maapallon globaali magneettikenttä on tärkeässä roolissa jokapäiväisessä elämässämme, suojaten meitä haitalliselta auringon säteilyltä. Miljardeja vuosia vallinneen magneettikentän aiheuttaa dynamo—eli generaattori-maan sisäosien suurimmaksi osaksi sulan raudan sisällä; tämä nestemäinen rauta kirnuaa konvektioksi kutsutussa prosessissa. Konvektio ei kuitenkaan tapahdu itsestään. Se tarvitsee liikkeellepanevan voiman-voimanlähteen. Nyt jatko-opiskelija Joseph O ’ Rourke ja David Stevenson, Caltechin Marvin L. Goldberger Planeettatieteen professori, ovat ehdottaneet uutta mekanismia, joka voi voimistaa tätä konvektiota maan sisäosissa koko maan historian ajan.
tutkimus havainnoista on Nature-lehdessä 21.tammikuuta.
konvektio näkyy sellaisina arkisina ilmiöinä kuin kattilana kiehuvaa vettä. Kattilan pohjalla oleva kuumuus saa nestetaskut muuttumaan ympäröivää nestettä tiheämmiksi ja siten nousemaan. Pinnalle päästyään nestetaskut jäähtyvät ja uppoavat uudelleen. Sama prosessi tapahtuu 1 400 kilometrin paksuisessa sulan metallin kerrostumassa, joka muodostaa uloimman ytimen.
maa koostuu enimmäkseen vaipasta (oksideista ja silikaatista valmistetusta kiinteästä aineksesta, jossa magnesium on näkyvästi mukana) ja ytimestä (pääasiassa raudasta). Nämä kaksi aluetta mielletään yleensä täysin erillisiksi; toisin sanoen vaippamateriaalit eivät liukene ydinmateriaaleihin. Ne eivät sekoitu atomitasolla, samoin kuin vesi ei yleensä sekoitu öljyyn. Ytimessä on kiinteä sisäosa, joka on hitaasti kasvanut koko maapallon historian ajan planeetan sisäosien nestemäisen raudan jähmettyessä. Ytimen uloin, nestemäinen osa on sulan raudan kerros, johon on sekoitettu muita alkuaineita, kuten piitä, happea, nikkeliä ja pieni määrä magnesiumia. Stevenson ja O ’ Rourke ehdottavat, että alkuaineen magnesiumin siirtyminen vaippamineraalien muodossa ulkoytimestä vaipan tyveen on konvektioon vaikuttava mekanismi.
Magneisum on merkittävä alkuaine vaipassa, mutta sen Liukoisuus rautaytimeen on vähäistä paitsi hyvin korkeissa lämpötiloissa—yli 7 200 asteessa. Kun maan ydin jäähtyy, magnesiumoksidit ja magnesiumsilikaatit kiteytyvät metallisesta, nestemäisestä ulkoytimestä, samaan tapaan kuin kuumaan veteen liuennut sokeri saostuu sokerikiteinä veden jäähtyessä. Koska nämä kiteet ovat vähemmän tiheitä kuin rauta, ne nousevat vaipan tyveen. Tällöin jäljelle jäänyt raskaampi nestemäinen metalli vajoaa, ja tämä liike saattaa Stevensonin mukaan olla se mekanismi, joka on ylläpitänyt konvektiota yli kolme miljardia vuotta—mekanismi, joka vuorostaan saa aikaan maailmanlaajuisen magneettikentän.
”magnesiumia sisältävien mineraalien saostuminen ulkoytimestä ajaa konvektiota 10 kertaa tehokkaammin kuin sisäytimen kasvu”, O ’ Rourke sanoo. ”Tällaiset mineraalit ovat hyvin kelluvia ja niistä syntyvät nesteliikkeet voivat kuljettaa lämpöä tehokkaasti. Ytimen tarvitsee vain saostaa ylöspäin 10 kilometrin paksuinen magnesiummineraalikerros—joka tuntuu paljolta, mutta ei ole paljoa sisemmän ja ulomman ytimen mittakaavassa—jotta ulomman ytimen konvektio saadaan käyntiin.”
aiemmat mallit olettivat, että raudan Tasainen jäähtyminen sisäsydämessä vapauttaisi lämpöä, joka voisi voimistaa konvektiota. Mutta useimmat mittaukset ja teoria viime vuosina lämmönjohtavuus rauta—ominaisuus, joka määrittää, kuinka tehokkaasti lämpö voi virrata läpi metalli—osoittaa, että metalli voi helposti siirtää lämpöä ilman käynnissä liikettä. ”Raudan kuumentaminen ulomman ytimen pohjalla ei saa sitä nousemaan vuolaasti ylös—se vain haihduttaa lämmön ympäristöönsä”, O ’ Rourke sanoo.
”Davella oli jonkin aikaa ajatus magnesiumilla toimivasta Dynamosta, mutta maan ytimessä ei pitänyt olla magnesiumia”, O ’ Rourke kertoo. ”Nyt aurinkokunnan alkuaikojen planeettojen muodostumista kuvaavat mallit osoittavat, että maa on törmännyt usein jättiläisplaneettojen kappaleisiin. Jos nämä rajut, energiset tapahtumat olisivat tapahtuneet, maa olisi kokenut paljon korkeampia lämpötiloja muodostumisensa aikana kuin aiemmin on ajateltu—lämpötiloja, jotka olisivat olleet niin korkeita, että jonkin verran magnesiumia olisi voinut sekoittua nestemäiseksi metalliraudaksi.”
nämä mallit mahdollistivat ajatuksen, jonka mukaan Dynamon voimanlähteenä voi olla magnesiumia sisältävien mineraalien saostaminen. O ’ Rourke laski, että magnesiumin määrät, jotka olisivat liuenneet ytimeen maan kuumien alkuvaiheiden aikana, olisivat aiheuttaneet vaipan koostumukseen muita muutoksia, jotka ovat yhdenmukaisia muiden mallien ja mittausten kanssa. Hän laski myös, että näiden magnesiummineraalien saostuminen riittäisi Dynamon voimanlähteeksi neljäksi miljardiksi vuodeksi.
ytimen sisään pääsevän magnesiumin määrän kokeellinen todentaminen on vielä vähäistä, O ’ Rourke ja Stevenson sanovat. ”Ehdotetun mekanismimme muita sovelluksia ovat Venus—jossa ei ole magneettikenttää—ja runsaat eksoplaneetat, jotka ovat maata massiivisempia, mutta joilla voi olla samanlaisia kemiallisia koostumuksia”, Stevenson sanoo.