Maan magneettikenttä suojaa ja tekee planeetastamme asumiskelpoisen estämällä avaruudesta, myös Auringosta, tulevia haitallisia suurienergisiä hiukkasia. Tämän magneettikentän lähde on planeettamme keskusydin.
Ytimen tutkiminen on kuitenkin hyvin vaikeaa, osittain siksi, että se alkaa noin 2900 kilometrin syvyydestä, mikä tekee siitä liian syvän, jotta sitä voitaisiin tutkia suoraan.
Silti olemme osa tutkimusryhmää, joka on löytänyt keinon saada tietoa maapallon ytimestä, ja yksityiskohdat julkaistiin hiljattain aikakauslehdessä Geokemiallinen näkökulma Letters .
Siellä on kuuma
Ydin on planeettamme kuumin osa, ja sen ulkopuolella lämpötila on yli 5 000 ℃. Tämän on vaikutettava sen yläpuolella olevaan vaippaan, ja on arvioitu, että 50 prosenttia tulivuorten lämmöstä on peräisin ytimestä.
Maapallon kerrokset ulkokuoresta sisimpään ytimeen. Kuva: Shutterstock / VRVector. Tulivuoritoiminta on planeetan pääasiallinen jäähdytysmekanismi. Jotkin tulivuoret, kuten Havaijin ja Islannin yhä muodostuvat tulivuorisaaret, saattavat olla yhteydessä ytimeen vaippapilvien kautta, jotka siirtävät lämpöä ytimestä maan pinnalle.
Siitä, tapahtuuko ytimen ja vaipan välillä fyysisen aineen vaihtoa, on kuitenkin kiistelty vuosikymmeniä.
Löydöksemme viittaavat siihen, että osa ytimen materiaalista siirtyy näiden vaippapilvien pohjalle, ja ydin on vuotanut tätä materiaalia viimeisten 2,5 miljardin vuoden aikana.
Löysimme tämän tarkastelemalla hyvin pieniä vaihteluita volframin isotooppien suhteissa (isotoopit ovat periaatteessa saman alkuaineen versioita, joissa on vain eri määrä neutroneja).
Maan ytimen tutkimiseksi meidän on etsittävä syvältä vaipasta peräisin olevista vulkaanisista kivistä ytimen kemiallisia merkkiaineita.
Tiedämme, että ytimen kemia on hyvin omaleimainen, ja sitä hallitsevat rauta ja nikkeli sekä sellaiset alkuaineet kuin volframi, platina ja kulta, jotka liukenevat rauta-nikkeliseokseen. Siksi seoksia rakastavat alkuaineet ovat hyvä valinta ytimen jälkien tutkimiseen.
Volframin isotooppien etsintä
Volframilla (kemiallinen merkki W) on peruselementtinä 74 protonia. Volframilla on useita isotooppeja, kuten 182W (108 neutronia) ja 184W (110 neutronia).
Nämä volframi-isotoopit voivat olla ydinaineesta saatavien merkkiaineiden vakuuttavimpia merkkiaineita, koska vaipassa odotetaan olevan paljon korkeampi 182W/184W-suhde kuin ytimessä.
Tämä johtuu toisesta alkuaineesta, hafniumista (Hf), joka ei liukene rauta-nikkeliseokseen ja joka on rikastunut vaipassa, ja jolla oli nyt hävinnyt isotooppi (182Hf), joka hajosi 182W:ksi. Tämä antaa vaipalle 182W:n ylimääräisen määrän suhteessa ytimen volframiin.
Volframin isotooppien vaihteluiden havaitsemiseksi tarvittava analyysi on kuitenkin uskomattoman haastava, sillä tarkastelemme 182W/184W-suhteen vaihtelua miljoonasosina, ja volframin pitoisuus kivissä on vain kymmeniä miljoonasosia. Alle viisi laboratoriota maailmassa pystyy tekemään tällaisia analyysejä.
Todisteet vuodosta
Tutkimuksemme osoittaa, että vaipan 182W/184W-suhde on muuttunut merkittävästi maapallon elinkaaren aikana. Maapallon vanhimmissa kivissä on huomattavasti korkeampi 182W/184W-suhde kuin useimmissa maapallon nykyisissä kivissä.
Muutos 182W/184W:n vaippasuhteessa viittaa siihen, että ytimestä on pitkään vuotanut volframia vaippaan.
Mielenkiintoista on, että maapallon vanhimmissa vulkaanisissa kivissä ei ole 1,8 miljardin vuoden aikana tapahtunut merkittäviä muutoksia vaipan volframin isotoopeissa, mikä osoittaa, että 4,3 miljardin ja 2,7 miljardin vuoden välisenä aikana ylempään vaippaan siirtyi vain vähän tai ei lainkaan ainetta ytimestä.
Seuraavien 2,5 miljardin vuoden aikana vaipan volframin isotooppikoostumus kuitenkin muuttui merkittävästi. Päättelemme, että levytektoniikan muutos arkeeisen eonin lopussa noin 2,6 miljardia vuotta sitten käynnisti vaipassa suuria konvektiivisia virtauksia, jotka riittivät muuttamaan kaikkien nykyisten kivien volframin isotoopit.
Miksi vuoto?
Jos vaippapilvet nousevat ytimen ja vaipan rajalta maanpinnalle, siitä seuraa, että maan pinnalta peräisin olevan aineksen on myös laskeuduttava syvälle vaippaan.
Subduktio, jota kutsutaan maan pinnalta vaippaan laskeutuvista kivistä, kuljettaa happirikasta ainesta pinnalta syvään vaippaan ja on olennainen osa laattatektoniikkaa.
Kokeet osoittavat, että happipitoisuuden kasvu ytimen ja vaipan rajalla voi aiheuttaa volframin irtoamisen ytimestä ja vaipasta.
Vaihtoehtoisesti sisäytimen jähmettyminen lisäisi myös ulkoytimen happipitoisuutta. Tässä tapauksessa uudet tuloksemme voisivat kertoa meille jotain ytimen kehityksestä, mukaan lukien Maan magneettikentän synty. 
Kuva, jossa näkyy erot volframin isotooppisuhteissa maan ytimen ja vaipan välillä ja miten maan ydin saattaa vuotaa ainetta vaippaan. Luotto: Neil Bennett.
Maapallon ydin oli aluksi täysin nestemäistä metallia, ja se on ajan myötä jäähtynyt ja osittain jähmettynyt. Magneettikenttä syntyy kiinteän ytimen sisäosan pyörimisestä. Sisäosan kiteytymisajankohta on yksi vaikeimmista kysymyksistä, joihin on vaikea vastata maapallo- ja planeettatieteissä.
Tutkimuksemme avulla saamme jäljittimen, jota voidaan käyttää ytimen ja vaipan vuorovaikutuksen ja planeettamme muuttuvan sisäisen dynamiikan tutkimiseen ja joka voi lisätä ymmärrystämme siitä, miten ja milloin magneettikenttä laukesi.
Tämä artikkeli on käännetty The Conversationista Creative Commons -lisenssillä. Lue alkuperäinen artikkeli.
