het mondiale magnetische veld van de aarde speelt een vitale rol in ons dagelijks leven en beschermt ons tegen schadelijke zonnestraling. Het magnetisch veld, dat al miljarden jaren bestaat, wordt veroorzaakt door een dynamo—of generator—in het meestal gesmolten ijzer in het binnenste van de aarde; dit vloeibare ijzer karnt in een proces dat convectie wordt genoemd. Maar convectie gebeurt niet op zichzelf. Het heeft een drijvende kracht nodig—een krachtbron. Afgestudeerde student Joseph O ‘Rourke en David Stevenson, Caltech’ s Marvin L. Goldberger Professor planetaire wetenschap, hebben een nieuw mechanisme voorgesteld dat deze convectie in het binnenste van de aarde kan voeden voor de hele geschiedenis van de aarde.
een document met de bevindingen verschijnt in het nummer Nature van 21 januari.
convectie kan worden waargenomen in alledaagse verschijnselen als een pot kokend water. Warmte aan de onderkant van de pot zorgt ervoor dat zakken vloeistof minder dicht worden dan de omringende vloeistof, en dus stijgen. Wanneer ze het oppervlak bereiken, koelen de zakken vloeistof af en zinken weer. Hetzelfde proces vindt plaats in de 1400 mijl dikke laag gesmolten metaal die de buitenste kern vormt.
de aarde bestaat voornamelijk uit de mantel (vast materiaal gemaakt van oxiden en silicaat waarin magnesium prominent aanwezig is) en de kern (voornamelijk ijzer). Deze twee gebieden worden meestal beschouwd als volledig gescheiden; dat wil zeggen, de mantelmaterialen lossen niet op in de kernmaterialen. Ze mengen zich niet op atomair niveau, net zoals water zich meestal niet vermengt met olie. De kern heeft een stevig binnenste deel dat langzaam is gegroeid door de geschiedenis van de aarde, als vloeibaar ijzer in het binnenste van de planeet stolt. Het buitenste, vloeibare deel van de kern is een laag gesmolten ijzer gemengd met andere elementen, waaronder silicium, zuurstof, nikkel, en een kleine hoeveelheid magnesium. Stevenson en O ‘ Rourke stellen voor dat de overdracht van het element magnesium in de vorm van mantelmineralen van de buitenste kern naar de basis van de mantel het mechanisme is dat convectie aandrijft.
Magneisum is een belangrijk element in de mantel, maar het heeft een lage oplosbaarheid in de ijzerkern, behalve bij zeer hoge temperaturen—boven 7.200 graden Fahrenheit. Als de kern van de aarde afkoelt, kristalliseren magnesiumoxiden en magnesiumsilicaten uit de metalen, vloeibare buitenste kern, zoals suiker die is opgelost in heet water neerslaat als suikerkristallen wanneer het water afkoelt. Omdat deze kristallen minder dicht zijn dan ijzer, stijgen ze naar de basis van de mantel. Het zwaardere vloeibare metaal dat achterbleef zinkt dan, en deze beweging, stelt Stevenson, kan het mechanisme zijn dat convectie heeft doorstaan voor meer dan drie miljard jaar—het mechanisme dat op zijn beurt het mondiale magnetische veld aandrijft.
“precipitatie van magnesium-dragende mineralen uit de buitenste kern is 10 keer effectiever bij het aandrijven van convectie dan groei van de binnenste kern,” zegt O ‘ Rourke. “Dergelijke mineralen zijn zeer drijvend en de resulterende vloeistofbewegingen kunnen warmte effectief transporteren. De kern hoeft alleen maar een laag van 10 kilometer dikke magnesiummineralen naar boven te neerslaan—wat veel lijkt, maar niet veel is op de schaal van de binnenste en buitenste kernen—om de convectie van de buitenste kern aan te drijven.”
vorige modellen gingen ervan uit dat de gestage koeling van ijzer in de binnenkern warmte zou afgeven die convectie zou kunnen opwekken. Maar de meeste metingen en theorie in de afgelopen jaren voor de thermische geleidbaarheid van ijzer—de eigenschap die bepaalt hoe efficiënt warmte kan stromen door een metaal—geeft aan dat het metaal gemakkelijk warmte kan overbrengen zonder beweging te ondergaan. “Het opwarmen van ijzer aan de onderkant van de buitenste kern zal er niet toe leiden dat het opstijgt—het zal alleen de warmte naar de omgeving afvoeren”, zegt O ‘ Rourke.”Dave had het idee van een magnesium-aangedreven dynamo voor een tijdje, maar er werd verondersteld om geen magnesium in de kern van de aarde,” O ‘ Rourke zegt. “Nu, modellen van planetaire vorming in het vroege zonnestelsel laten zien dat de aarde onderging frequente inslagen met gigantische planetaire lichamen. Als deze gewelddadige, energetische gebeurtenissen plaatsvonden, zou de aarde veel hogere temperaturen hebben ervaren tijdens haar vorming dan eerder gedacht—temperaturen die hoog genoeg zouden zijn geweest om wat magnesium te laten mengen in vloeibaar metallisch ijzer.”
Deze modellen maakten het mogelijk om het idee na te streven dat de dynamo kan worden aangedreven door de neerslag van magnesiumhoudende mineralen. O ‘ Rourke berekende dat de hoeveelheden magnesium die zouden zijn opgelost in de kern tijdens de hete vroege stadia van de aarde andere veranderingen in de samenstelling van de mantel zou hebben veroorzaakt die consistent zijn met andere modellen en metingen. Hij berekende ook dat de neerslag van deze magnesiummineralen genoeg energie zou hebben om de dynamo vier miljard jaar lang van stroom te voorzien.
experimentele verificatie van de hoeveelheid magnesium die in de kern kan gaan is nog steeds schaars, zeggen O ‘ Rourke en Stevenson. “Verdere toepassingen van ons voorgestelde mechanisme zijn Venus—waar er geen magnetisch veld is—en de overvloedige exoplaneten die zwaarder zijn dan de aarde, maar vergelijkbare chemische samenstellingen kunnen hebben,” zegt Stevenson.