Kvartskrystaller ved Jordens kerne driver dets magnetfelt

Jordens kerne består for det meste af en enorm kugle af flydende metal, der ligger 3000 km under overfladen, omgivet af en kappe af varm sten. Især på så store dybder, både kerne og kappe udsættes for ekstremt høje tryk og temperaturer. Desuden, forskning tyder på, at den langsomme krybende strøm af varme flydende sten - der bevæger sig flere centimeter om året - fører varme væk fra kernen til overfladen, hvilket resulterer i en meget gradvis afkøling af kernen over geologisk tid. Imidlertid, i hvilken grad jordens kerne er afkølet siden dens dannelse er et område med intens debat blandt jordforskere.

I 2013 Kei Hirose, nu direktør for Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), rapporterede, at Jordens kerne kan have afkølet med så meget som 1000? C siden dens dannelse for 4,5 milliarder år siden. Denne store mængde afkøling ville være nødvendig for at opretholde det geomagnetiske felt, medmindre der var en anden endnu uopdaget energikilde. Disse resultater var en stor overraskelse for det dybe jordsamfund, og skabte det, Peter Olson fra Johns Hopkins University omtalte som, "det nye kernevarmeparadoks", i en artikel offentliggjort i Science.

Kernekøling og energikilder til det geomagnetiske felt var ikke de eneste vanskelige problemer, teamet stod over for. En anden uløst sag var usikkerhed om kernens kemiske sammensætning. "Kernen er for det meste jern og noget nikkel, men indeholder også omkring 10% af lette legeringer såsom silicium, ilt, svovl, kulstof, brint, og andre forbindelser, "Hirose, hovedforfatter til den nye undersøgelse, der skal offentliggøres i tidsskriftet Natur . "Vi tror, ​​at der er mange legeringer på samme tid, men vi kender ikke andelen af ​​hvert kandidatelement. "

Nu, i denne seneste forskning udført i Hiroses laboratorium ved ELSI, forskerne brugte præcisionsslibte diamanter til at presse små prøver i støvstørrelse til det samme tryk, der findes i Jordens kerne (fig. 1). De høje temperaturer i Jordens indre blev skabt ved at opvarme prøver med en laserstråle. Ved at udføre eksperimenter med en række sandsynlige legeringssammensætninger under en række betingelser, Hiroses og kolleger forsøger at identificere den unikke adfærd for forskellige legeringskombinationer, der matcher det særskilte miljø, der findes i Jordens kerne.

Søgningen efter legeringer begyndte at give nyttige resultater, da Hirose og hans samarbejdspartnere begyndte at blande mere end en legering. "I fortiden, mest forskning på jernlegeringer i kernen har kun fokuseret på jernet og en enkelt legering, "siger Hirose." Men i disse forsøg besluttede vi at kombinere to forskellige legeringer indeholdende silicium og ilt, som vi stærkt tror findes i kernen. "

Forskerne blev overraskede over at opdage, at da de undersøgte prøverne i et elektronmikroskop, de små mængder silicium og ilt i udgangsprøven havde kombineret sig til dannelse af siliciumdioxidkrystaller (fig. 2) - den samme sammensætning som mineralet kvarts, der findes på jordens overflade.

"Dette resultat viste sig vigtigt for at forstå kernens energik og udvikling, "siger John Hernlund fra ELSI, medforfatter af undersøgelsen. "Vi var begejstrede, fordi vores beregninger viste, at krystallisering af siliciumdioxidkrystaller fra kernen kunne give en enorm ny energikilde til at drive Jordens magnetfelt." Det ekstra boost, det giver, er rigeligt nok til at løse Olsons paradoks.

Teamet har også undersøgt konsekvenserne af disse resultater for dannelsen af ​​jorden og forholdene i det tidlige solsystem. Krystallisering ændrer kernens sammensætning ved gradvist at fjerne opløst silicium og ilt over tid. Til sidst stopper krystalliseringsprocessen, når kernen løber tør for sin gamle beholdning af enten silicium eller ilt.

"Selvom du har silicium til stede, du kan ikke lave siliciumdioxidkrystaller uden også at have noget ilt til rådighed, siger ELSI -videnskabsmand George Helffrich, der modellerede krystalliseringsprocessen for denne undersøgelse. "Men dette giver os spor om den oprindelige koncentration af ilt og silicium i kernen, fordi kun nogle silicium:ilt -forhold er kompatible med denne model. "