De samenstelling van het grootste deel, de buitenste kern van de aarde, is geen puur ijzer, maar heeft een dichtheidstekort van ongeveer 5-10%, wat wijst op het bestaan ​​van een aanzienlijke hoeveelheid lichte elementen in de buitenste kern, mogelijk inclusief waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en silicium. Dit zijn de waarnemingen van seismische golfsnelheid en dichtheid van de buitenste kern van de aarde.

Aangezien de De aarde afkoelt, door de kristallisatie van het vloeibare ijzer komen lichte elementen vrij en groeit de vaste binnenkern. De tijdschaal van het ijzerstollingsproces en de bijbehorende convectie (geodynamo) blijven onduidelijk. 

Als de vrijkomende lichtelementen lokaal worden geconcentreerd, kunnen ze een waarneembare invloed hebben op de lokale seismische golfsnelheid. Seismische golven geproduceerd door grote aardbevingen bieden een directe bemonstering van de buitenste kern van de aarde. De snelheid waarmee de seismische golf zich door de buitenste kern voortplant, kan worden gebruikt om laterale heterogeniteiten in de buitenste kern te beperken.

Twee aardbevingen, dezelfde regio en een verrassend verschil

In mei 1997 schudde een grote aardbeving de regio van de Kermadec-eilanden in de Stille Zuidzee. Bijna 20 jaar later, in september 2018, trof een tweede grote aardbeving dezelfde locatie, waarbij de golven van seismische energie uit dezelfde regio kwamen.

Hoewel de aardbevingen twintig jaar na elkaar plaatsvonden omdat ze in dezelfde regio plaatsvonden, werd verwacht dat ze met dezelfde snelheid seismische golven door de aardlagen zouden sturen, zei Ying Zhou, een geowetenschapper met de Afdeling Geowetenschappen in de Virginia Tech College of Science.

Maar in gegevens die zijn vastgelegd op vier van de meer dan 150 Global Seismographic Network-stations die seismische trillingen in realtime registreren, vond Zhou een anomalie tussen de tweelinggebeurtenissen: tijdens de aardbeving van 2018 reisde een reeks seismische golven bekend als SKS-golven ongeveer een seconde sneller dan hun tegenhangers in 1997.

Volgens Zhou, wiens bevindingen onlangs werden gepubliceerd in Natuur Communicatie Aarde & Milieu, geeft dat verschil van één seconde in SKS-golfreistijd ons een belangrijke en ongekende glimp van wat er dieper in het binnenste van de aarde, in de buitenste kern, gebeurt.

Interieurstructuur is het belangrijkst

De buitenste kern is ingeklemd tussen de mantel, de dikke laag gesteente onder de aardkorst, en de binnenste kern, de diepste binnenste laag van de planeet. Het bestaat voornamelijk uit vloeibaar ijzer dat convectie of vloeistofstroom ondergaat als de aarde afkoelt. Dit resulterende wervelen van vloeibaar metaal produceert elektrische stromen die verantwoordelijk zijn voor het genereren van het magnetische veld van de aarde, dat de planeet en al het leven erop beschermt tegen schadelijke straling en zonnewinden.

Zonder haar magnetisch veld zou de aarde geen leven in stand kunnen houden, en zonder de bewegende stromen van vloeibaar metaal in de buitenste kern, zou het magnetische veld niet werken. Maar wetenschappelijk begrip van deze dynamiek is gebaseerd op simulaties, zei Zhou, een universitair hoofddocent. "We weten alleen dat in theorie, als je convectie in de buitenste kern hebt, je het magnetische veld kunt genereren," zei ze.

Wetenschappers hebben ook alleen kunnen speculeren over de bron van geleidelijke veranderingen in sterkte en richting van het magnetische veld die zijn waargenomen, wat waarschijnlijk gepaard gaat met veranderende stromingen in de buitenste kern.

"Als je naar de noordelijke geomagnetische pool kijkt, beweegt deze momenteel met een snelheid van ongeveer 50 kilometer [31 mijl] per jaar," zei Zhou. 'Het beweegt weg van Canada en richting Siberië. Het magnetische veld is niet elke dag hetzelfde. Het is aan het veranderen. Omdat het verandert, speculeren we ook dat convectie in de buitenste kern met de tijd verandert, maar er is geen direct bewijs. We hebben het nog nooit gezien."

