Jordens kerne har lækket i milliarder af år

Jordens magnetfelt beskytter og gør vores planet beboelig ved at stoppe skadelige højenergipartikler fra rummet, herunder fra solen. Kilden til dette magnetfelt er kernen i midten af ​​vores planet.

Men kernen er meget vanskelig at studere, dels fordi det starter i en dybde på cirka 2, 900 kilometer, gør det for dybt at prøve og undersøge direkte.

Alligevel er vi en del af et forskerhold, der fandt en måde at få information om Jordens kerne, med detaljer offentliggjort for nylig i Geochemical Perspective Letters.

Det er varmt dernede

Kernen er den hotteste del af vores planet med den ydre kerne, der når temperaturer på mere end 5, 000 ℃. Dette skal påvirke den overliggende kappe, og det anslås, at 50% af vulkansk varme kommer fra kernen.

Vulkanaktivitet er planetens vigtigste afkølingsmekanisme. En vis vulkanisme, såsom den, der stadig danner vulkanske øer Hawaii og Island, kan være forbundet med kernen ved kappe -fjer, der overfører varme fra kernen til jordens overflade.

Men om der er nogen udveksling af fysisk materiale mellem kernen og kappen har været genstand for debat i årtier.

Vores resultater tyder på, at noget kernemateriale overføres til bunden af ​​disse kappe -fjer, og kernen har lækket dette materiale i de sidste 2,5 milliarder år.

Vi opdagede dette ved at se på meget små variationer i forholdet mellem isotoper af elementet wolfram (isotoper er dybest set versioner af det samme element, der bare indeholder forskellige antal neutroner).

For at studere Jordens kerne, vi skal søge efter kemiske sporstoffer af kernemateriale i vulkanske klipper, der stammer fra den dybe kappe.

Vi ved, at kernen har en meget tydelig kemi, domineret af jern og nikkel sammen med elementer som wolfram, platin og guld, der opløses i jern-nikkel legering. Derfor, metallegeringselskende elementer er et godt valg at undersøge for spor af kernen.

Søgningen efter wolfram -isotoper

Wolfram (kemisk symbol W) som basiselement har 74 protoner. Wolfram har flere isotoper, inklusive ¹⁸² W (med 108 neutroner) og ¹⁸⁴ W (med 110 neutroner).

Disse isotoper af wolfram har potentiale til at være de mest afgørende sporstoffer af kernemateriale, fordi kappen forventes at have meget højere ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -forhold end kernen.

Dette er på grund af et andet element, Hafnium (Hf), som ikke opløses i jern-nikkel legering og er beriget i kappen, og havde en nu uddød isotop ( ¹⁸² Hf) der forfaldt til ¹⁸² W. Dette giver kappen ekstra ¹⁸² W i forhold til wolframen i kernen.

Men den analyse, der kræves for at detektere variationer i wolframisotoper, er utrolig udfordrende, som vi ser på variationer i ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -forholdet i dele pr. Million og koncentrationen af ​​wolfram i sten er så lav som titalls dele pr. Milliard. Færre end fem laboratorier i verden kan foretage denne type analyse.

Bevis for en lækage

Vores undersøgelse viser en væsentlig ændring i ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -forhold mellem kappen over Jordens levetid. Jordens ældste klipper har betydeligt højere ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W end de fleste klipper på vor tids jord.

Ændringen i ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -forholdet mellem kappen angiver, at wolfram fra kernen har lækket ind i kappen i lang tid.

Interessant nok, i Jordens ældste vulkanske klipper, over en tidsramme på 1,8 milliarder år er der ingen væsentlig ændring i kappeens wolframisotoper. Dette indikerer, at fra 4,3 milliarder til 2,7 milliarder år siden, lidt eller intet materiale fra kernen blev overført til den øvre kappe.

Men i de efterfølgende 2,5 milliarder år, wolfram -isotopsammensætningen af ​​kappen har ændret sig markant. Vi udleder, at en ændring i pladetektonik, mod slutningen af ​​Archean Eon for omkring 2,6 milliarder år siden udløste store nok konvektive strømme i kappen til at ændre wolframisotoper på alle moderne sten.

Hvorfor lækagen?

Hvis kappe-fjer stiger fra kerne-kappe-grænsen til overfladen, det følger, at materiale fra Jordens overflade også skal ned i den dybe kappe.

Subduktion, udtrykket, der bruges til klipper fra Jordens overflade, der falder ned i kappen, tager iltrigt materiale fra overfladen ind i den dybe kappe som en integreret komponent i pladetektonik.

Eksperimenter viser, at forøgelse af iltkoncentrationen ved kernemantelgrænsen kan få wolfram til at adskille sig ud af kernen og ind i kappen.

Alternativt kan indre kerne størkning ville også øge iltkoncentrationen af ​​den ydre kerne. I dette tilfælde, vores nye resultater kunne fortælle os noget om udviklingen af ​​kernen, herunder oprindelsen til Jordens magnetfelt.

Jordens kerne startede som helt flydende metal og har afkølet og delvist størknet over tid. Magnetfeltet genereres af centrifugeringen af ​​den indre faste kerne. Tiden for indre kernekrystallisering er et af de vanskeligste spørgsmål at besvare inden for jord- og planetvidenskab.

Vores undersøgelse giver os et sporstof, der kan bruges til at undersøge interaktion mellem kerne-kappe og ændringen i vores planets indre dynamik, og som kan øge vores forståelse af, hvordan og hvornår magnetfeltet blev tændt.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.