onder het aardoppervlak strekt zich een onmetelijk en onbereikbaar gebied uit. het was lang goed voor fantastische verhalen, wilde speculaties en onhaalbare plannen om erin af te dalen. door seismologisch, geodynamisch en experimenteel onderzoek hebben we inmiddels een wat realistischere kijk op de wereld onder onze voeten gekregen. een wetenschappelijke excursie naar het binnenste van de aarde.
Naar de kern van de aarde
De ware aard van het diepe inwendige van de aarde heeft zich traag prijsgegeven
De ware aard van het diepe inwendige van de aarde heeft zich echter traag prijsgegeven; pas in de loop van de twintigste eeuw is een duidelijk beeld van de inwendige opbouw van de aarde totstandgekomen. Als grote structuren in de aarde onderscheiden we de kern in de centrale lagen, de dunne korst aan het oppervlak, en daartussen de mantel. Hoe heeft de aarde die inwendige structuur gekregen, en hoe is ze geëvolueerd? In een recent artikel beschrijft de Canadese geofysicus Bruce Buffett lacunes in onze kennis van de evolutie van de kern van de aarde. De onzekerheid over de temperatuur van de kern speelt hierin een hoofdrol. Vooraleer daar dieper op in te gaan, is het nodig de structuur van de kern meer in detail te kennen.
Maar hoe kunnen we doordringen in het diepe aardinwendige? Een put graven tot aan de kern lijkt onmogelijk. Het diepste gat dat in de aardkorst geboord is, op het schiereiland Kola in Rusland, gaat niet dieper dan ongeveer twaalf kilometer, of één vijfhonderdste van de afstand tot het centrum. Alternatieve boormethoden zijn nodig om gevoelig dieper te gaan. Recent werd door de Nieuw-Zeelandse planetoloog David Stevenson voorgesteld een barst in het aardoppervlak te maken en hierin duizenden tonnen vloeibaar ijzer te gieten. Deze hete ijzermassa zou op een week tijd naar de kern van de aarde kunnen zinken. Dat dit idee, dat geïnspireerd is op The China Syndrome, een film uit 1970 over het smelten van een kernreactor, ook uitgevoerd kan worden, is verre van zeker.
Gegevens over de kern van de aarde kunnen voorlopig niet anders dan indirect bekomen worden. De vorm en vooral vormveranderingen van de aarde hebben hierin steeds een belangrijke rol gespeeld. De vorm van de aarde wijkt lichtjes af van een perfecte bolvorm en is in zeer goede benadering een afgeplatte bol, een ellipsoïde, met een diameter van pool tot pool die ongeveer een marathon korter is dan de diameter van de evenaar. Dit verschil, veroorzaakt door de rotatie van de aarde, mag groot lijken, vergeleken met de gemiddelde diameter van de aarde van 12 742 kilometer bedraagt het maar een kleine fractie, ongeveer 1 op 300 — een voetbal met een diameter van dertig centimeter zou je slechts één millimeter moeten induwen om een zelfde vorm als de aarde te bekomen. Uit ondervinding weten we dat niet zoveel kracht nodig is om een bal één millimeter in te duwen. Dit leert ons iets over wat zich in de voetbal bevindt: vervang de lucht in de voetbal door bijvoorbeeld beton, en het indrukken van de bal zal heel wat moeizamer verlopen. Zo ook bevatten kleine, maar meetbare, veranderingen die kunnen optreden in de vorm en de gravitatiekracht van de aarde als gevolg van aardbevingen en getijden, belangrijke aanwijzingen over de kern van de aarde.
Het inwendige van de aarde is erg heet. Onder andere vulkaanuitbarstingen en de observatie dat de temperatuur stijgt als men afdaalt in bijvoorbeeld mijnschachten, zijn hiervoor duidelijke indicaties. Indien die gemeten temperatuurstijging zou blijven aanhouden voor diepere lagen, zou de temperatuur bij ongeveer honderd kilometer diepte hoger liggen dan de smelttemperatuur van de bekende gesteenten en metalen. Dit lijkt te impliceren dat alleen een dunne korst in vaste toestand kan zijn, wat in het begin van de negentiende eeuw door de meeste geologen voor waar werd aangenomen. Alhoewel zo’n model van de aarde een vruchtbaar kader vormde voor meerdere geologische interpretaties, werd er door critici onder andere op gewezen dat wegens de grotere druk in diepere lagen de materie daar toch in vaste toestand zou kunnen zijn.
