Ook al is het heter dan het oppervlak van de zon, de gekristalliseerde ijzeren kern van de aarde blijft vast. Een nieuwe studie van KTH Royal Institute of Technology in Zweden kan eindelijk een langlopend debat beslechten over hoe dat mogelijk is, evenals waarom seismische golven met hogere snelheden tussen de polen van de planeet reizen dan door de evenaar.

In de gesmolten kern van de aarde draait een kristallen bol - eigenlijk een massaformatie van bijna puur gekristalliseerd ijzer - bijna zo groot als de maan. Dit vreemde begrijpen, onwaarneembare eigenschap van onze planeet hangt af van het kennen van de atomaire structuur van deze kristallen - iets wat wetenschappers al jaren proberen te doen.

Zoals met alle metalen, de atomaire kristalstructuren van ijzer veranderen afhankelijk van de temperatuur en druk waaraan het metaal wordt blootgesteld. Atomen zijn verpakt in variaties van kubieke, evenals zeshoekige formaties. Bij kamertemperatuur en normale atmosferische druk, ijzer bevindt zich in wat bekend staat als een lichaamsgecentreerde kubische (BCC) fase, dat is een kristalarchitectuur met acht hoekpunten en een middelpunt. Maar bij extreem hoge druk transformeren de kristallijne structuren in 12-punts hexagonale vormen, of een dichtgepakte (HCP) fase.

In de kern van de aarde, waar de druk 3,5 miljoen keer hoger is dan de oppervlaktedruk - en de temperaturen ongeveer 6 zijn, 000 graden hoger - wetenschappers hebben voorgesteld dat de atomaire architectuur van ijzer zeshoekig moet zijn. Of BCC-ijzer in het centrum van de aarde bestaat, is de afgelopen 30 jaar onderwerp van discussie geweest. en een recente studie uit 2014 sloot het uit, met het argument dat BCC onder dergelijke omstandigheden onstabiel zou zijn.

Echter, in een recente studie gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen , onderzoekers van KTH ontdekten dat ijzer in de kern van de aarde zich inderdaad in de BCC-fase bevindt. Anatoly Belonosjko, een onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde aan de KTH, zegt dat toen de onderzoekers grotere computermonsters van ijzer onderzochten dan eerder bestudeerd, kenmerken van het BCC-ijzer waarvan werd gedacht dat het het instabiel maakte, deden precies het tegenovergestelde.

"Onder omstandigheden in de kern van de aarde, BCC-ijzer vertoont een nooit eerder waargenomen patroon van atomaire diffusie, ' zegt Belonosjko.

Belonoshko zegt dat de gegevens ook aantonen dat puur ijzer waarschijnlijk 96 procent van de samenstelling van de binnenkern uitmaakt, samen met nikkel en eventueel lichte elementen.

Hun conclusies zijn ontleend aan moeizame computersimulaties die zijn uitgevoerd met Triolith, een van de grootste Zweedse supercomputers. Dankzij deze simulaties konden ze de waarnemingen die drie jaar geleden in het Livermore Lawrence National Laboratory in Californië werden verzameld, opnieuw interpreteren. "Het lijkt erop dat de experimentele gegevens die de stabiliteit van BCC-ijzer in de kern bevestigen voor ons liggen - we wisten gewoon niet wat dat echt betekende, " hij zegt.

Bij lage temperatuur is BCC onstabiel en schuiven kristallijne vlakken uit de ideale BCC-structuur. Maar bij hoge temperaturen de stabilisatie van deze structuren begint net als een kaartspel - met het schudden van een "dek". Belonoshko zegt dat in de extreme hitte van de kern, atomen behoren niet langer tot vliegtuigen vanwege de hoge amplitude van atomaire beweging.

"Het glijden van deze vliegtuigen is een beetje als het schudden van een spel kaarten, " legt hij uit. "Hoewel de kaarten in verschillende posities worden gelegd, het dek is nog steeds een dek. Hetzelfde, het BCC-ijzer behoudt zijn kubische structuur."

Zo'n verschuiving leidt tot een enorme toename van de verdeling van moleculen en energie - wat leidt tot toenemende entropie, of de verdeling van energietoestanden. Dat, beurtelings, maakt de BCC stabiel.

Normaal gesproken, diffusie vernietigt kristalstructuren en verandert ze in vloeistof. In dit geval, door diffusie kan ijzer de BCC-structuur behouden. "De BCC-fase gaat onder het motto:'Wat me niet doodt, maakt me sterker', " zegt Belonoshko. "De instabiliteit doodt de BCC-fase bij lage temperatuur, maar maakt de BCC-fase stabiel bij hoge temperatuur."

Hij zegt dat deze diffusie ook verklaart waarom de kern van de aarde anisotroop is - dat wil zeggen, het heeft een textuur die richtinggevend is - zoals de houtnerf. Anisotropie verklaart waarom seismische golven sneller reizen tussen de polen van de aarde, dan door de evenaar.

"De unieke kenmerken van de Fe BCC-fase, zoals zelfdiffusie bij hoge temperatuur, zelfs in een zuiver vast ijzer, zou verantwoordelijk kunnen zijn voor de vorming van grootschalige anisotrope structuren die nodig zijn om de anisotropie van de binnenkern van de aarde te verklaren, " zegt hij. "De diffusie maakt een gemakkelijke textuur van ijzer mogelijk als reactie op elke stress."

De voorspelling opent de weg naar het begrijpen van het binnenste van de aarde en uiteindelijk naar het voorspellen van de toekomst van de aarde, zegt Belonosjko. "Het uiteindelijke doel van Aardwetenschappen is om het verleden te begrijpen, heden en toekomst van de aarde - en onze voorspelling stelt ons in staat om precies dat te doen."