Met behulp van de grote synchrotronstralingsfaciliteit SPring-8 in Japan, een samenwerking van onderzoekers van Kumamoto University, de Universiteit van Tokio, en anderen uit Japan en Frankrijk hebben de dichtheid van vloeibaar ijzer nauwkeurig gemeten onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in de buitenste kern van de aarde:1, 000, 000 atm en 4, 000 graden C. Nauwkeurige dichtheidsmetingen van vloeibaar ijzer onder zulke extreme omstandigheden zijn erg belangrijk voor het begrijpen van de chemische samenstelling van de kern van onze planeet.

De aarde heeft een vaste metalen binnenkern en een vloeibare metalen buitenkern op ongeveer 2, 900km (1, 800 mijl) onder het oppervlak, die beide onder zeer hoge drukken en temperaturen staan. Aangezien het hoofdbestanddeel van de buitenste kern ijzer is, en de dichtheid is aanzienlijk lager dan die van zuiver ijzer, Men dacht dat het een grote hoeveelheid lichte elementen zoals waterstof en zuurstof bevatte. Het identificeren van het type en de hoeveelheid van deze lichtelementen zal een beter begrip van de oorsprong van de aarde mogelijk maken, met name de materialen waaruit de aarde en het milieu in de kern bestonden toen deze zich van de mantel scheidde. Echter, dit vereist eerst een nauwkeurige meting van de dichtheid van zuiver vloeibaar ijzer bij extreme druk en temperatuur vergelijkbaar met de gesmolten kern, zodat dichtheden kunnen worden vergeleken.

Naarmate de druk stijgt, het smeltpunt van ijzer stijgt ook, wat het moeilijk maakt om de dichtheid van vloeibaar ijzer onder ultrahoge druk te bestuderen. Eerdere metingen van de dichtheid van vloeibaar ijzer onder hoge druk beweerden dat het ongeveer 10% hoger was dan de dichtheid van vloeibaar ijzer onder kernomstandigheden, maar de gebruikte schokcompressie-experimenten werden verondersteld een grote fout te bevatten.

Het huidige werk verbetert deze metingen door de röntgenstraal met hoge intensiteit in de SPring-8-faciliteit te gebruiken om de röntgendiffractie van vloeibaar ijzer onder ultrahoge drukken en hoge temperaturen te meten, en past een nieuwe analytische methode toe om de vloeistofdichtheid te berekenen. Aanvullend, het geluidssnelheidsprofiel van de vloeistof werd gemeten onder extreme omstandigheden tot 450, 000 atm. Gegevens werden verzameld bij verschillende temperaturen en drukken en vervolgens gecombineerd met eerdere schokgolfgegevens om de dichtheid te berekenen voor omstandigheden over de hele kern van de aarde.

Momenteel, de beste manier om de dichtheid van de buitenste kern van de aarde te schatten, is door middel van seismische waarnemingen. Als we de dichtheid van de buitenste kern vergelijken met de experimentele metingen in dit onderzoek, blijkt dat zuiver ijzer ongeveer 8% dichter is dan dat van de buitenste kern van de aarde. Zuurstof, die in het verleden als een grote onzuiverheid werd beschouwd, kan het dichtheidsverschil niet verklaren, suggereert de aanwezigheid van andere lichtelementen. Deze onthulling is een grote stap in de richting van het schatten van de chemische samenstelling van de kern - een eersteklas probleem in aardwetenschappen.

"Wereldwijd, vele pogingen om de dichtheid te meten, snelheid van geluid, en structuur van vloeistoffen onder ultrahoge druk met behulp van laserverwarmde diamantcellen worden al meer dan 30 jaar gemaakt, maar tot nu toe is er geen enkele succesvol geweest, " zei Dr. Yoichi Nakajima, een van de belangrijkste leden van de onderzoekssamenwerking. "We verwachten dat de technologische innovaties die in deze studie zijn bereikt het onderzoek naar vloeistoffen onder hoge druk drastisch zullen versnellen. we geloven dat dit ons begrip van de vloeibare metalen kern en magma diep in de aarde en andere rotsachtige planeten zal verdiepen."