jordens globala magnetfält spelar en viktig roll i vår vardag och skyddar oss från skadlig solstrålning. Magnetfältet, som har funnits i miljarder år, orsakas av en dynamo—eller generator—inom det mest smälta järnet i jordens inre; detta flytande järn kannor i en process som kallas konvektion. Men konvektion sker inte på egen hand. Det behöver en drivkraft-en kraftkälla. Nu har doktoranden Joseph O ’ Rourke och David Stevenson, Caltechs Marvin L. Goldberger-Professor i planetvetenskap, föreslagit en ny mekanism som kan driva denna konvektion i jordens inre för hela jordens historia.
ett papper som beskriver resultaten visas i Januari 21-utgåvan av Nature.
konvektion kan ses i sådana vardagliga fenomen som en kruka med kokande vatten. Värme i botten av potten gör att fickor av vätska blir mindre täta än den omgivande vätskan och därmed stiger. När de når ytan, kyler fickorna av vätska och sjunker igen. Samma process sker i det 1400 mil tjocka skiktet av smält metall som utgör den yttre kärnan.
jorden består mestadels av manteln (fast material tillverkat av oxider och silikat där magnesium är framträdande) och kärnan (främst järn). Dessa två regioner anses vanligtvis vara helt separerade; det vill säga mantelmaterialen löses inte upp i kärnmaterialen. De blandar inte på atomnivå, mycket som vatten vanligtvis inte blandas med olja. Kärnan har en solid inre del som långsamt har vuxit genom jordens historia, eftersom flytande järn i planetens inre stelnar. Den yttre, flytande delen av kärnan är ett lager av smält järn blandat med andra element, inklusive kisel, syre, nickel och en liten mängd magnesium. Stevenson och O ’ Rourke föreslår att överföringen av elementet magnesium i form av mantelmineraler från den yttre kärnan till basen av manteln är den mekanism som driver konvektion.
Magneisum är ett huvudelement i manteln, men det har låg löslighet i järnkärnan utom vid mycket höga temperaturer—över 7200 grader Fahrenheit. När jordens kärna svalnar kristalliserar magnesiumoxider och magnesiumsilikater från den metalliska, flytande yttre kärnan, mycket som socker som har lösts upp i varmt vatten kommer att fälla ut som sockerkristaller när vattnet svalnar. Eftersom dessa kristaller är mindre täta än järn, stiger de till basen av manteln. Den tyngre flytande metallen som lämnas kvar sjunker sedan, och denna rörelse, hävdar Stevenson, kan vara den mekanism som har upprätthållit konvektion i över tre miljarder år—mekanismen som i sin tur driver det globala magnetfältet.
”utfällning av magnesiumbärande mineraler från den yttre kärnan är 10 gånger effektivare vid körning av konvektion än tillväxt av den inre kärnan”, säger O ’ Rourke. ”Sådana mineraler är mycket flytande och de resulterande flytande rörelserna kan transportera värme effektivt. Kärnan behöver bara fälla upp ett lager av magnesiummineraler 10 kilometer tjockt – vilket verkar som mycket, men det är inte mycket på skalan av de inre och yttre kärnorna—för att driva den yttre kärnans konvektion.”
tidigare modeller antog att den stadiga kylningen av järn i den inre kärnan skulle frigöra värme som kunde driva konvektion. Men de flesta mätningar och teori under de senaste åren för värmeledningsförmågan hos järn—egenskapen som bestämmer hur effektivt värme kan strömma genom en metall—indikerar att metallen lätt kan överföra värme utan att genomgå rörelse. ”Uppvärmning av järn i botten av den yttre kärnan kommer inte att leda till att den stiger upp flytande—det kommer bara att sprida värmen till omgivningen”, säger O ’ Rourke.”Dave hade tanken på en magnesiumdriven dynamo ett tag, men det skulle inte finnas något magnesium i jordens kärna”, säger O ’ Rourke. ”Nu visar modeller av planetbildning i det tidiga solsystemet att jorden genomgick frekventa effekter med jätte planetkroppar. Om dessa våldsamma, energiska händelser inträffade skulle jorden ha upplevt mycket högre temperaturer under dess bildning än tidigare trott—temperaturer som skulle ha varit tillräckligt höga för att tillåta lite magnesium att blandas i flytande metalliskt järn.”
dessa modeller gjorde det möjligt att driva tanken att dynamo kan drivas av utfällning av magnesiumbärande mineraler. O ’ Rourke beräknade att mängderna magnesium som skulle ha upplösts i kärnan under jordens heta tidiga stadier skulle ha orsakat andra förändringar i mantelens sammansättning som överensstämmer med andra modeller och mätningar. Han beräknade också att utfällningen av dessa magnesiummineraler skulle ha tillräckligt med energi för att driva dynamo i fyra miljarder år.
experimentell verifiering av mängden magnesium som kan gå in i kärnan är fortfarande gles, säger O ’ Rourke och Stevenson. ”Ytterligare tillämpningar av vår föreslagna mekanism inkluderar Venus-där det inte finns något magnetfält—och de rikliga exoplaneterna som är mer massiva än jorden men kan ha liknande kemiska kompositioner”, säger Stevenson.