Tijdens de laatste decennia van de negentiende eeuw werd de idee van een volledig vaste aarde zelfs de gangbare opinie, vooral onder impuls van Lord Kelvin. Getijden, die de vorm van de aarde periodiek doen veranderen, vormden het cruciale argument. De gravitationele aantrekkingskracht van de maan en de zon, die getijden veroorzaken, zouden ook bewegingen in het vloeibare aardinwendige opwekken die de dunne korst waarschijnlijk zouden breken, of anders zouden leiden tot andere oceaangetijden dan de geobserveerde. Bijgevolg moet het aardinwendige in vaste toestand zijn, zo besloot Kelvin.
De uiteindelijke ontrafeling van de inwendige structuur van de aarde is er gekomen met de opkomst van de seismologie
De uiteindelijke ontrafeling van de inwendige structuur van de aarde is er gekomen met de opkomst van de seismologie, de studie van de trillingen van de aarde (aardbevingen). Op 18 april 1889 werden voor het eerst seismische golven waargenomen die zich door het diepe aardinwendige hadden voortgeplant. Een bekende eigenschap van golven is dat hun voortplantingsrichting verandert wanneer ze onder een schuine hoek in een midden komen waar hun voortplantingssnelheid anders is. Een voorbeeld hiervan voor lichtgolven is de ogenschijnlijke buiging van een lepel die in een glas water staat. In 1906 concludeerde de Ierse geoloog Richard Dixon Oldham uit zijn analyse van de toen beschikbare seismische data dat ongeveer halfweg tussen oppervlak en centrum van de aarde een gebied begint waar de voortplantingssnelheid van seismische golven lager is dan in de mantel. Karakteristiek voor de aanwezigheid van de kern is dat, door afbuiging van seismische golven aan de grens tussen mantel en kern, er op grote afstand van een aardbevingscentrum een zone is waar geen seismische golven aankomen (the shadow zone). Om te verklaren waarom er evenwel toch golven werden waargenomen in de schaduwzone, postuleerde de Deense seismologe Inge Lehmann in 1936 het bestaan van een centraal gebied in de kern, een binnenkern, waar de voortplantingssnelheid van seismische golven hoger is dan in de buitenkern.
De kern van de aarde, met een straal van 3 480 kilometer, bestaat hoofdzakelijk uit ijzer, in tegenstelling tot de mantel die uit gesteenten bestaat. Hiervoor bestaan meerdere aanwijzingen. De gemiddelde dichtheid van de aarde is ongeveer twee keer groter dan de dichtheid van de bekende gesteenten, dus moet er een compenserend gebied, de kern, met veel grotere dichtheid zijn. IJzer is het enige zware element dat in voldoende hoeveelheid voorkomt in het zonnestelsel, en meteorieten, die overblijfsels zijn van het materiaal waaruit de aardse planeten gevormd zijn, bevatten meestal veel ijzer. IJzer is ook compatibel met het gedrag van de seismische golven in de kern. Vanaf het begin van de ontdekking van de kern waren er sterke seismologische aanwijzingen dat de ijzerkern vloeibaar is, maar het duurde tot 1926 vooraleer het volledig vaste model voor de aarde definitief verlaten werd, toen ook getijdenstudies, van de hand van de Britse geofysicus Harold Jeffreys, hierop wezen. Niet lang na de ontdekking van de binnenkern in 1936 werd gesuggereerd dat de grens tussen binnen- en buitenkern een overgang markeerde van vloeibare naar vaste toestand. De opbouw van de kern met een vloeibaar ijzermengsel in de buitenkern en een binnenkern die voornamelijk uit ijzer in vaste, kristallijnen toestand bestaat, werd slechts algemeen aanvaard vanaf ongeveer 1970.
