Huruvida en planet har ett magnetfält eller inte räcker långt för att avgöra om den är beboelig eller inte. Medan jorden har en stark magnetosfär som skyddar liv från skadlig strålning och hindrar solvinden från att ta bort dess atmosfär, gör planeten som Mars inte längre. Därför gick det från att vara en värld med en tjockare atmosfär och flytande vatten på sin yta till den kalla, uttorkade plats den är idag.
Av denna anledning har forskare länge försökt förstå vad som driver jordens magnetfält. Fram till nu har konsensus varit att det var dynamoeffekten som skapades av jordens flytande yttre kärna som snurrade i motsatt riktning av jordens rotation. Men ny forskning från Tokyo Institute of Technology antyder att det faktiskt kan bero på närvaron av kristallisation i jordens kärna.
Forskningen utfördes av forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Tech. Enligt deras studie - med titeln ' Kristallisering av kiseldioxid och sammansättningsutveckling av jordens kärna ', som nyligen dök upp iNatur– energin som driver jordens magnetfält kan ha mer att göra med den kemiska sammansättningen av jordens kärna.
Med hjälp av ett diamantstäd och en laser utsatte forskare vid Tokyo Tech kisel- och syreprover för förhållanden som liknar jordens kärna. Kredit: Sang-Heon Shim/Arizona State University
Av särskild oro för forskargruppen var hur snabbt jordens kärna svalnar under geologisk tid – vilket har varit föremål för debatt under en tid. Och för Dr Kei Hirose – chef för Earth-Life Science Institute och huvudförfattare på tidningen – har det varit något av en livslång strävan. I en studie från 2013 , delade han forskningsrön som indikerade hur jordens kärna kan ha svalnat betydligt mer än man tidigare trott.
Han och hans team drog slutsatsen att sedan jordens bildande (4,5 miljarder år sedan) kan kärnan ha svalnat med så mycket som 1 000 °C (1 832 °F). Dessa fynd var ganska överraskande för geovetenskapssamfundet - vilket ledde till vad en forskare kallade ' Ny Core Heat Paradox '. Kort sagt skulle denna hastighet av kärnkylning innebära att någon annan energikälla skulle behövas för att upprätthålla jordens geomagnetiska fält.
Ovanpå detta, och relaterade till frågan om kärnkylning, fanns några olösta frågor om kärnans kemiska sammansättning. Som Dr Kei Hirose sa i en Tokyo Tech pressmeddelande :
'Kärnan är mestadels järn och en del nickel, men innehåller också cirka 10% lätta legeringar som kisel, syre, svavel, kol, väte och andra föreningar. Vi tror att många legeringar är närvarande samtidigt, men vi vet inte hur stor andel av varje kandidatelement.'
Magnetfältet och elektriska strömmar i och runt jorden genererar komplexa krafter som har en omätbar inverkan på vardagen. Kredit: ESA/ATG medialab
För att lösa detta genomförde Hirose och hans kollegor vid ELSI en serie experiment där olika legeringar utsattes för värme- och tryckförhållanden liknande dem i jordens inre. Detta bestod av att använda ett diamantstäd för att klämma ihop dammstora legeringsprover för att simulera högtrycksförhållanden, och sedan värma dem med en laserstråle tills de nådde extrema temperaturer.
Tidigare har forskningen om järnlegeringar i kärnan främst fokuserat på antingen järn-kisellegeringar eller järnoxid vid höga tryck. Men för sina experiments skull beslutade Hirose och hans kollegor att fokusera på kombinationen av kisel och syre – som man tror finns i den yttre kärnan – och att undersöka resultaten med ett elektronmikroskop.
Vad forskarna fann var att under förhållanden med extremt tryck och värme kombinerades prover av kisel och syre för att bilda kiseldioxidkristaller - som i sammansättning liknade mineralkvarts som finns i jordskorpan. Ergo visade studien att kristalliseringen av kiseldioxid i den yttre kärnan skulle ha släppt ut tillräckligt med flytkraft för att driva kärnkonvektion och en dynamoeffekt från så tidigt som under Hades eon och framåt.
Som John Hernlund, också medlem i ELSI och medförfattare till studien, förklarade:
'Detta resultat visade sig vara viktigt för att förstå kärnans energi och utveckling. Vi var glada eftersom våra beräkningar visade att kristallisering av kiseldioxidkristaller från kärnan kunde ge en enorm ny energikälla för att driva jordens magnetfält.'
Tvärsnitt av Mars som avslöjar dess inre kärna. Mars måste en dag ha haft ett sådant fält, men energikällan som drev det har sedan dess stängts av. Kredit: NASA/JPL/GSFC
Denna studie ger inte bara bevis för att hjälpa till att lösa den så kallade 'nya kärnvärmeparadoxen', den kan också bidra till att förbättra vår förståelse av hur förhållandena var under bildandet av jorden och det tidiga solsystemet. I grund och botten, om kisel och syre bildar kristall av kiseldioxid i den yttre kärnan med tiden, kommer förr eller senare processen att sluta när kärnan tar slut ur dessa element.
När det händer kan vi förvänta oss att jordens magnetfält kommer att lida, vilket kommer att få drastiska konsekvenser för livet på jorden. Det hjälper också till att sätta begränsningar för koncentrationerna av kisel och syre som fanns i kärnan när jorden först bildades, vilket kan gå långt för att informera våra teorier om solsystemets bildning.
Dessutom kan den här forskningen hjälpa geofysiker att avgöra hur och när andra planeter (som Mars, Venus och Merkurius) fortfarande hade magnetfält (och möjligen leda till idéer om hur de skulle kunna aktiveras igen). Det kan till och med hjälpa exoplanetjaktande vetenskapsteam att avgöra vilka exoplaneter som har magnetosfärer, vilket skulle tillåta oss att ta reda på vilka extrasolära världar som kan vara beboeliga.
Vidare läsning: Tokyo Tech News , Natur .
