøge den indre kerne. Kernen østlige halvkugle ser ud til at afvige fra den vestlige halvkugle på den måde jernkrystallerne er på linje med. Problemet er svært at angribe, fordi seismiske bølger skal gå stort set lige fra et jordskælv lige gennem Jordens centrum til en seismograf. Begivenheder og maskiner, der tilfældigvis er rettet op lige, er sjældne. Og virkningerne er subtile.

I 1996 bekræftede Xiadong Song og Paul Richards en forudsigelse af, at den indre kerne roterer lidt hurtigere end resten af ​​Jorden. Geodynamos magnetiske kræfter synes at være ansvarlige.

Over geologisk tid, den indre kerne vokser, når hele Jorden køler ned. Øverst på den ydre kerne fryser jernkrystaller ud og regner ned i den indre kerne. I bunden af ​​den ydre kerne fryser jernet under tryk og tager meget af nikkelet med sig. Det resterende flydende jern er lettere og stiger. Disse stigende og faldende bevægelser, der interagerer med geomagnetiske kræfter, omrører hele den ydre kerne med en hastighed på 20 kilometer om året eller deromkring.

Planeten Merkur har også en stor jernkerne og en magnetfeltskønt meget svagere end Jordens. Nylig forskning antyder, at Kvikksølvs kerne er rig på svovl, og at en lignende fryseproces rører den, med "jernsnæ" faldende og svovlberiget væske stiger.

Kerneundersøgelser steg i 1996, da computermodeller af Gary Glatzmaier og Paul Roberts først gengiver geodynamos opførsel, inklusive spontane tilbageførsler. Hollywood gav Glatzmaier et uventet publikum, da det brugte hans animationer i actionfilmen Kernen.

Det nylige laboratoriearbejde med højt tryk fra Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao og andre har givet os antydninger om kernemantelgrænsen, hvor flydende jern interagerer med silikatgrund. Eksperimenterne viser, at kerne- og mantelmaterialer gennemgår stærke kemiske reaktioner. Dette er den region, hvor mange tænker, at mantelplommer stammer fra, stiger til at danne steder som Hawaiian Islands kæde, Yellowstone, Island og andre overfladefunktioner. Jo mere vi lærer om kernen, jo tættere bliver den.

PS: Den lille tætknyttede gruppe af kernespecialister hører alle til SEDI-gruppen (Study of the Earth's Deep Interior) og læser dens Deep Earth Dialog nyhedsbrev. Og de bruger Special Bureau for Core's websted som et centralt arkiv for geofysiske og bibliografiske data.