Diep onder de koele buitenkant van de aarde ligt een verborgen wereld van geheimzinnige wezens, schuivende continentale platen, gloeiende metalen en extreme drukverschillen.
En in het hart van dit alles, zo’n 5000 kilometer onder de grond, ligt de binnenkern van ruim 1300 kilometer doorsnee – als een massieve, gloeiende bal van ijzer en nikkel.
Dat dachten de onderzoekers althans.
Maar nu blijkt uit een nieuwe studie, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, dat deze binnenkern misschien niet zo solide is als we ons hadden voorgesteld. Hij zou zich in een zeldzame tussentoestand kunnen bevinden die vast noch vloeibaar is – een zogeheten superionische toestand.
GA MEE OP REIS: Het binnenste van de aarde is een smeltkroes van extremen
De korst vormt de helft van de harde buitenlaag van de aarde, met de continenten en zeebodem. De materialen van de korst zijn anders dan die van de mantel daaronder. In de korst zijn de materialen verrijkt met silicium, uranium en kalium. De korst is dus een mozaïek van mineralen die allerlei geologische processen hebben ondergaan.
Diepte: 0-75 km
Temperatuur: 0-400 °C
De mantel bestrijkt het gebied van het onderste deel van de lithosfeer tot de buitenkern van de aarde, en heeft een vrij uniforme chemische samenstelling. Onder in de mantel is de temperatuur circa 4000 °C, en een deel van de hitte wordt naar boven vervoerd. Bij de overgang naar de korst is de temperatuur ongeveer 500 °C.
Diepte: 75-2900 km
Temperatuur: 500-4000 °C
De buitenkern is vloeibaar en bestaat uit ijzer en elementen die daardoor worden aangetrokken, zoals nikkel. Het aardmagnetisch veld wordt hier opgewekt door de stromen in het vloeibare materiaal. Geologen maken uit seismisch onderzoek op dat de buitenkern vloeibaar is. Dat hij van ijzer is, is gebaseerd op de kennis van de massa van de aarde.
Diepte: 2900-5000 km
Temperatuur: 4000-4500 °C
De binnenkern leek altijd vast te zijn en uit ijzer en nikkel te bestaan, maar nu blijkt uit nieuw onderzoek dat de stoffen in het gloeiend hete en extreme binnenste misschien meer lijken op een toestand die noch vast, noch vloeibaar is, maar iets ertussenin.
Diepte: 5000-6370 km
Temperatuur: 4500-7000 °C
Golven leggen de kern bloot
Onderzoekers gebruiken seismische golven van aardbevingen om te peilen wat er duizenden kilometers diep in de aarde gebeurt.
De golven reizen met verschillende snelheden door verschillende materialen. Onderzoekers gebruiken deze kennis om de chemische samenstelling van de aardlagen te achterhalen.
Eerdere studies met seismische golven hebben herhaaldelijk aangetoond dat rond de kern een speciaal soort golf, schuifgolf genoemd, gemeten kan worden. En dit wijst erop dat hij vast is.
Maar de golven bewegen ook iets te traag voor wat je zou verwachten van een grote, massieve ijzeren bal van meer dan 1000 kilometer doorsnee. Dat duidt erop dat de kern ook zacht zou kunnen zijn.
Hart van de aarde zit vol extremen
In de nieuwe studie simuleerden onderzoekers de omstandigheden rond de kern om tot een andere verklaring te komen dan de ‘hard en zacht-theorie’.
Met behulp van computersimulaties onderzochten ze verder hoe de schuifgolven zich door verschillende combinaties van materialen zouden bewegen onder de extreme druk en temperatuur die 5000 kilometer onder het aardoppervlak heersen.
En hierbij werd duidelijk dat er ook een andere verklaring is die beter past bij de trage seismische golven.
Er heerst een toestand waarin de elementen ijzer, koolstof, waterstof en zuurstof samensmelten en noch vloeibaar, noch vast, noch gasvormig zijn – maar superionisch.
Superionisch water, of ‘black ice’, ontstaat onder extreme druk en temperatuur. Normaal moet de druk op het water zeker 50 gigapascal bedragen. Maar in oktober 2021 slaagden Amerikaanse wetenschappers erin het bijzondere water in zeer korte tijd te maken met een druk van slechts 20 gigapascal. In het laboratorium stelden de wetenschappers watermoleculen bloot aan de enorme druk met behulp van onder meer diamanten en een krachtige laserstraal.
Gigantische laser slaat watermoleculen kapot
De superionische toestand kwam weer in de belangstelling te staan toen wetenschappers er in oktober 2021 in slaagden het mysterieuze superionische ijs na te maken dat zich in de kern van planeten als Uranus en Neptunus kan bevinden – ook black ice genoemd.
Met behulp van een van ’s werelds grootste lasers schoten de onderzoekers een schokgolf heter dan het oppervlak van de zon door één druppel water, waarmee ze de extreme omstandigheden in het centrum van planeten nabootsten.
In het lab registreerden ze heel even hoe de extreme druk en temperaturen elk watermolecuul verbrijzelden, waardoor zuurstofionen in vaste vorm achterbleven en waterstofionen in een meer vloeibare vorm – een gemengde toestand.
Op dezelfde manier kunnen de ijzeratomen in een superionische toestand een vast rooster vormen dat het materiaal bijeenhoudt, terwijl de lichtere elementen, zoals koolstof, waterstof en zuurstof, in een bijna vloeibare toestand door dat rooster heen bewegen.
In planeten als Uranus en Neptunus kan water voorkomen in een zwarte, extreem hete toestand, die elektrisch geleidend en superionisch is.
Onze planeet verbergt de grootste geheimen
Het hart van de aarde blijft een van de grote mysteries van de wetenschap.
Want al geven seismische golven een aanwijzing van wat er duizenden kilometers onder onze voeten ligt, we kunnen er nog niet zeker van zijn – dat kan pas als we daar helemaal heen kunnen boren.
Daarom is deze nieuwe studie vast niet de laatste in de zoektocht naar de waarheid.
In 2019 kwam een internationaal team van geologen met een theorie dat de tragere seismische golven rond de kern veroorzaakt kunnen worden door een gloeiend hete ‘ijzersneeuw’, die uit een vloeibaarder deel van de kern neerdaalt en op het vaste deel terechtkomt.