Door nieuwe data en Princetons supercomputers toe te passen op de klassieke vraag wat er onder onze voeten ligt, De seismoloog Jessica Irving van Princeton en een internationaal team van collega's hebben een nieuw model ontwikkeld voor de buitenste kern van de aarde, een vloeibaar ijzergebied diep in de aarde.

De buitenste kern is constant aan het karnen, het magnetisch veld van de planeet in stand houden en de mantel van warmte voorzien. "Het begrijpen van de buitenste kern is cruciaal voor het begrijpen van de geschiedenis van het magnetisch veld, " zei Irving, een assistent-professor in de geowetenschappen. Het werk van haar team verschijnt vandaag in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Het model dat we hebben gemaakt, EPOC - elastische parameters van de buitenste kern - wordt het achtergrondmodel, het enige dat ten grondslag ligt aan al het andere, " zei Irving. De onderzoekers beschrijven EPOC als een buitenste kernupdate van het bestaande Preliminary Earth Reference Model (PREM), een model van hoe fundamentele eigenschappen van de aarde variëren met de diepte, die bijna 40 jaar geleden werd ontwikkeld.

De belangrijkste gegevens in het onderzoek kwamen uit "normale modi, " dit zijn staande golven die kunnen worden gemeten na de allergrootste aardbevingen, typisch magnitude 7,5 of hoger. In tegenstelling tot de lichaamsgolven en oppervlaktegolven die de meeste seismologen bestuderen, normale modi zijn "de vibratie van de hele aarde tegelijk, wat een wonderbaarlijk iets is om over na te denken, " zei Irving. "We zouden kunnen zeggen dat de aarde als een bel luidt, ' bij karakteristieke frequenties."

Het nieuwe model, EPOC, werd voor het eerst bedacht tijdens een vier weken durende wetenschappelijke workshop in de zomer waar Irving was gehuisvest met collega-seismologen Sanne Cottaar, aan de Universiteit van Cambridge, en Vedran Leki?, aan de Universiteit van Maryland-College Park.

"PREM is een eerbiedwaardige, erg makkelijk, goed beschouwd model, maar het kan geen kleinschalige structuren vertegenwoordigen, ' zei Irving. 'We dachten, 'Kunnen we een eenvoudig model maken, met nog minder parameters dan PREM, dat doet het net zo goed?' Het bleek dat we een model konden maken dat het werk veel beter doet."

Voor een, EPOC vermindert de noodzaak van een "gecompliceerd laagje" op de grens tussen de kern en de mantel, ze zei. Onderzoekers hadden in de afgelopen decennia discrepanties gevonden tussen de PREM-voorspelde lichaamsgolfsnelheid en de gegevens die ze vonden, vooral aan de bovenkant van de kern, en sommigen hadden beweerd dat daar een abnormaal langzame laag verborgen moest zijn. Ze debatteerden over hoe dik het zou moeten zijn - schattingen lopen uiteen van 50 tot 300 mijl - en waar het precies uit moet bestaan.

Het model van haar team biedt niet meer details dan PREM, Irving zei, "maar we stellen voor dat, omdat EPOC beter bij de gegevens past, misschien heb je dit laagje niet nodig." En bovendien, het geeft informatie over de materiaaleigenschappen van de buitenste kern.

De buitenste kern is van vitaal belang voor de thermische geschiedenis van de planeet en zijn magnetisch veld, zei Irving, maar "het is niet tastbaar. We kunnen je geen rots uit de buitenste kern laten zien. Maar tegelijkertijd, het is zo'n groot deel van onze planeet. De kern bevat ongeveer 30 procent van de massa van de planeet. De korst is in vergelijking daarmee onbeduidend. Er is zoveel dat we niet begrijpen over de diepe aarde - en dit zijn niet eens de gecompliceerde eigenschappen. We zijn alleen op zoek naar de zeer langzaam variërende bulkeigenschappen."

Om hun model te maken, Irving en collega-seismologen bundelden hun vaardigheden. Cottaar had ervaring met toestandsvergelijkingen - de fysica die de verbanden verklaart tussen temperatuur, druk, volume en andere fundamentele kenmerken - en Leki? was vloeiend in Bayesiaanse technieken, een probabilistische benadering die het team hielp om talloze mogelijke modellen te doorzoeken en de meest waarschijnlijke te vinden. En vanwege haar achtergrond met normal mode seismologie, Irving wist hoe hij met de nieuw bijgewerkte dataset moest werken.

"Dus we waren alle drie seismologen met verschillende gespecialiseerde vaardigheden, en we dronken graag samen koffie bij het ontbijt, "Zei Irving. "Het is zo leuk om wetenschap te doen met vrienden."

De onderzoekers voerden de toestandsvergelijkingen in Princeton's Tiger-supercomputercluster om miljoenen mogelijke modellen van de buitenste kern te genereren. "Elke zes seconden creëerden we een nieuw model, ' zei Irving. 'Sommige hebben we afgewezen omdat ze er verkeerd uitzagen. We hebben wetenschappelijke tests voor 'foute, ' voor modellen die dingen zeggen als, 'De massa van de aarde zou twee keer zo groot moeten zijn als we denken dat het is.'"

Het team nam vervolgens het beste van de modellen en gebruikte ze om te voorspellen op welke frequenties de hele aarde zou trillen na een enorme aardbeving. De onderzoekers vergeleken de gemeten frequenties van normale modi met de voorspellingen van hun modellen totdat ze hun voorkeursmodel vonden.

Wanneer u lesgeeft over normale modi, Irving gebruikt de metafoor van twee klokken, een van messing en een van staal, beide wit geschilderd. "Als je op die klokken slaat, je krijgt er verschillende noten van, en dat zal je vertellen dat je daar verschillende materialen hebt, ' zei ze. 'De exacte frequenties - de exacte toonhoogte waarop de aarde trilt na deze zeer grote aardbevingen - hangt af van de materiële eigenschappen van de aarde. Net zoals we niet door de verf op de bellen kunnen kijken, we kunnen niet door de planeet heen kijken, maar we kunnen luisteren naar de toonhoogte, de frequenties van deze waarnemingen over de hele aarde, en gebruik ze om conclusies te trekken over wat er diep in de aarde gaande is."