Er jordens kerne skæv? Mærkelige hændelser i vores planets indre

Af ukendte årsager, Jordens indre kerne af massivt jern vokser hurtigere på den ene side end den anden, og det har det været lige siden det begyndte at fryse ud af smeltet jern for mere end en halv milliard år siden, ifølge en ny undersøgelse foretaget af seismologer ved University of California, Berkeley.

Den hurtigere vækst under Indonesiens Banda-hav har ikke efterladt kernen skæv. Tyngdekraften fordeler den nye vækst jævnt - jernkrystaller, der dannes, når det smeltede jern afkøles - for at opretholde en sfærisk indre kerne, der i gennemsnit vokser i radius med 1 millimeter om året.

Men den øgede vækst på den ene side tyder på, at noget i Jordens ydre kerne eller kappe under Indonesien fjerner varme fra den indre kerne i en hurtigere hastighed end på den modsatte side, under Brasilien. Hurtigere afkøling på den ene side ville accelerere jernkrystallisation og indre kernevækst på den side.

Dette har konsekvenser for Jordens magnetfelt og dens historie, fordi konvektion i den ydre kerne drevet af frigivelse af varme fra den indre kerne er det, der i dag driver dynamoen, der genererer det magnetiske felt, der beskytter os mod farlige partikler fra solen.

"Vi giver ret løse grænser for den indre kernes alder – mellem en halv milliard og 1,5 milliarder år – som kan være til hjælp i debatten om, hvordan magnetfeltet blev genereret før eksistensen af ​​den solide indre kerne, " sagde Barbara Romanowicz, UC Berkeley Professor ved Graduate School i Institut for Jord- og Planetvidenskab og emeritus direktør for Berkeley Seismological Laboratory (BSL). "Vi ved, at magnetfeltet allerede eksisterede for 3 milliarder år siden, så andre processer må have drevet konvektion i den ydre kerne på det tidspunkt."

Den indre kernes unge alder kan betyde, at tidligt i jordens historie, varmen, der koger den flydende kerne, kom fra lette elementer, der adskilles fra jern, ikke fra krystallisation af jern, som vi ser i dag.

"Debatten om den indre kernes alder har stået på i lang tid, " sagde Daniel Frost, assisterende projektforsker ved BSL. "Komplikationen er:Hvis den indre kerne kun har været i stand til at eksistere i 1,5 milliarder år, baseret på, hvad vi ved om, hvordan det taber varme, og hvor varmt det er, hvor kom så det ældre magnetfelt fra? Det var der, ideen om opløste lette elementer, der så fryser ud, kom fra."

Frysejern

Asymmetrisk vækst af den indre kerne forklarer et tre årtier gammelt mysterium - at det krystalliserede jern i kernen ser ud til at være fortrinsvis justeret langs jordens rotationsakse, mere i vest end i øst, hvorimod man ville forvente, at krystallerne var tilfældigt orienteret.

Beviser for denne justering kommer fra målinger af rejsetiden for seismiske bølger fra jordskælv gennem den indre kerne. Seismiske bølger bevæger sig hurtigere i retningen af ​​nord-syd rotationsaksen end langs ækvator, en asymmetri, som geologer tilskriver jernkrystaller - som er asymmetriske - med deres lange akser fortrinsvis justeret langs Jordens akse.

Hvis kernen er fast krystallinsk jern, hvordan bliver jernkrystallerne fortrinsvis orienteret i én retning?

I et forsøg på at forklare observationerne, Frost og kollegerne Marine Lasbleis fra Université de Nantes i Frankrig og Brian Chandler og Romanowicz fra UC Berkeley skabte en computermodel for krystalvækst i den indre kerne, der inkorporerer geodynamiske vækstmodeller og mineralfysikken i jern ved højt tryk og høj temperatur.

"Den enkleste model virkede lidt usædvanlig - at den indre kerne er asymmetrisk, " sagde Frost. "Vestsiden ser anderledes ud fra østsiden hele vejen til midten, ikke kun i toppen af ​​den indre kerne, som nogle har foreslået. Den eneste måde, vi kan forklare det på, er ved at den ene side vokser hurtigere end den anden."

Modellen beskriver, hvordan asymmetrisk vækst - omkring 60 % højere i øst end i vest - fortrinsvis kan orientere jernkrystaller langs rotationsaksen, med mere justering i vest end i øst, og forklare forskellen i seismisk bølgehastighed over den indre kerne.

"Det, vi foreslår i dette papir, er en model af skæv fast konvektion i den indre kerne, der forener seismiske observationer og plausible geodynamiske grænseforhold, " sagde Romanowicz.

Frost, Romanowicz og deres kolleger vil rapportere deres resultater i denne uges udgave af tidsskriftet Natur Geovidenskab .

Undersøger Jordens indre med seismiske bølger

Jordens indre er lagdelt som et løg. Den solide jern-nikkel indre kerne - i dag 1, 200 kilometer (745 miles) i radius, eller omkring tre fjerdedele af månen - er omgivet af en flydende ydre kerne af smeltet jern og nikkel på omkring 2, 400 kilometer (1, 500 miles) tyk. Den ydre kerne er omgivet af en kappe af varm sten 2, 900 kilometer (1, 800 miles) tyk og overlejret af en tynd, fedt nok, stenet skorpe i overfladen.

Konvektion forekommer både i den ydre kerne, som langsomt koger, når varme fra krystalliserende jern kommer ud af den indre kerne, og i kappen, som varmere sten bevæger sig opad for at transportere denne varme fra midten af ​​planeten til overfladen. Den kraftige kogende bevægelse i den ydre kerne af flydende jern producerer Jordens magnetfelt.

Ifølge Frosts computermodel, som han skabte ved hjælp af Lasbleis, efterhånden som jernkrystaller vokser, tyngdekraften omfordeler den overskydende vækst i øst mod vest inden for den indre kerne. Den bevægelse af krystaller inden for det ret bløde faststof i den indre kerne - som er tæt på jernets smeltepunkt ved disse høje tryk - justerer krystalgitteret langs Jordens rotationsakse i højere grad i vest end i øst.

Modellen forudsiger korrekt forskernes nye observationer om seismiske bølges rejsetider gennem den indre kerne:Anisotropien, eller forskel i rejsetider parallelt og vinkelret på rotationsaksen, stiger med dybden, og den stærkeste anisotropi er forskudt mod vest fra Jordens rotationsakse med omkring 400 kilometer (250 miles).

Modellen for indre kernevækst giver også grænser for andelen af ​​nikkel til jern i jordens centrum, sagde Frost. Hans model gengiver ikke nøjagtigt seismiske observationer, medmindre nikkel udgør mellem 4% og 8% af den indre kerne - hvilket er tæt på andelen i metalliske meteoritter, der engang formodentlig var kernerne af dværgplaneter i vores solsystem. Modellen fortæller også geologer, hvor tyktflydende, eller væske, den indre kerne er.

"Vi foreslår, at viskositeten af ​​den indre kerne er relativt stor, en inputparameter af betydning for geodynamikere, der studerer dynamoprocesserne i den ydre kerne, " sagde Romanowicz.