Alhoewel de kern van de aarde zich ongeveer 2 900 kilometer onder ons bevindt, strekt zijn invloed zich uit tot aan het oppervlak en verder. De vloeibare kern genereert een magnetisch veld dat het leven op aarde beschermt tegen de gevaarlijke zonnewind (elektrisch geladen deeltjes die van de zon komen), en de hoeveelheid warmte die de kern transporteert naar de mantel kan de dynamica van de mantel beïnvloeden en bijgevolg ook de platentektoniek, aardbevingen, en vulkanisme. De mate waarin dat gebeurt hangt af van de temperatuur van de kern.
De temperatuur op de grens tussen binnen- en buitenkern is een ijkpunt voor de bepaling van de temperaturen in de kern van de aarde. De temperatuur is er namelijk gelijk aan de smelttemperatuur van het ijzermengsel in de kern, en kan in principe experimenteel bepaald worden. De hoge kerntemperaturen en -drukken, ruim drie miljoen keer de atmosfeerdruk op de rand van de binnenkern, tracht men in laboratoria te bereiken met schokgolven of een combinatie van samendrukking in een diamantpers en verhitting door laserstralen. Wegens de extreme moeilijkheid om betrouwbare metingen bij deze hoge drukken uit te voeren, werden erg uiteenlopende resultaten bekomen voor de smelttemperatuur van ijzer. De laatste jaren is er een consensus bereikt over een hoge smelttemperatuur van ijzer aan de rand van de binnenkern. Deze waarde tussen ongeveer 5 000 en 6 500 °C is bovendien in overeenstemming met de waarde die eveneens recent voor het eerst theoretisch verkregen werd. Het enige probleem van deze hoge smelttemperatuur is dat ze de gangbare ideeën over de evolutie van de kern niet ondersteunt.
De aarde is ongeveer 455 miljard jaar geleden in het prille begin van het zonnestelsel ontstaan toen planetesimalen, reusachtige rotsblokken met afmetingen van enkele kilometers, botsten en samenklonterden. De energie die vrijkwam bij die inslagen, deed de temperatuur erg oplopen zodat mogelijk de ganse planeet vloeibaar werd. IJzer, dat een grote dichtheid heeft, zonk vervolgens naar de centrale lagen van de aarde en vormde een volledig vloeibare ijzerkern. Enkele lichtere elementen die goed verbindingen aangaan met ijzer, konden zo ook in de kern terechtkomen. Ongeveer tien procent van de massa van de kern van de aarde bestaat uit lichtere elementen zoals zuurstof, zwavel, en silicium.
De vaste binnenkern groeit met een snelheid van ongeveer één millimeter per jaar
In de loop van de tijd koelde de initieel hete planeet af, en ging het ijzermengsel in de kern stollen, te beginnen in het centrum. De vaste binnenkern heeft momenteel een straal van ongeveer 1 220 kilometer en groeit met een snelheid van ongeveer één millimeter per jaar. De groeisnelheid en de temperatuurdaling in de kern hangen af van de hoeveelheid warmte die de kern verliest aan de mantel. Dit warmteverlies is groter naarmate het temperatuurverschil tussen kern en mantel groter is. De huidige hoge schattingen van de temperatuur van de kern suggereren dan ook dat de kern snel warmte zou verliezen. De vaste binnenkern zou dan ook snel groeien, en terugrekenend in de tijd, kan geschat worden dat de binnenkern ongeveer één miljard jaar geleden zou beginnen groeien zijn. Dit lijkt echter weinig omdat de aarde al veel langer een globaal magnetisch veld heeft.
