jordens globale magnetfelt spiller en afgørende rolle i vores hverdag og beskytter os mod skadelig solstråling. Magnetfeltet, der har eksisteret i milliarder af år, er forårsaget af en dynamo—eller generator—inden for det mest smeltede jern i jordens indre; dette flydende jern krummer i en proces kaldet konvektion. Men konvektion sker ikke alene. Det har brug for en drivkraft—en strømkilde. Nu har kandidatstuderende Joseph O ‘ Rourke og David Stevenson, Caltechs Marvin L. Goldberger Professor i planetarisk videnskab, foreslået en ny mekanisme, der kan drive denne konvektion i jordens indre for hele Jordens historie.

et papir, der beskriver resultaterne, vises i januar 21-udgaven af Nature.

konvektion kan ses i sådanne hverdagsfænomener som en gryde med kogende vand. Varme i bunden af gryden får væskelommer til at blive mindre tætte end den omgivende væske og således stige. Når de når overfladen, afkøles væskens lommer og synker igen. Den samme proces forekommer i det 1.400 mile tykke lag af smeltet metal, der udgør den ydre kerne.

jorden består for det meste af kappen (fast materiale lavet af ilt og silikat, hvor magnesium er fremtrædende) og kernen (hovedsageligt jern). Disse to regioner betragtes normalt som fuldstændigt adskilt; det vil sige, mantelmaterialerne opløses ikke i kernematerialerne. De blandes ikke på atomniveau, meget som vand normalt ikke blandes med olie. Kernen har en solid indre del, der langsomt er vokset gennem Jordens historie, da flydende jern i planetens indre størkner. Den ydre, flydende del af kernen er et lag smeltet jern blandet med andre elementer, herunder silicium, ilt, nikkel og en lille mængde magnesium. Stevenson og O ‘ Rourke foreslår, at overførslen af elementet magnesium i form af mantelmineraler fra den ydre kerne til bunden af mantlen er den mekanisme, der driver konvektion.Magneisum er et vigtigt element i kappen, men det har lav opløselighed i jernkernen undtagen ved meget høje temperaturer—over 7.200 grader Fahrenheit. Når jordens kerne afkøles, krystalliserer magnesiumfilter og magnesiumsilicater fra den metalliske, flydende ydre kerne, ligesom sukker, der er opløst i varmt vand, udfældes som sukkerkrystaller, når vandet afkøles. Fordi disse krystaller er mindre tætte end jern, stiger de til bunden af kappen. Det tungere flydende metal, der er efterladt, synker derefter, og denne bevægelse, hævder Stevenson, kan være den mekanisme, der har opretholdt konvektion i over tre milliarder år—den mekanisme, der igen driver det globale magnetfelt.”udfældning af magnesiumbærende mineraler fra den ydre kerne er 10 gange mere effektiv til at drive konvektion end vækst af den indre kerne,” siger O ‘ Rourke. “Sådanne mineraler er meget flydende, og de resulterende væskebevægelser kan transportere varme effektivt. Kernen behøver kun at udfælde et lag magnesiummineraler, der er 10 kilometer tykke—hvilket virker meget, men det er ikke meget på skalaen af de indre og ydre kerner—for at drive den ydre kernes konvektion.”

tidligere modeller antog, at den stadige afkøling af jern i den indre kerne ville frigive varme, der kunne drive konvektion. Men de fleste målinger og teori i de sidste par år for jernens termiske ledningsevne—den egenskab, der bestemmer, hvor effektivt varme kan strømme gennem et metal—indikerer, at metallet let kan overføre varme uden at blive bevæget. “Opvarmning af jern i bunden af den ydre kerne vil ikke få det til at stige op kraftigt—det vil bare sprede varmen til omgivelserne,” siger O ‘ Rourke.”Dave havde ideen om en magnesiumdrevet dynamo i et stykke tid, men der skulle ikke være noget magnesium i Jordens kerne,” siger O ‘ Rourke. “Nu viser modeller af planetarisk dannelse i det tidlige solsystem, at jorden gennemgik hyppige påvirkninger med gigantiske planetariske kroppe. Hvis disse voldsomme, energiske begivenheder opstod, ville Jorden have oplevet meget højere temperaturer under dens dannelse end tidligere antaget—temperaturer, der ville have været høje nok til at tillade noget magnesium at blande sig i flydende metallisk jern.”

disse modeller gjorde det muligt at forfølge ideen om, at dynamoen kan være drevet af udfældningen af magnesiumbærende mineraler. O ‘ Rourke beregnet, at mængderne af magnesium, der ville have opløst i kernen under jordens varme tidlige stadier, ville have forårsaget andre ændringer i mantelens sammensætning, der er i overensstemmelse med andre modeller og målinger. Han beregnede også, at udfældningen af disse magnesiummineraler ville have nok energi til at drive dynamoen i fire milliarder år.eksperimentel verifikation af mængden af magnesium, der kan gå ind i kernen, er stadig sparsom, siger O ‘ Rourke og Stevenson. “Yderligere anvendelser af vores foreslåede mekanisme inkluderer Venus – hvor der ikke er noget magnetfelt—og de rigelige eksoplaneter, der er mere massive end Jorden, men kan have lignende kemiske sammensætninger,” siger Stevenson.