Jordens kärna

För ett sekel sedan visste vetenskapen knappt att jorden till och med hade en kärna. Idag frestas vi av kärnan och dess förbindelser med resten av planeten. Vi är faktiskt i början av en guldålder av kärnstudier.

Vi visste vid 1890-talet, från det sätt som jorden svarar på solens och månens allvar, att planeten har en tät kärna, förmodligen järn. År 1906 upptäckte Richard Dixon Oldham att jordbävningsvågor rör sig genom jordens centrum mycket långsammare än de gör genom manteln runt den - eftersom mitten är flytande.

1936 rapporterade Inge Lehmann att något återspeglar seismiska vågor från kärnan. Det blev tydligt att kärnan består av ett tjockt skal flytande järn - den yttre kärnan - med en mindre, fast innerkärna i centrum. Det är fast eftersom högtrycket på det djupet övervinner effekten av hög temperatur.

År 2002 publicerade Miaki Ishii och Adam Dziewonski från Harvard University bevis på en "innersta inre kärna" cirka 600 kilometer. År 2008 föreslog Xiadong Song och Xinlei Sun en annan inre kärna cirka 1200 km över. Man kan inte göra mycket av dessa idéer förrän andra bekräftar arbetet.

Vad vi än lär väcker nya frågor. Det flytande järnet måste vara källan till jordens geomagnetiska fält - geodynamoen - men hur fungerar det? Varför växlar geodynamoen magnetisk norr och söderut, under geologisk tid? Vad händer överst i kärnan, där smält metall möter den steniga manteln? Svar började dyka upp under 1990-talet.

Vårt huvudverktyg för kärnforskning har varit jordbävningsvågor, särskilt de från stora händelser som 2004 Sumatra skalv. De ringande "normala lägena", som får planeten att pulseras med den typ av rörelser du ser i en stor såpbubbla, är användbara för att undersöka storskalig djup struktur.

Men ett stort problem är det nonuniqueness—Alla givna seismiska bevis kan tolkas mer än ett sätt. En våg som tränger igenom kärnan korsar också jordskorpan minst en gång och manteln minst två gånger, så en funktion i ett seismogram kan komma från flera möjliga platser. Många olika uppgifter måste krysskontrolleras.

Nonunqueness-barriären bleknade något när vi började simulera den djupa jorden i datorer med realistiska siffror, och när vi reproducerade höga temperaturer och tryck i laboratoriet med diamantstädcell. Dessa verktyg (och långtidsstudier) har låtit kika igenom jordens lager tills vi äntligen kan överväga kärnan.

Med tanke på att hela jorden i genomsnitt består av samma blandning av saker som vi ser någon annanstans i solsystemet, måste kärnan vara järnmetall tillsammans med lite nickel. Men det är mindre tätt än rent järn, så cirka 10 procent av kärnan måste vara något lättare.

Idéer om vad den lätta ingrediensen har utvecklats. Svavel och syre har varit kandidater under lång tid och till och med väte har beaktats. På senare tid har intresset för kisel ökat, eftersom högtrycksexperiment och simuleringar tyder på att det kan upplösas i smält järn bättre än vi trodde. Kanske är mer än en av dessa där nere. Det krävs många geniala resonemang och osäkra antaganden för att föreslå något speciellt recept - men ämnet ligger inte längre än allt förmodande.

Seismologer fortsätter att undersöka den inre kärnan. Kärnans östra halvklotet verkar skilja sig från den västra halvklotet på det sätt som järnkristallerna är i linje. Problemet är svårt att attackera eftersom seismiska vågor måste gå ganska mycket direkt från en jordbävning, rakt genom jordens centrum, till en seismograf. Händelser och maskiner som råkar vara uppradade precis rätt är sällsynta. Och effekterna är subtila.

1996 bekräftade Xiadong Song och Paul Richards en förutsägelse om att den inre kärnan roterar något snabbare än resten av jorden. Geodynamos magnetiska krafter verkar vara ansvariga.

Över geologisk tid, den inre kärnan växer när hela jorden svalnar. På toppen av den yttre kärnan fryser järnkristaller ut och regnar in i den inre kärnan. Vid basen av den yttre kärnan fryser järnet under tryck och tar mycket av nickeln med sig. Det återstående flytande järnet är lättare och stiger. Dessa stigande och fallande rörelser, samverkar med geomagnetiska krafter, rör hela den yttre kärnan med en hastighet av 20 kilometer om året.

Planeten Merkurius har också en stor järnkärna och en magnetiskt fältmen mycket svagare än jordens. Ny forskning antyder att Merkurius kärna är rik på svavel och att en liknande frysprocess rör den upp, med "järnsnö" som faller och svavelberikad vätska stiger.

Kärnstudier ökade 1996 när datormodeller av Gary Glatzmaier och Paul Roberts först reproducerade geodynamos beteende, inklusive spontana reverseringar. Hollywood gav Glatzmaier en oväntad publik när den använde hans animationer i actionfilmen Kärnan.

Det senaste högtryckslaboratoriet av Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao och andra har gett oss antydningar om kärnmantelgränsen, där flytande järn interagerar med silikatberg. Experimenten visar att kärn- och mantelmaterial genomgår starka kemiska reaktioner. Detta är den region där många tror att mantelplommor härstammar och stiger för att bilda platser som Hawaiian Islands kedja, Yellowstone, Island och andra ytfunktioner. Ju mer vi lär oss om kärnan, desto närmare blir den.

PS: Den lilla, nära stickade gruppen av kärnspecialister tillhör alla SEDI-gruppen (Study of the Earth's Deep Interior) och läser dess Deep Earth Dialog nyhetsbrev. Och de använder Special Bureau för Core: s webbplats som ett centralt arkiv för geofysiska och bibliografiska data.