Het magnetisch veld van de aarde wordt door een dynamo-effect opgewekt in de vloeibare buitenkern. Om de geodynamo te onderhouden moet er continu bewegingsenergie omgezet worden in magnetische energie. Dit gebeurt efficiënter wanneer er een groeiende vaste binnenkern aanwezig is. Hoofdreden is dat de stolling van kernmateriaal aan de rand van de binnenkern trager verloopt voor sommige lichtere elementen dan voor ijzer. Onder invloed van de kracht van Archimedes zal de ontstane overmaat aan lichtere elementen op de bodem van de vloeibare buitenkern stijgen en aanleiding geven tot turbulente bewegingen in de buitenkern zoals in een pot kokend water. De ermee gepaard gaande bewegingsenergie onderhoudt de geodynamo; of anders gezegd: de arbeid die geleverd wordt door de kracht van Archimedes wordt netto omgezet in magnetische energie. Zonder vaste binnenkern moet er veel meer warmte getransporteerd worden om de turbulente bewegingen en het magnetisch veld te kunnen onderhouden, en daarvoor zijn veel hogere temperaturen nodig. Indien de binnenkern maar één miljard jaar oud is, zouden de temperaturen in de jonge aarde onrealistisch hoog geweest moeten zijn om een geodynamo te kunnen onderhouden.
De hierboven geschetste tegenstelling tussen de metingen van een hoge smelttemperatuur van ijzer en de paleomagnetische waarnemingen die aantonen dat het magnetisch veld van de aarde al minstens drie miljard jaar bestaat, kan verklaard worden indien radioactieve elementen ook in de kern zouden voorkomen. Geschat wordt dat minstens de helft van de warmte die de aarde verlaat, geproduceerd wordt door radioactieve elementen, vooral uranium, thorium en kalium. Maar deze elementen bevinden zich vooral in de korst en de mantel; voor hun aanwezigheid in de kern waren weinig of tegenstrijdige aanwijzingen. Probleem is te verklaren hoe deze elementen in de kern zouden kunnen terechtgekomen zijn. Recente experimentele studies hebben aangetoond dat een isotoop van kalium in een vloeibaar ijzermengsel opgenomen kan worden tijdens de vorming van de kern indien er ook zwavel in het ijzermengsel zit, zoals algemeen wordt aangenomen voor het ijzermengsel in de kern. Een concentratie aan een isotoop van kalium in de kern die ongeveer gelijk is aan die in de mantel, zou dan mogelijk zijn. Dit zou de binnenkern ouder maken en zou voldoende warmte produceren om de geodynamo ook drie miljard jaar geleden te voorzien van energie.
Om de evolutie van de aarde beter te begrijpen zijn zowel verdere seismologische, geodynamische, geochemische als geomagnetische studies nodig, alsook experimenteel en theoretisch onderzoek naar gedrag van materialen bij hoge drukken en temperaturen. Daarnaast zal ook de studie van de andere leden van de familie van de terrestrische planeten, die een soortgelijke inwendige opbouw hebben als de aarde, bijdragen tot een beter begrip van de vorming en evolutie van planeten. Momenteel is immers weinig bekend over de ijzerkernen van Mercurius, Venus en Mars. We weten bijvoorbeeld niet of de kernen volledig vloeibaar, gedeeltelijk vloeibaar (zoals de aarde) of volledig vast zijn, alhoewel er wel indirecte argumenten zijn tegen een volledig vaste kern. Ook over de afmetingen van de kernen van de terrestrische planeten heerst onduidelijkheid: schattingen van de straal van de kern van Mars bijvoorbeeld variëren van 1 200 tot 2 200 kilometer. Meerdere ruimtemissies zijn gepland waarbij de bepaling van de diepe inwendige structuur van de terrestrische planeten behoort tot de kerntaken. Men hoopt zo een beter inzicht te verwerven in de vorming en de evolutie van de terrestrische planeten, en dus ook in verleden en toekomst van onze planeet aarde.
Bruce Buffett, ‘Earth’s Core’. In: Science 299, pp. 1675-1677, 2003.
David Stevenson, ‘Planetary science: Mission to Earth’s core – a Modest Proposal’. In: Nature 423, 239, 2003.
Tim van Hoolst is als geofysicus verbonden aan de Koninklijke Sterrenwacht van België en aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License