Discrepantie in de aardkern

Tegenstrijdige waarden voor thermische geleidbaarheid roepen vragen op over geodynamo

Dwarsdoorsnede door de aarde, gecombineerd met de veldlijnen van het magnetisch veld van de aarde © Glatzmaier et al./ DESY
voorlezen

Sinds wanneer is er de innerlijke, vaste kern? En sinds wanneer bestaat het magnetische veld van de aarde? Twee experimenten door verschillende onderzoeksgroepen leveren tegenstrijdige resultaten op in het tijdschrift "Nature". Terwijl sommigen een lage thermische geleidbaarheid vonden voor het kernijzer, wat voor een oude geodynamo spreekt, komen anderen duidelijk tot afwijkende waarden.

Het vitale magnetische veld van de aarde wordt gecreëerd door de interactie van stromen van de vloeibare buitenste ijzeren kern met de vaste binnenste kern. Temperatuurverschillen tussen de kern en de schaal drijven de convectie in de vloeibare kern van de aarde aan en vormen zo de motor voor deze geodynamo. Hieruit volgt dat de dynamo alleen kan zijn begonnen wanneer de binnenste kern van de aarde solide werd - en wanneer dat gebeurde, hangt voornamelijk af van de thermische geleidbaarheid van het ijzer in de kern.

Tegenstrijdigheid van leeftijd en geleidbaarheid

Het probleem hiermee: hoe goed ijzer warmte geleidt onder de extreme omstandigheden van de aardkern kan niet direct worden gemeten. Voorheen moesten onderzoekers vooral vertrouwen op theoretische berekeningen, maar hun resultaten zijn tegenstrijdig en soms moeilijk te verzoenen met geologische waarnemingen.

Sommige onderzoekers vonden bijvoorbeeld een hoog warmtegeleidingsvermogen van maximaal 150 watt per meter per Kelvin voor het kernijzer. Maar als dat waar is, zou de geodynamo pas ongeveer een miljard jaar geleden zijn begonnen. Het bestaan ​​van het magnetisch veld van de aarde kan echter met behulp van oude rotsen minstens 3, 4 miljard jaar worden herleid.

Voor het meten van de warmtegeleiding werd het ijzer tot kernomstandigheden in een diamant-matrijscel samengeperst en verwarmd. © Stewart McWilliams

IJzerfolie in de stempelcel

Om deze tegenstrijdigheid op te lossen, hebben Zuzana Konôpková van de Duitse Electron Synchrotron DESY in Hamburg en haar collega's de thermische geleidbaarheid van ijzer onder kernomstandigheden gemeten in een hogedruk-experiment. "We hebben een dunne ijzeren folie in de diamanten ramcel samengeperst met een druk van 130 Gigapascal, " legt Konôpková uit. tonen

Tegelijkertijd werd het ijzer verwarmd door twee infraroodlasers tot 2.700 graden Celsius, wat overeenkomt met de omstandigheden in de kern. De onderzoekers gebruikten vervolgens een derde laser om een ​​minuscule warmtevlek aan één kant van de ijzerfolie te creëren. "We hebben de volgende temperatuurontwikkeling waargenomen aan beide zijden van de film met een optische strookcamera", zegt Kon pkov . Als gevolg hiervan kan de thermische geleidbaarheid van het ijzer worden bepaald onder deze extreme omstandigheden.

Core ouder dan gedacht?

Het resultaat: "We hebben zeer lage waarden van 18 tot 44 watt per meter per Kelvin (W / m / K) gemeten voor warmtegeleiding", meldt Kon pkov . Deze waarden komen goed overeen met metingen van de weerstand van ijzer onder kernomstandigheden, maar zijn duidelijk in tegenspraak met de theoretische berekeningen.

Als de lage thermische geleidbaarheid van het kernijzer wordt bevestigd, kan dit betekenen dat de binnenste kern van de aarde veel eerder is ontstaan ​​dan tot voor kort door onderzoekers op basis van modellen en een experiment gehad. De kern van de aarde en de geodynamo van de aarde hadden in de begindagen van de aarde kunnen bestaan.

Tegenstrijdigheid uit Japan

Helaas heeft een soortgelijk experiment bijna tegelijkertijd aanzienlijk verschillende waarden opgeleverd. Het onderzoeksteam onder leiding van Kenji Ohta van het Tokyo Institute of Technology ontdekte in hun hogedrukexperiment de elektrische weerstand van ijzer onder de omstandigheden van de aardkern. Uit hun resultaten leiden ze een thermische geleidbaarheid van het kernijzer af van 90 W / m / K, zoals ze nu rapporteren in een parallel artikel in "Nature".

Hoewel er experimentele resultaten zijn voor deze cruciale waarde, zijn deze net zo tegenstrijdig als de theoretische modellen en berekeningen. "De duivel zit in de details hier", benadrukt David Dobson van University College London in een begeleidend commentaar. "Deze discrepantie maakt een groot verschil voor wanneer de binnenste kern werd gevormd en de aarde een stabiel magnetisch veld ontving."

Het beschermende magnetische veld van de aarde zou dus al zo'n drie miljard jaar geleden, of slechts 700 miljoen jaar geleden, kunnen zijn gecreëerd. Welk scenario juist is, zal waarschijnlijk meer experimenten en modellen moeten ontdekken. (Nature, 2016; doi: 10.1038 / nature18009; doi: 10.1038 / nature17957)

(DESY, Carnegie Institution, Nature, 02.06.2016 - NPO)