Seismologer bruger massive jordskælv til at låse op for den ydre kernes hemmeligheder

Ved at anvende nye data og Princetons supercomputere på det klassiske spørgsmål om, hvad der ligger under vores fødder, Princeton-seismolog Jessica Irving og et internationalt hold af kolleger har udviklet en ny model for Jordens ydre kerne, et flydende jernområde dybt i jorden.

Den ydre kerne kværner konstant, opretholder planetens magnetfelt og giver varme til kappen. "Forståelse af den ydre kerne er afgørende for at forstå historien om det magnetiske felt, " sagde Irving, en adjunkt i geovidenskab. Hendes teams arbejde vises i dag i journalen Videnskabens fremskridt .

"Den model, vi har produceret, EPOC—Elastic Parameters of the Outer Core—vil være baggrundsmodellen, den ene ting, der ligger til grund for alt andet, " sagde Irving. Forskerne beskriver EPOC som en ydre kerneopdatering af den eksisterende Preliminary Earth Reference Model (PREM), en model for, hvordan jordens fundamentale egenskaber varierer med dybden, som blev udviklet for næsten 40 år siden.

Nøgledataene i forskningen kom fra "normale tilstande, "som er stående bølger, der kan måles efter de allerstørste jordskælv, typisk størrelsesorden 7,5 eller højere. I modsætning til de kropsbølger og overfladebølger, som de fleste seismologer studerer, normale tilstande er "hele Jordens vibration på én gang, hvilket er en fantastisk ting at tænke på, " sagde Irving. "Vi kunne sige, at Jorden ringer som en klokke, ' ved karakteristiske frekvenser."

Den nye model, EPOC, blev først forestillet på en fire-ugers sommer science workshop, hvor Irving blev indkvarteret med andre seismologer Sanne Cottaar, ved University of Cambridge, og Vedran Leki?, ved University of Maryland-College Park.

"PREM er en ærværdig, meget simpelt, velanset model, men det kan ikke repræsentere små strukturer, " sagde Irving. "Vi troede, 'Kan vi lave en simpel model, med endnu færre parametre end PREM, det gør jobbet lige så godt?' Det viste sig, at vi kunne lave en model, der gør arbejdet meget bedre."

For en, EPOC reducerer behovet for et "kompliceret lille lag" ved grænsen mellem kernen og kappen, hun sagde. Forskere i de seneste årtier havde fundet uoverensstemmelser mellem den PREM-forudsagte kropsbølgehastighed og de data, de fandt, især i toppen af ​​kernen, og nogle havde hævdet, at der måtte være et unormalt langsomt lag gemt der. De diskuterede, hvor tyk den skulle være - skøn spænder fra 50 til 300 miles - og præcis, hvad den skal bestå af.

Hendes teams model tilbyder ikke flere detaljer end PREM, Irving sagde, "men vi foreslår, at fordi EPOC passer bedre til dataene, måske har du ikke brug for dette lille lag." Og derudover, den giver information om den ydre kernes materialeegenskaber.

Den ydre kerne er af afgørende betydning for planetens termiske historie og dens magnetfelt, sagde Irving, men "det er ikke håndgribeligt. Vi kan ikke vise dig en sten fra den ydre kerne. Men på samme tid, det er sådan en stor del af vores planet. Kernen har omkring 30 procent af planetens masse i sig. Skorpen er ubetydelig til sammenligning. Der er så meget, vi ikke forstår om den dybe jord – og det er ikke engang de komplicerede egenskaber. Vi leder bare efter de meget langsomt varierende bulkegenskaber."

For at skabe deres model, Irving og andre seismologer samlede deres færdigheder. Cottaar havde erfaring med tilstandsligninger - fysikken, der forklarer sammenhængen mellem temperatur, tryk, volumen og andre grundlæggende egenskaber - og Leki? var flydende i Bayesianske teknikker, en probabilistisk tilgang, der hjalp teamet med at gennemskue utallige mulige modeller og finde de mest sandsynlige. Og på grund af hendes baggrund med normal mode seismologi, Irving vidste, hvordan man arbejdede med det nyligt opdaterede datasæt.

"Så vi var alle tre seismologer med forskellige specialiserede færdigheder, og vi kunne godt lide at drikke kaffe til morgenmad sammen, " sagde Irving. "Det er så sjovt at lave videnskab med venner."

Forskerne fodrede statsligningerne ind i Princetons Tiger-supercomputerklynge for at generere millioner af mulige modeller af den ydre kerne. "Hvert sjette sekund skabte vi en ny model, " sagde Irving. "Nogle afviste vi, fordi de så forkerte ud. Vi har videnskabelige test for 'forkerte, ' for modeller, der siger ting som, 'Jordens masse bør være det dobbelte af, hvad vi tror, ​​den er'."

Holdet tog derefter de bedste af modellerne og brugte dem til at forudsige, hvilke frekvenser hele Jorden ville ryste ved efter et massivt jordskælv. Forskerne sammenlignede de målte frekvenser af normale tilstande med forudsigelserne fra deres modeller, indtil de fandt deres foretrukne model.

Når du lærer om normale tilstande, Irving bruger metaforen om to klokker, en af ​​messing og en af ​​stål, begge malet hvide. "Hvis du slår de klokker, du får forskellige noter ud af dem, og det vil fortælle dig, at du har forskellige materialer derinde, " sagde hun. "De nøjagtige frekvenser - den nøjagtige tonehøjde, som Jorden ryster efter disse meget store jordskælv - afhænger af Jordens materielle egenskaber. Ligesom vi ikke kan se gennem malingen på klokkerne, vi kan ikke se gennem planeten, men vi kan lytte efter banen, frekvenserne af disse heljordsobservationer, og brug dem til at drage slutninger om, hvad der foregår dybt i Jorden."