Of een planeet al dan niet een magnetisch veld heeft, gaat een lange weg om te bepalen of het al dan niet bewoonbaar is. Terwijl de aarde een sterke magnetosfeer heeft die het leven beschermt tegen schadelijke straling en voorkomt dat zonnewind zijn atmosfeer wegtrekt, doen planeten zoals Mars dat niet meer. Daarom ging het van een wereld met een dikkere atmosfeer en vloeibaar water op het oppervlak naar de koude, uitgedroogde plaats die het nu is.
Om deze reden hebben wetenschappers lang geprobeerd te begrijpen wat het magnetische veld van de aarde aandrijft. Tot nu toe was men het erover eens dat dit het dynamo-effect was dat werd gecreëerd doordat de vloeibare buitenste kern van de aarde in de tegenovergestelde richting van de rotatie van de aarde ronddraait. Nieuw onderzoek van het Tokyo Institute of Technology suggereert echter dat dit mogelijk te wijten is aan de aanwezigheid van kristallisatie in de kern van de aarde.
Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van het Earth-Life Science Institute (ELSI) van Tokyo Tech. Volgens hun studie - getiteld "Kristallisatie van siliciumdioxide en compositie-evolutie van de aardkern", die onlangs verscheen in Natuur - de energie die het magnetische veld van de aarde aandrijft, heeft mogelijk meer te maken met de chemische samenstelling van de aardkern.
Van bijzonder belang voor het onderzoeksteam was de snelheid waarmee de kern van de aarde afkoelt gedurende de geologische tijd - waarover al geruime tijd is gedebatteerd. En voor Dr. Kei Hirose - de directeur van het Earth-Life Science Institute en hoofdauteur op papier - was het een levenslange bezigheid. In een onderzoek uit 2013 deelde hij onderzoeksresultaten die erop wezen dat de kern van de aarde mogelijk aanzienlijk is afgekoeld dan eerder werd gedacht.
Hij en zijn team concludeerden dat sinds de vorming van de aarde (4,5 miljard jaar geleden) de kern mogelijk is gekoeld met wel 1000 ° C (1.832 ° F). Deze bevindingen waren nogal verrassend voor de gemeenschap van de aardwetenschappen - wat leidde tot wat een wetenschapper de "New Core Heat Paradox" noemde. Kortom, deze snelheid van kernkoeling zou betekenen dat er een andere energiebron nodig zou zijn om het aardmagnetische veld in stand te houden.
Bovendien, en met betrekking tot de kernkoeling, waren er enkele onopgeloste vragen over de chemische samenstelling van de kern. Zoals Dr. Kei Hirose zei in een Tokyo Tech persbericht:
“De kern is meestal ijzer en wat nikkel, maar bevat ook ongeveer 10% lichte legeringen zoals silicium, zuurstof, zwavel, koolstof, waterstof en andere verbindingen. We denken dat er veel legeringen tegelijk aanwezig zijn, maar we weten niet het aandeel van elk kandidaat-element. "
Om dit op te lossen voerden Hirose en zijn collega's bij ELSI een reeks experimenten uit waarbij verschillende legeringen werden blootgesteld aan hitte- en drukomstandigheden die vergelijkbaar waren met die in het binnenste van de aarde. Dit bestond uit het gebruik van een diamanten aambeeld om stofdichte legeringsmonsters uit te persen om hogedrukomstandigheden te simuleren, en deze vervolgens met een laserstraal te verwarmen tot ze extreme temperaturen bereikten.
In het verleden was het onderzoek naar ijzerlegeringen in de kern voornamelijk gericht op ijzer-siliciumlegeringen of ijzeroxide onder hoge druk. Maar omwille van hun experimenten besloten Hirose en zijn collega's zich te concentreren op de combinatie van silicium en zuurstof - waarvan wordt aangenomen dat ze in de buitenste kern voorkomen - en het onderzoeken van de resultaten met een elektronenmicroscoop.
Wat de onderzoekers ontdekten, was dat onder omstandigheden van extreme druk en hitte monsters van silicium en zuurstof gecombineerd werden tot siliciumdioxidekristallen - die qua samenstelling vergelijkbaar waren met mineraal kwarts in de aardkorst. Ergo, de studie toonde aan dat de kristallisatie van siliciumdioxide in de buitenste kern voldoende drijfvermogen zou hebben vrijgegeven om de kernconvectie en een dynamo-effect vanaf de vroege Hadean-eon voort te zetten.
John Hernlund, ook lid van ELSI en co-auteur van de studie, legde uit:
“Dit resultaat bleek belangrijk voor het begrijpen van de energetica en evolutie van de kern. We waren opgewonden omdat uit onze berekeningen bleek dat kristallisatie van siliciumdioxidekristallen uit de kern een immense nieuwe energiebron zou kunnen leveren voor het aandrijven van het aardmagnetische veld. "
Deze studie levert niet alleen bewijs om de zogenaamde "New Core Heat Paradox" op te lossen, het kan ook helpen ons begrip te vergroten van hoe de omstandigheden waren tijdens de vorming van de aarde en het vroege zonnestelsel. Kortom, als silicium en zuurstof in de loop van de tijd kristal van siliciumdioxide vormen in de buitenkern, dan zal het proces vroeg of laat stoppen als de kern zonder deze elementen komt te zitten.
Wanneer dat gebeurt, kunnen we verwachten dat het magnetische veld van de aarde zal lijden, wat ingrijpende gevolgen zal hebben voor het leven op aarde. Het helpt ook om beperkingen op te leggen aan de concentraties van silicium en zuurstof die in de kern aanwezig waren toen de aarde zich voor het eerst vormde, wat een grote bijdrage zou kunnen leveren aan het informeren van onze theorieën over de vorming van ons zonnestelsel.
Bovendien kan dit onderzoek geofysici helpen bepalen hoe en wanneer andere planeten (zoals Mars, Venus en Mercurius) nog magnetische velden hadden (en mogelijk tot ideeën leiden over hoe ze weer kunnen worden ingeschakeld). Het zou zelfs kunnen helpen om wetenschapsteams die op exoplaneten jagen, te bepalen welke exoplaneten magnetosferen hebben, waardoor we zouden kunnen achterhalen welke buitenzonne-werelden bewoonbaar zouden kunnen zijn.