Zhou ging op zoek naar dat bewijs. De veranderingen die plaatsvinden in de buitenste kern zijn niet dramatisch, zei ze, maar ze zijn de moeite waard om te bevestigen en fundamenteel te begrijpen. In seismische golven en hun snelheidsveranderingen op een tijdschaal van tien jaar, zag Zhou een middel voor "directe bemonstering" van de buitenste kern. Dat komt omdat de SKS-golven die ze bestudeerde er dwars doorheen gaan.

"SKS" vertegenwoordigt drie fasen van de golf: eerst gaat het door de mantel als een S-golf of schuifgolf; dan in de buitenste kern als een compressiegolf; dan terug door de mantel als een S-golf. Hoe snel deze golven reizen, hangt gedeeltelijk af van de dichtheid van de buitenste kern die op hun pad is. Als de dichtheid lager is in een gebied van de buitenste kern als de golf erin doordringt, zal de golf sneller reizen, net als de afwijkende SKS-golven in 2018.

"Er is iets veranderd langs het pad van die golf, dus het kan nu sneller gaan", zei Zhou.

Voor Zhou wijst het verschil in golfsnelheid op regio's met een lage dichtheid die zich in de 20 jaar sinds de 1997 in de buitenste kern hebben gevormd aardbeving. Die hogere SKS-golfsnelheid tijdens de aardbeving van 2018 kan worden toegeschreven aan het vrijkomen van lichte elementen zoals waterstof, koolstof en zuurstof in de buitenste kern tijdens convectie die plaatsvindt terwijl de aarde afkoelt, zei ze.

"Het materiaal dat er 20 jaar geleden was, is er niet meer", zei Zhou. “Dit is nieuw materiaal en het is lichter. Deze lichtelementen zullen naar boven bewegen en de dichtheid veranderen in de regio waar ze zich bevinden.”

Voor Zhou is het een bewijs dat beweging echt in de kern plaatsvindt, en het verandert in de loop van de tijd, zoals wetenschappers hebben getheoretiseerd. 'We kunnen het nu zien,' zei ze. "Als we het van seismische golven kunnen zien, kunnen we in de toekomst seismische stations opzetten en die stroom volgen."

Wat is het volgende

Met behulp van een methode van golfmeting die bekend staat als interferometrie, is haar team van plan om continue seismische opnames van twee seismische stations te analyseren, waarvan er één zal dienen als een "virtuele" aardbevingsbron, zei ze.

"We kunnen aardbevingen gebruiken, maar de beperking van het vertrouwen op aardbevingsgegevens is dat we de locaties van de aardbevingen niet echt kunnen controleren," zei Zhou. “Maar we kunnen de locaties van seismische stations controleren. We kunnen de stations overal plaatsen waar we ze willen hebben, waarbij het golfpad van het ene station naar het andere station door de buitenste kern gaat. Als we dat in de loop van de tijd volgen, kunnen we zien hoe kernpenetrerende seismische golven tussen die twee stations veranderen. Daarmee zullen we in de loop van de tijd beter in staat zijn om de beweging van vloeistof in de buitenste kern te zien.”

Futuristische weergave:

Waarnemingen in deze studie laten zien dat de buitenste kern verre van goed gemengd is in een tijdschaal van tien jaar, en de laterale heterogeniteiten geassocieerd met convectie van de buitenste kern zijn sterk genoeg om seismische golfsnelheidsveranderingen te produceren die detecteerbaar zijn in aardbevingsregistraties. Dit opent de mogelijkheid om tijdelijke veranderingen in de buitenste kern te volgen met behulp van seismische gegevens.

Journal Reference

1. Zhou, Y. Tijdelijke variatie in seismische golfsnelheid wijst op snelle vloeistofbeweging in de buitenste kern van de aarde. Gemeenschappelijke aarde omgeving 3, 97 (2022). DOI: 10.1038/s43247-022-00432-7