Ny teori forklarer hvorfor jordens kjerne ikke smelter

Geologer anslår at jordens kjerne er en sveltende 5,700 K (5,427som beskrevet i læreboken Essentials of Oceanography av Tom Garrison, 9,800°F), setter den omtrent på nivå med overflaten til solen – og likevel er den indre kjernen en solid jernkule. Hvorfor det ikke blir flytende er litt av et mysterium, men nå fremsetter en studie fra KTH Royal Institute of Technology en ny teori, simulerer hvordan fast jern kan forbli atomisk stabilt under slike ekstreme forhold.

Her på jordens overflate, jernatomer ordner seg i terninger, i det som er kjent som en kroppssentrert kubikk (BCC) fase. Siden denne tilstanden er et produkt av romtemperatur og normalt trykk, forskere har lenge trodd at jern ikke kunne eksistere i denne formen i steketemperaturer og intenst trykk i planetens sentrum. Under de forholdene, krystallarkitekturen til jern var forventet å ta form av en sekskant, i en tilstand som kalles den sekskantede tettpakket (HCP) fase.

Bruker den svenske superdatamaskinen Triolith, den nye studien fra KTH knuste større mengder data enn tidligere analysert. Dataene indikerte at kjernen sannsynligvis var sammensatt av 96 prosent rent jern, med de resterende fire prosentene består av nikkel og noen lette elementer. Men viktigst av alt, studien fant at BCC-jern faktisk kan eksistere i kjernen, med sin krystallstruktur som forblir stabil takket være de egenskapene som tidligere ble antatt å destabilisere den.

“Under forhold i jordens kjerne, BCC-jern viser et mønster av atomdiffusjon som aldri tidligere er observert,” sier Anatoly Belonoshko, en av studiens forfattere. “Det ser ut til at de eksperimentelle dataene som bekrefter stabiliteten til BCC-jern i kjernen var foran oss – vi visste bare ikke hva det egentlig betydde.”

Krystallstrukturene kan tenkes å være delt inn i “fly” av atomer – altså, todimensjonale lag av atomer. Så, jernatomer i en kubisk fase er ordnet i to plan med fire atomer, utgjør de åtte hjørnene av en kube. Disse strukturene er normalt ganske ustabile, med fly som glir ut av form, men ved ekstreme temperaturer, lagene som glir av, settes inn i blandingen igjen, oppstår pålitelig nok til at det stabiliserer strukturen.

Denne diffusjonen ødelegger normalt krystallstrukturen ved å gjøre den flytende, men i dette tilfellet, jernet klarer å bevare sin BCC-struktur. Forskerne sammenligner flyene med kort i en kortstokk.

“Skyvningen av disse flyene er litt som å stokke en kortstokk,” sier Belonoshko. “Selv om kortene er satt i forskjellige posisjoner, dekket er fortsatt et dekk. like måte, BCC-jernet beholder sin kubiske struktur. BCC-fasen går etter mottoet: 'Det som ikke dreper meg gjør meg sterkere.’ Ustabiliteten dreper BCC-fasen ved lav temperatur, men gjør BCC-fasen stabil ved høy temperatur.”

Dette funnet bidrar også til å forklare et annet mysterium i den indre jorda: hvorfor reiser seismiske bølger raskere pol-til-pol enn øst-til-vest, gjennom kjernen? Dette fenomenet har blitt forklart med at kjernen er anisotropisk, betyr at den har en retningsbestemt tekstur som trefibrene. Hvis den teksturen går nord-sør, den forskjellen kan forventes, og det stabile BCC-fasejernet kan skape denne teksturen.

“De unike egenskapene til Fe BCC-fasen, som høytemperatur selvdiffusjon selv i et rent solid jern, kan være ansvarlig for dannelsen av storskala anisotrope strukturer som trengs for å forklare jordens indre kjerneanisotropi,” sier Belonoshko. “Diffusjonen tillater enkel teksturering av jern som svar på stress.”

Kilde: Og mens prototypen ble laget fra en form via en laserbearbeidingsprosess, samt undersøke andre søknader om det