Het kloppende hart van onze planeet is een mysterie gebleven voor wetenschappers die zoeken naar hoe de aarde is ontstaan en wat er is ontstaan. Maar een recente studie was in staat om de intense druk te reproduceren die in de buurt van het centrum van de aarde kwam, waardoor onderzoekers een glimp konden opvangen van de vroege dagen van onze planeet, en zelfs hoe de kern er nu uit kan zien.
Ze kondigden hun bevindingen aan in een recent nummer van het tijdschrift Science . "Als we erachter komen welke elementen in de kern zitten, kunnen we de omstandigheden waaronder de aarde gevormd is beter begrijpen, wat ons dan zal informeren over de vroege geschiedenis van het zonnestelsel, " zei hoofdonderzoeksauteur Anat Shahar, een geochemist bij het Carnegie Instituut voor Wetenschap. in Washington, DC Het zou onderzoekers ook een kijkje kunnen geven in hoe andere rotsachtige planeten zijn ontstaan, zowel in ons eigen zonnestelsel als daarbuiten.
De aarde vormde ongeveer 4, 6 miljard jaar geleden door talloze botsingen tussen rotsachtige lichamen, variërend in grootte van objecten ter grootte van Mars tot asteroïden. Toen de vroege aarde groeide, namen ook de interne druk en temperatuur toe.
Dit had gevolgen voor de manier waarop ijzer - dat het grootste deel van de kern van de aarde uitmaakt - chemisch in wisselwerking stond met lichtere elementen zoals waterstof, zuurstof en koolstof, aangezien het zwaardere metaal van de mantel scheidde en in het binnenste van de planeet zonk. De mantel is de laag precies onder de aardkorst en de beweging van gesmolten gesteente door dit gebied drijft plaattektoniek aan.
Wetenschappers weten al lang dat veranderende temperaturen de mate kunnen beïnvloeden waarin een versie, of isotoop, van een element zoals ijzer onderdeel wordt van de kern. Dit proces wordt isotoopfractionering genoemd.
Voorheen werd druk echter niet als een kritische variabele beschouwd die van invloed was op dit proces. "In de jaren '60 en '70 werden experimenten uitgevoerd om naar deze drukeffecten te zoeken en er werden er geen gevonden", zegt Shahar, die deel uitmaakt van het Deep Carbon Observatory-programma. "Nu weten we dat de druk waarop ze testten - ongeveer twee gigapascals [GPa] - niet hoog genoeg was."
Een paper van een ander team uit 2009 suggereerde dat druk de elementen zou kunnen hebben beïnvloed die de kern van onze planeet hebben bereikt. Dus besloten Shahar en haar team de effecten ervan opnieuw te onderzoeken, maar met behulp van apparatuur die een druk tot 40 GPa kon bereiken - veel dichter bij de 60 GPa die volgens wetenschappers het gemiddelde was tijdens de vroege kernformatie van de aarde.
In experimenten uitgevoerd bij het Amerikaanse ministerie van Energie Advanced Photon Source, een gebruikersfaciliteit van het Office of Science in het Argonne National Laboratory in Illinois, plaatste het team kleine monsters ijzer gemengd met waterstof, koolstof of zuurstof tussen de punten van twee diamanten. De zijkanten van deze "diamanten aambeeldcel" werden vervolgens samengedrukt om een immense druk te genereren.
Daarna werden de getransformeerde ijzermonsters beschoten met krachtige X-stralen. "We gebruiken de röntgenstralen om de trillingskenmerken van de ijzeren fasen te onderzoeken, " zei Shahar. De verschillende trillingsfrequenties vertelden haar welke versies van ijzer ze in haar monsters had.
Het team ontdekte dat extreme druk de isotopenfractionering beïnvloedt. Het team ontdekte met name dat reacties tussen ijzer en waterstof of koolstof - twee elementen die in de kern aanwezig zijn - een signatuur in mantelrotsen hadden moeten achterlaten. Maar die handtekening is nooit gevonden.
"Daarom denken we niet dat waterstof en koolstof de belangrijkste lichtelementen in de kern zijn, " zei Shahar.
Volgens de experimenten van de groep zou de combinatie van ijzer en zuurstof echter geen spoor hebben achtergelaten in de mantel. Het is dus nog steeds mogelijk dat zuurstof een van de lichtere elementen in de kern van de aarde kan zijn.
De bevindingen ondersteunen de hypothese dat zuurstof en silicium het grootste deel van de lichtelementen vormen die in de aardkern zijn opgelost, zegt Joseph O'Rourke, een geofysicus bij Caltech in Pasadena, Californië, die niet bij de studie was betrokken.
"Zuurstof en silicium zijn enorm overvloedig in de mantel en we weten dat ze oplosbaar zijn in ijzer bij hoge temperatuur en druk, " zegt O'Rourke. "Aangezien zuurstof en silicium in principe de kern binnendringen, is er niet veel ruimte voor andere kandidaten zoals waterstof en koolstof."
Shahar zei dat haar team van plan is om hun experiment met silicium en zwavel, andere mogelijke bestanddelen van de kern, te herhalen. Nu ze hebben aangetoond dat druk de fractionering kan beïnvloeden, is de groep ook van plan om samen naar de effecten van druk en temperatuur te kijken, waarvan ze voorspellen dat het andere resultaten zal opleveren dan beide alleen. “Onze experimenten werden allemaal gedaan met monsters van massief ijzer bij kamertemperatuur. Maar tijdens de kernvorming was alles gesmolten, 'zei Shahar.
De bevindingen van dergelijke experimenten kunnen relevant zijn voor exoplaneten, of planeten buiten ons eigen zonnestelsel, zeggen wetenschappers. "Omdat je voor exoplaneten alleen hun oppervlakken of atmosferen kunt zien, " zei Shahar. Maar hoe beïnvloeden hun interieurs wat er aan de oppervlakte gebeurt, vroeg ze. "Het antwoord op die vragen zal beïnvloeden of er wel of niet leven is op een planeet."
Meer informatie over dit onderzoek en meer op het Deep Carbon Observatory.
Editor's Note, 5 mei 2016: Dit verhaal plaatste oorspronkelijk de locatie van de experimenten in Washington, DC Ze werden uitgevoerd in een laboratorium in Illinois.
