Seismiske bølger afslører mystisk 'donut' i Jordens kerne

Omkring 2.890 kilometer under vores fødder ligger en gigantisk kugle af flydende metal. Det er vores klodes indre kerne.

Forskerne bruger de seismiske bølger skabt af jordskælv som en slags ultralyd til at 'se' kernens form og struktur.

Ved at bruge en ny måde at studere disse bølger på har min kollega Xiaolong Ma og jeg gjort en overraskende opdagelse: I Jordens indre kerne er der et stort 'donut-formet' område omkring ækvator, som er et par hundrede kilometer tykt, hvor seismiske bølger bevæger sig cirka to procent langsommere end i resten af kernen.

Vi tror, at dette område, som indeholder en højere koncentration af lettere grundstoffer som silicium og oxygen, kan spille en afgørende rolle i de store strømme af flydende metal, der løber gennem kernen, og som genererer Jordens magnetfelt.

Vores resultater blev for nylig offentliggjort i Science Advances.

'Coda-korrelationsbølgefeltet'

De fleste studier af de seismiske bølger skabt af jordskælv ser på de store, indledende bølgefronter, som udbreder sig i løbet af omkring en time efter jordskælvet.

Vi indså, at vi kunne lære noget nyt ved at se på den senere, svagere del af disse bølgefronter, kaldet 'coda', hvilket også er navnet på det afsluttende del af et musikstykke.

Vi så især på, hvor meget de forskellige 'coda'er' registreret ved forskellige seismiske detektorer lignede hinanden, flere timer efter de begyndte.

I matematikken måles disse lighedspunkter ved noget, der kaldes korrelation, og vi kalder derfor lighedspunkterne i de sene dele af jordskælvsbølgerne for 'coda-korrelationsbølgefeltet'.

Ved at se på det såkaldte coda-korrelationsbølgefelt opdagede vi bittesmå signaler, der stammer fra flere tilbagekastende bølger, vi ellers ikke ville kunne se.

Ved at forstå de veje, disse tilbagekastende bølger har taget, og matche dem med signaler i coda-korrelationsbølgefeltet, beregnede vi, hvor lang tid det tog dem at bevæge sig gennem kloden.

Bølger tættere på polerne var hurtigere end bølgerne i nærheden af ækvator

Så sammenlignede vi resultaterne i seismiske detektorer tættere på polerne med resultaterne, vi fik tættere på ækvator.

Overordnet set bevægede bølgerne, der blev opdaget tættere på polerne, sig hurtigere end bølgerne i nærheden af ækvator.

Vi afprøvede mange computermodeller og simuleringer af, hvilke forhold i kernen der kunne skabe disse resultater.

Til sidst fandt vi, at der må være en 'torus' - et 'donut-formet' område - i den ydre kerne omkring ækvator, hvor bølgerne bevæger sig langsommere.

Det er første gang, seismologer har opdaget dette område, og ved at bruge coda-korrelationsbølgefeltet kan vi 'se' den ydre kerne mere detaljeret og mere jævnt.

Tidligere studier konkluderer, at bølgerne bevægede sig langsommere omkring hele 'loftet' af den ydre kerne.

I vores nye studie viser vi dog, at det kun er i området omkring ækvator, at det går langsommere.

Den ydre kerne og en vigtig temperaturforskel

Jordens ydre kerne har en radius på cirka 3.480 kilometer, så den er lidt større end planeten Mars. Den består hovedsageligt af jern og nikkel samt lettere grundstoffer som silicium, oxygen, svovl, brint og kulstof.

Der er varmere i bunden af den ydre kerne end i toppen, og temperaturforskellen får det flydende metal til at bevæge sig som vand i en gryde, der koger på komfuret.

Denne proces kaldes termisk konvektion, og vi mener, at den konstante bevægelse betyder, at alt materialet i den ydre kerne er ganske godt blandet og ensartet.

Højere koncentration af lette grundstoffer

Men hvis der er det samme materiale alle steder i den ydre kerne, bør seismiske bølger også bevæge sig med omtrent samme hastighed overalt. Så hvorfor er disse bølger langsommere i det 'donut-formede' område, vi fandt?

Vi mener, at der må være en højere koncentration af lette grundstoffer i dette område, som bliver frigivet fra Jordens faste indre kerne til den ydre kerne, hvor deres opdrift skaber mere konvektion (bevægelse i væsker eller gasser normalvist fremkaldt af en temperaturforskel, red.).

Hvorfor hober en større koncentration af de lettere grundstoffer sig op i 'donut-området' omkring ækvator?

Forskerne mener, at det kan forklares med, at mere varme bliver overført fra den ydre kerne til den overliggende kappe, som primært består af faste bjergarter.

Endnu en planetarisk proces er på spil

Endnu en planetarisk proces er på spil i den ydre kerne. Jordens rotation og den lille faste indre kerne får væsken i den ydre kerne til at organisere sig i lange lodrette hvirvler, der løber i nord-syd retning, som gigantiske skypumper.

Den turbulente bevægelse af flydende metal i disse hvirvler danner den 'geodynamo', som er ansvarlig for at skabe og opretholde Jordens magnetfelt. Dette magnetiske felt, som beskytter kloden mod skadelig solvind og stråling, muliggør liv på overfladen.

Et mere detaljeret indblik i sammensætningen af den ydre kerne - heriblandt den nyfundne 'donut' af lettere grundstoffer - vil hjælpe os med bedre at forstå Jordens magnetfelt.

Især hvordan feltets ændring i intensitet og retning over tid er afgørende for livet på Jorden og andre planeters og exoplaneters potentielle beboelighed.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.