De ijzerrijke kern van de aarde is verbazingwekkend zacht. Experimenten met ijzer bij hoge temperaturen en druk, in combinatie met computersimulaties, suggereren dat verhuizende ijzeratomen hier gedeeltelijk verantwoordelijk voor zijn.
Dat de kern van de aarde bijna zo zacht is als rubber, komt mogelijk doordat de ijzeratomen in de kern steeds van plek veranderen.
Het binnenste van onze planeet is een massieve ijzeren bol die kleiner is dan de maan, en bijna net zo heet als het oppervlak van de zon. Omdat onderzoekers geen monsters direct uit deze binnenste kern kunnen halen, gebruiken ze seismische golven om de kern te onderzoeken. Dit zijn trillingen die zich door de aarde heen voortplanten als er energie vrijkomt, bijvoorbeeld door een aardbeving of vulkaanuitbarsting.
Hoe gevaarlijk zijn supervulkanen?
In het verleden stortten zogeheten supervulkanen de aarde meermaals in een desastreuze ‘vulkanische winter’. Gaat dat opnieuw gebeuren?
De verschillende structuren in de aarde waar de golven onderweg op stuiten, doen de golven van richting en snelheid veranderen. Metingen van deze golven aan het aardoppervlak kunnen zo informatie geven over het binnenste van de aarde. Met deze informatie toonden onderzoekers in eerder onderzoek aan dat de aardkern onverwacht zacht is: meer als rubber dan als gietijzer.
Kunstmatige aardkern
Om te onderzoeken waarom dit zo is, ontworpen aardwetenschapper Jung-Fu Lin van de Universiteit van Texas in Austin en zijn collega’s een experiment om de aardkern na te bootsen. Hiervoor vuurden ze een klein projectiel af op ijzeren schijfjes met een doorsnede van 2 centimeter en een dikte van minder dan anderhalve millimeter. Bij de botsing voelden de ijzeratomen enkele honderden nanoseconden lang een druk tot wel 2,3 miljoen atmosfeer, en bereikten ze een temperatuur van bijna 5000 graden Celsius.
Deze omstandigheden zijn niet zo extreem als die in de aardkern, waar de druk 3,6 miljoen atmosfeer is en de temperatuur rond 5200 graden Celsius. Toch komen de omstandigheden dicht genoeg in de buurt om een indicatie te geven van de manier waarop de ijzeren aardkern zich gedraagt. Het onderzoek van Lin is recent gepubliceerd in het tijdschrift PNAS.
Lin en zijn collega’s gebruikten een laser om te meten hoe snel geluidsgolven door de ijzeren schijfjes lopen tijdens de botsing met het projectiel. Zo konden ze de materiaaleigenschappen, zoals sterkte en zachtheid, bepalen. De resultaten kwamen overeen met de bevindingen van seismologische onderzoeken van de zachte aardkern.
Dansende atomen
De onderzoekers gebruikten hun metingen ook om een computersimulatie te maken van het ijzer, om te ontdekken waarom het zo zacht is onder deze extreme omstandigheden. Tot nog toe konden zulke simulaties het gedrag van slechts tientallen tot honderden ijzeratomen simuleren. Met machine learning lukte het Lin en zijn team om dat getal op te krikken naar zo’n 30 duizend. Deze realistischere simulatie liet zien dat ijzeratomen, die normaal in een hexagonale kristalvorm geordend zitten, onder deze omstandigheden van de ene naar de andere plaats in het rooster, als in een soort stoelendans. De onderzoekers denken dat de aardkern zachter wordt door deze bewegingen.
Meer spelletjes
Hoogleraar seismologie en geofysica Hrvoje Tkalčić van de Australische Nationale Universiteit, die niet betrokken was bij het onderzoek, zegt dat het nieuwe onderzoek een stap voorwaarts is in het begrijpen van de aardkern. Het blijft echter onduidelijk waarom de geluidsgolven in verschillende richtingen anders door het ijzer heen bewegen. Volgens hem kunnen onderzoekers de zachtheid van de aardkern verder verklaren door ‘andere spelletjes te spelen’ in simulaties, door bijvoorbeeld nieuwe elementen toe te voegen of de temperatuur van het ijzer aan te passen.
Lin denkt dat soortgelijke onderzoeken zelfs ons begrip van kernen van exoplaneten kunnen vergroten. Tkalčić denkt daar hetzelfde over. ‘De implicaties reiken altijd verder dan onze aardse grenzen en hebben ook betrekking op andere planeten. Mogelijk kunnen we met zulke simulaties uiteindelijk ook beter begrijpen hoe kernen van exoplaneten evolueren en hoe ze hun magnetische velden genereren en in stand houden’, zegt hij.
