Tema

Datorsimuleringar starkt stöd för ny teori om Jordens inre

Forskare vid Uppsala universitet och KTH presenterar i dagens nätupplaga av tidskriften Science belägg för att deras teori om Jordens inre verkligen stämmer. Rönen kan bland annat få betydelse för förståelsen av jordens avkylning, liksom av stabiliteten hos det jordmagnetiska fältet.

Det är sedan länge känt att jordens innersta kärna, ett klot bestående av en fast massa med en radie av omkring 1 200 km, i huvudsak består av järn. Seismiska observationer har dock visat att elastiska vågor passerar snabbare genom denna kärna i riktningar som är parallella med jordens rotationsaxel än i riktningar parallella med ekvatorn – något man inte kunnat förklara tidigare. Vid de höga temperaturer som råder i jordens inre borde det gå lika snabbt oavsett riktning.

I den aktuella studien av forskare från Uppsala universitet och KTH presenteras en förklaring till denna förbryllande egenskap. Publikationen ingår i en serie av artiklar publicerade i Nature och Science av samma forskarteam. Inledningsvis publicerades år 2003 starka teoretiska bevis för att Jordens inre kärna intar den s k kroppscentrerade kubiska kristallstrukturen vid höga temperaturer – en struktur som trots den höga symmetrin uppvisar en förvånansvärt hög elastisk anisotropi, dvs dess elastiska egenskaper beror av riktningen. Denna teori om kristallstrukturen var helt i strid med den då gängse uppfattningen, men sedan dess har teorin fått både experimentell och teoretisk support.

I den nya studien presenterar forskarna simuleringar av hur seismiska vågor fortplantar sig i järn under de förhållanden som råder i jordens inre och visar en skillnad på omkring 12 procent beroende på riktning – vilket räcker som förklaring till de förbryllande observationerna. Först beräknades rörelsebanorna för flera miljoner atomer i stark växelverkan med varandra. Utifrån detta kunde forskarna sedan säkerställa att ljudvågornas framfart verkligen beskrevs väl i den av datorn genererade modellen för järn, under de betingelser som råder i jordens inre.

– Vi fann att den kroppscentrerade kubiska strukturen hos järn är den enda som kunde motsvara de experimentella observationerna, säger Börje Johansson, professor i materialvetenskap vid KTH och Uppsala universitet.

Jordens värmebalans, liksom dess magnetfält, beror på den värmemängd som finns upplagrad i jordens inre kärna. Detta förhållande är i sin tur beroende av kristallstrukturen hos järnet i den inre kärnan. Tidigare har dessa uppskattningar baserats på modeller utgående från den hexagonala strukturen för järnet i den inre kärnan. De svenska forskarnas upptäckt kommer nu att leda till en kritisk omvärdering av jordens avkylning liksom av stabiliteten hos dess magnetiska fält.

– Denna studie öppnar nya perspektiv för vår förståelse av jordens historia, nutid och framtid, säger Natalia Skorodumova, forskare vid institutionen för fysik och materialvetenskap.

I sina studier använde sig forskarna av modeller baserade på den s k täthetsfunktionalteorin för vilken Walter Kohn fick Nobelpriset år 1999. Beräkningarna utfördes på de allra kraftfullaste parallella superdatorerna i Stockholm och Linköping.

Den kroppscentrerade kubiska kristallstrukturen bildar en kub med atomer i varje hörn och ytterligare en atom som sitter i centrum för denna kub. Den är orienterad på sådant sätt att dess stora diagonal är riktad längs jordens rotationsaxel, vilket gör det möjligt för järnet att uppvisa ljudutbredningar med de hastigheter som observerats.

Kontaktinformation
För mer information, kontakta professor Börje Johansson, 018-471 36 23, 070-417 54 52, borje.johansson@fysik.uu.se

Datorsimuleringar starkt stöd för ny teori om Jordens inre

 lästid ~ 2 min