Sammansättningen av bulken, jordens yttre kärna, är inte rent järn utan har ett densitetsunderskott på cirka 5–10 %, vilket indikerar att det finns en avsevärd mängd lätta element i den yttre kärnan, möjligen inklusive väte, kol, kväve, syre, svavel och kisel. Dessa är observationer av seismisk våghastighet och densitet av jordens yttre kärna.

Som Jord kyls, kristallisationen av det flytande järnet frigör lätta element och den fasta inre kärnan växer. Tidsskalan för järnstelningsprocessen och den tillhörande konvektionen (geodynamo) är fortfarande oklar. 

Om de frigjorda lätta elementen koncentreras lokalt kan de ha en detekterbar inverkan på den lokala seismiska våghastigheten. Seismiska vågor som produceras av stora jordbävningar ger ett direkt provtagning av jordens yttre kärna. Hastigheten med vilken den seismiska vågen fortplantar sig genom den yttre kärnan kan användas för att begränsa laterala heterogeniteter i den yttre kärnan.

Två jordbävningar, samma region och överraskande skillnad

I maj 1997 skakade en stor jordbävning regionen Kermadec Islands i södra Stilla havet. Nästan 20 år senare, i september 2018, drabbade en andra stor jordbävning samma plats, dess vågor av seismisk energi utgick från samma region.

Även om jordbävningarna inträffade med två decennier från varandra eftersom de inträffade i samma region, skulle de förväntas skicka seismiska vågor genom jordens lager med samma hastighet, säger Ying Zhou, en geoforskare med Institutionen för geovetenskap i Virginia Tech College of Science.

Men i data som registrerats vid fyra av mer än 150 Global Seismographic Network-stationer som loggar seismiska vibrationer i realtid, fann Zhou en anomali bland tvillinghändelserna: Under jordbävningen 2018 färdades en uppsättning seismiska vågor som kallas SKS-vågor omkring en sekund snabbare än sina motsvarigheter 1997.

Enligt Zhou, vars resultat nyligen publicerades i Naturkommunikation Jord & miljö, att en sekunds avvikelse i SKS-vågens restid ger oss en viktig och aldrig tidigare skådad glimt av vad som händer djupare i jordens inre, i dess yttre kärna.

Den inre strukturen är viktigast

Den yttre kärnan är inklämd mellan manteln, det tjocka lagret av sten under jordskorpan, och den inre kärnan, planetens djupaste inre lager. Den består huvudsakligen av flytande järn som genomgår konvektion, eller vätskeflöde, när jorden svalnar. Denna resulterande virvling av flytande metall producerar elektriska strömmar som är ansvariga för att generera jordens magnetfält, som skyddar planeten och allt liv på den från skadlig strålning och solvindar.

Utan sitt magnetfält skulle jorden inte kunna upprätthålla liv, och utan de rörliga flödena av flytande metall i den yttre kärnan skulle magnetfältet inte fungera. Men vetenskaplig förståelse för denna dynamik är baserad på simuleringar, sa Zhou, docent. "Vi vet bara att i teorin, om du har konvektion i den yttre kärnan, kommer du att kunna generera magnetfältet," sa hon.

Forskare har också bara kunnat spekulera om källan till gradvisa förändringar i styrka och riktning av magnetfältet som har observerats, vilket sannolikt involverar förändrade flöden i den yttre kärnan.

"Om du tittar på den norra geomagnetiska polen, så rör den sig för närvarande med en hastighet av cirka 50 kilometer per år," sa Zhou. "Det rör sig bort från Kanada och mot Sibirien. Magnetfältet är inte detsamma varje dag. Det håller på att förändras. Eftersom det förändras, spekulerar vi också att konvektion i den yttre kärnan förändras med tiden, men det finns inga direkta bevis. Vi har aldrig sett det."

Zhou gav sig ut för att hitta bevisen. Förändringarna som sker i den yttre kärnan är inte dramatiska, sa hon, men de är värda att bekräfta och i grunden förstå. I seismiska vågor och deras hastighetsförändringar på en decenniumsskala såg Zhou ett sätt för "direkt provtagning" av den yttre kärnan. Det beror på att SKS-vågorna hon studerade går rakt igenom.

"SKS" representerar tre faser av vågen: Först går den genom manteln som en S-våg, eller skjuvvåg; sedan in i den yttre kärnan som en kompressionsvåg; sedan tillbaka ut genom manteln som en S-våg. Hur snabbt dessa vågor färdas beror delvis på tätheten hos den yttre kärnan som är i deras väg. Om densiteten är lägre i ett område av den yttre kärnan när vågen penetrerar den, kommer vågen att färdas snabbare, precis som de anomala SKS-vågorna gjorde 2018.

"Något har förändrats längs vägen för den vågen, så det kan gå snabbare nu," sa Zhou.

För Zhou pekar skillnaden i våghastighet på lågdensitetsregioner som bildas i den yttre kärnan under de 20 åren sedan 1997 jordskalv. Den högre SKS-våghastigheten under jordbävningen 2018 kan tillskrivas frigörandet av lätta element som väte, kol och syre i den yttre kärnan under konvektion som äger rum när jorden svalnar, sa hon.

"Materialet som fanns där för 20 år sedan finns inte längre", sa Zhou. "Det här är nytt material och det är lättare. Dessa lätta element kommer att röra sig uppåt och ändra densiteten i den region där de är belägna."

För Zhou är det ett bevis på att rörelse verkligen sker i kärnan, och det förändras över tiden, som forskare har teoretiserat. "Vi kan se det nu," sa hon. "Om vi ​​kan se det från seismiska vågor kan vi i framtiden sätta upp seismiska stationer och övervaka det flödet."

Vad kommer härnäst

Med hjälp av en metod för vågmätning som kallas interferometri, planerar hennes team att analysera kontinuerliga seismiska inspelningar från två seismiska stationer, varav en kommer att fungera som en "virtuell" jordbävningskälla, sa hon.

"Vi kan använda jordbävningar, men begränsningen med att förlita sig på jordbävningsdata är att vi inte riktigt kan kontrollera var jordbävningarna är," sa Zhou. "Men vi kan kontrollera placeringen av seismiska stationer. Vi kan placera stationerna var som helst vi vill att de ska vara, med vågvägen från den ena stationen till den andra stationen som går genom den yttre kärnan. Om vi ​​övervakar det över tid kan vi se hur kärnpenetrerande seismiska vågor mellan de två stationerna förändras. Med det kommer vi att bättre kunna se vätskans rörelse i den yttre kärnan med tiden."

Futuristisk syn:

Observationer i denna studie visar att den yttre kärnan är långt ifrån väl blandad i en decenniumsskala, och laterala heterogeniteter associerade med yttre kärnans konvektion är tillräckligt starka för att producera seismiska våghastighetsförändringar som kan detekteras i jordbävningsinspelningar. Detta öppnar möjligheten att övervaka tidsmässiga förändringar i den yttre kärnan med hjälp av seismiska data.

Tidskriftsreferens

1. Zhou, Y. Övergående variation i seismiska våghastigheter pekar på snabb vätskerörelse i jordens yttre kärna. Commun Earth Environ 3, 97 (2022). DOI: 10.1038/s43247-022-00432-7