Mysteriet med Jordens innersta löst

Resultaten har tagits fram av en grupp svenska och ryska forskare genom avancerade simuleringar med svenska superdatorer. Den nya kunskapen förklarar en del av de seismiska data – signaler från jordskalv – som stationer världen runt samlar in och som tidigare förbryllat forskarna.

– Dessa nya upptäckter om Jordens innersta ger en förklaring till de seismiska vågornas låga hastighet djupt inne i Jorden. Det förklarar i sin tur varför signaler från jordskalv ser ut som de gör, och underlättar därmed seismologernas arbete, säger Anatoly Belonoshko på KTH, som lett studierna.

Jordens innersta kärna, som är uppbyggd av mycket komprimerat järn i fast fas, är känd för att ha en extremt låg styvhet gentemot skjuvning – påverkan av en vridninig eller annan kraft. Järnet i Jordens inre uppträder därför nära nog som en vätska, som helt saknar motstånd mot skjuvning, och gör att det lätt sker förskjutningar av materien i jordkärnan. En följd blir att de seismiska vågor som rör sig längs ytan på den inre kärnan rör sig oväntat långsamt.

– Förutom att resultaten öppnar helt nya möjligheter att förstå ett antal mystiska fenomen som hör samman med låg hastighet hos de seismiska vågornas rörelser, kan de metoder vi använder för att förklara jordkärnans mjukhet också användas inom materialvetenskapen, säger Anatoly Belonoshko.

Denna dubbelnatur hos järn har varit en gåta för forskarna i mer än 50 år eftersom järn i laboratorieförsök inte har uppvisat någon som helst tendens att börja bli vätskeliknande under höga tryck. Anledningen är den mycket lägre temperaturen i laboratorieförsöken jämfört med jordkärnan.

Lösningen till gåtan med det “mjuka” järnet ligger i hur järnatomerna är arrangerade och kan röra sig under de förhållanden som råder i Jordens inre del. Förhållandena kan liknas vid en fast struktur där delarna, i stället för att vara fastspikade vid varandra, är fästa vid varandra med gummiband. Då blir det mycket lätt att förskjuta vissa delar i förhållande till varandra.

En mer vetenskaplig beskrivning är att järnet i Jordens inre inte kan beskrivas som ett genomsnitt för enkristallint järn. I stället är det ett s. k. polykristallint material med vätskeliknande korngränser och mängder av defekter i strukturen. Anatoly Belonoshko har tillsammans med kollegorna Natalia Skorodumova och Anders Rosengren kunnat visat att en yttre störning som skjuvning snabbt mildras genom en vandring av atomer och glidning i de vätskeliknande korngränserna.

Studien visar att traditionella mineralfysiska metoder gäller, trots järnets oväntade beteende i jordkärnan, och att det väsentliga för ytterligare förståelse av Jordens inre är att mycket noggrant kunna återskapa de villkor som råder där. En utmaning för forskarna är också att vidareutveckla ett nytt sätt att beräkna de elastiska egenskaperna hos olika material vid hög temperatur.

– Metoderna vi använder hjälper oss att förstå, och därmed beskriva och förutsäga, egenskaper hos material vid höga temperaturer. Det öppnar nya möjlighter för teoretisk, och på längre sikt även praktisk, konstruktion av nya material, säger Anatoly Belonoshko.

Simuleringarna har kunnat genomföras med hjälp av de allra kraftfullaste svenska superdatorerna, belägna vid Parallelldatorcentret PDC vid KTH i Stockholm och vid Nationella Superdatorcentret (NSC) i Linköping.

Kontaktinformation
Mer information
Anatoly B. Belonoshko, 08-790 88 68, 018-471 5857, anatoly@mse.kth.se, anatoly@fysik.uu.se
Börje Johansson, 018-471 36 23, 070-417 54 52, Borje.Johansson@fysik.uu.se
Anders Rosengren, 08-55378474, roseng@kth.se
Natalia Skorodumova, 018-471 58 56, Natalia.Skorodumova@fysik.uu.se