De kern van onze planeet is ijzer. Maar nu worden wetenschappers steeds beter in het begrijpen van wat er nog meer draait in een draaikolk in het midden van de aarde.
De hartslag van onze planeet blijft een mysterie voor wetenschappers die proberen te achterhalen hoe de aarde is gevormd en wat er in de schepping is terechtgekomen. In een recente studie waren ze in staat om de krachtige druk in het centrum van onze planeet opnieuw te creëren, waardoor wetenschappers een glimp konden opvangen van het vroege bestaan en zelfs konden begrijpen hoe de kern van de aarde er nu zou kunnen uitzien.
Ze rapporteerden hun ontdekking in het laatste nummer van Science. "Als we erachter komen uit welke elementen de kern bestaat, kunnen we de omstandigheden waaronder de aarde is gevormd beter begrijpen, wat ons op zijn beurt meer informatie zal geven over de vroege geschiedenis van het zonnestelsel", zegt geochemicus Anat Shahar, gevestigd in Washington. aan het Carnegie Institute of Science. Het zal wetenschappers ook in staat stellen om inzicht te krijgen in hoe andere rotsachtige planeten zijn gevormd in ons zonnestelsel en daarbuiten.
De aarde werd ongeveer 4,6 miljard jaar geleden gevormd door talloze botsingen van vaste stoffen, variërend in grootte van Mars tot een kleine asteroïde. Naarmate de massa van de vroege aarde toenam, namen de interne druk en temperatuur toe.
Dit beïnvloedde de manier waarop ijzer, dat het grootste deel van de aardkern vormt, chemisch reageerde met lichtere elementen zoals waterstof, zuurstof en koolstof, evenals zwaardere metalen die zich losmaakten van de mantel en het binnenste van de aarde binnendrongen. De mantel is een laag direct onder de aardkorst, en de beweging van gesmolten gesteente in dit gebied zet tektonische platen in beweging.
Wetenschappers hebben zich al lang gerealiseerd dat temperatuurveranderingen van invloed kunnen zijn op de mate waarin een isotoop van een element zoals ijzer onderdeel wordt van de kern. Dit proces wordt isotopische fractionering genoemd.
Tot nu toe werd druk echter niet beschouwd als een kritische variabele die dit proces beïnvloedt. “In de jaren 60 en 70 zijn experimenten gedaan om de gevolgen van dergelijke druk te onderzoeken, maar wetenschappers hebben niets gevonden”, zegt Shahar. "Maar nu weten we dat de druk waarmee ze de experimenten uitvoerden (ongeveer twee gigapascals) niet krachtig genoeg was."
In 2009 publiceerde een ander onderzoeksteam een paper waarin ze suggereerden dat de druk invloed zou kunnen hebben op de elementen die de kern van de aarde binnendringen. Daarom besloten Shahar en haar team om de effecten ervan opnieuw te onderzoeken, met behulp van apparatuur die een druk tot 40 gigapascal creëert. Dit is veel dichter bij 60 gigapascal, wat wetenschappers beschouwen als het gemiddelde tijdens de vroege vorming van de aarde.
Promotie video:
In experimenten die werden uitgevoerd op een geavanceerde fotonenbron in de Carnegie Institution in Washington, plaatsten de wetenschappers kleine monsters ijzer gemengd met waterstof, koolstof en zuurstof tussen twee diamanten. Toen werden de vlakken van deze diamantschroeven tegen elkaar gedrukt, wat een enorme druk veroorzaakte.
Vervolgens werden de geconverteerde ijzermonsters bestookt met hoogenergetische röntgenstralen. "We gebruiken röntgenstralen om de trillingskenmerken van de ijzerfasen te testen", zei Shahar. De verschillende trillingsfrequenties geven aan welke isotopen van ijzer tot de monsters behoren.
Wetenschappers hebben ontdekt dat een dergelijke krachtige druk inderdaad de isotopische fractionering beïnvloedt. In het bijzonder ontdekte het onderzoeksteam dat de reactie tussen ijzer en waterstof of koolstof, die in de kern aanwezig zou moeten zijn, een karakteristiek spoor achterlaat in het mantelgesteente. Maar het was niet mogelijk om zo'n spoor te vinden.
"Daarom zijn we van mening dat waterstof en koolstof niet de belangrijkste lichtelementen in de kern zijn", zei Shahar.
Maar de combinatie van ijzer en zuurstof kon geen sporen achterlaten in de mantel, zoals de experimenten van wetenschappers toonden. Daarom is het mogelijk dat zuurstof een van de lichtste elementen in de samenstelling van de aardkern wordt.
Deze bevindingen ondersteunen de hypothese dat zuurstof en silicium de basis vormen van lichtelementen die zijn opgelost in de kern van de aarde, zegt Joseph O'Rourke, geofysicus aan het California Institute of Technology in Pasadena, die niet bij het onderzoek betrokken was.
"Zuurstof en silicium zijn overvloedig aanwezig in de mantel, en we weten dat ze oplossen in ijzer bij hoge temperatuur en hoge druk", zei hij. "Omdat zuurstof en silicium gegarandeerd in de kern zitten, hebben andere kandidaten zoals waterstof en koolstof weinig kans."
Shahar zei dat haar team van plan is het experiment met silicium en zwavel te herhalen, die mogelijk deel uitmaken van de kern. Nu ze hebben aangetoond dat druk fractionering kan beïnvloeden, wil dit team kijken naar het effect van druk en temperatuur in combinatie. Ze zijn van mening dat de resultaten kunnen verschillen van wanneer alleen druk en temperatuur worden gebruikt. “We hebben onze experimenten uitgevoerd op vaste ijzermonsters bij kamertemperatuur. Maar toen de kern zich vormde, was alles in een gesmolten toestand,”zei Shahar.
De bevindingen van deze experimenten kunnen relevant zijn voor planeten buiten ons zonnestelsel, zeggen wetenschappers. "Feit is dat we alleen het oppervlak of de atmosfeer van exoplaneten zien", zei Shahar. - Maar hoe beïnvloedt hun innerlijk wat er aan de oppervlakte gebeurt? Het antwoord op deze vraag zal van invloed zijn op het al dan niet leven op deze planeet."
