In het centrum van de aarde, ruim 5.000 kilometer diep, bevindt zich een massieve bol die grotendeels uit ijzer bestaat. Het is de binnenste kern, en het is van fundamenteel belang voor het leven op aarde: het drijft het magnetische veld aan dat ons beschermt tegen zonnestraling en de hitte die daaruit opstijgt, beweegt de tektonische platen en vormt zo continenten en oceanen.
Toch weten we niet precies waar het van gemaakt is, hoe heet het is, of wanneer het begon af te koelen en te stollen. Het enige wat we kunnen doen is indirect waarnemen, met gegevens die tot ons komen via aardbevingen en laboratoriumexperimenten.
Nu heeft een nieuwe studie onder leiding van Alfred Wilson-Spencer, een onderzoeker in de mineraalfysica aan de Universiteit van Leeds, een nieuwe weg geopend om te begrijpen wat zich daar werkelijk bevindt. En de onverwachte hoofdrolspeler is koolstof.
De kern van de aarde bestaat uit twee delen: een vast intern deel en een vloeibaar extern deel. De grens tussen de twee is het punt waarop materie verandert van vloeibaar naar vast. Als we dus kunnen begrijpen bij welke temperatuur de kern smelt, kunnen we ook begrijpen hoe het is.
Om dit te doen vertrouwen wetenschappers op twee belangrijke instrumenten: meteorieten en seismologie.
Meteorieten vertellen ons over de samenstelling van vroege planeten en suggereren dat de kern ijzer, nikkel en misschien kleine hoeveelheden silicium of zwavel zou moeten bevatten. Maar hun informatie is te algemeen.
Seismologie daarentegen vertelt ons hoe snel seismische golven zich binnen de aarde voortbewegen, en deze snelheden veranderen afhankelijk van het materiaal waar ze doorheen gaan. Dankzij deze gegevens weten we dat de binnenkern minder dicht is dan puur ijzer, en dat de vloeibare kern dichter is dan de vaste kern, wat nogal vreemd is.
Deze waarnemingen vertellen ons dat er meer dan één chemisch element in de kern moet zijn, maar ze zijn niet voldoende om ons te vertellen welke precies.
De ontdekking
Om deze beperkingen te overwinnen, heeft het team uit Leeds het probleem vanuit een nieuw gezichtspunt bekeken: superkoeling. Het is een fenomeen dat optreedt wanneer een vloeistof afkoelt tot onder het vriespunt zonder onmiddellijk vast te worden. Het is hetzelfde principe waarbij flessenwater zelfs bij -5°C vloeibaar kan blijven, maar plotseling kan bevriezen zodra je ermee schudt.
Door dit concept toe te passen op de gesmolten metalen in de kern van de aarde, ontdekten de onderzoekers dat zuiver ijzer moet afkoelen tot minstens 1000 °C onder het smeltpunt om te beginnen te stollen. Maar dit is onmogelijk: als dit inderdaad het geval zou zijn, zou de binnenste kern veel groter zijn dan de seismische gegevens laten zien, of zelfs volledig solide zijn.
Het toevoegen van silicium of zwavel verergert het resultaat: er is nog meer superkoeling nodig.
De doorbraak komt met koolstof: met slechts 2,4% koolstof in de massa van de kern is ongeveer 420°C superkoeling voldoende om het stollen op gang te brengen. En bij 3,8% is slechts 266 °C nodig. Hoge waarden, ja, maar geloofwaardig.
De kern bestaat niet alleen uit ijzer
Deze ontdekking toont voor het eerst aan dat de aanwezigheid van koolstof de vorming van de binnenste kern fysiek mogelijk maakt. En dit vertegenwoordigt een beslissende stap in de richting van een beter begrip van hoe het binnenste van de aarde er werkelijk uitziet.
Maar er is nog een ander aspect waarmee rekening moet worden gehouden: seismische gegevens vertellen ons dat ijzer en koolstof niet voldoende zijn. De kern moet minstens één ander element bevatten om de dichtheid ervan te verklaren. De onderzoekers veronderstellen dat het zuurstof en misschien zelfs silicium is.
We hebben nog steeds geen definitief antwoord, maar dit nieuwe perspectief maakt de cirkel rond mogelijke chemische combinaties kleiner en brengt de wetenschap een stap dichter bij de waarheid over wat zich diep in de aarde bevindt.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
