De meeste schoolkinderen leren dat de aarde drie (of vier) lagen heeft:een korst, mantel en kern, die soms is onderverdeeld in een binnen- en buitenkern. Dat is niet verkeerd, maar het laat verschillende andere lagen weg die wetenschappers binnen de aarde hebben geïdentificeerd.

In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in Wetenschap , Princeton-geofysici Jessica Irving en Wenbo Wu, in samenwerking met Sidao Ni van het Instituut voor Geodesie en Geofysica in China, gebruikte gegevens van een enorme aardbeving in Bolivia om bergen en andere topografie te vinden op een laag op 660 kilometer (410 mijl) recht naar beneden, die de boven- en ondermantel scheidt. (Bij gebrek aan een formele naam voor deze laag, de onderzoekers noemen het gewoon "de grens van 660 km.")

Om diep in de aarde te kijken, wetenschappers gebruiken de krachtigste golven ter wereld, die worden veroorzaakt door enorme aardbevingen. "Je wilt een grote diepe aardbeving om de hele planeet te laten schudden, " zei Irving, een assistent-professor in de geowetenschappen.

Grote aardbevingen zijn veel krachtiger dan kleine - energie neemt 30 keer toe met elke stap op de schaal van Richter - en diepe aardbevingen, "in plaats van hun energie in de korst te verspillen, kan de hele mantel op gang krijgen, ' zei Irving. Ze krijgt haar beste gegevens van aardbevingen met een kracht van 7,0 of hoger, ze zei, omdat de schokgolven die ze in alle richtingen uitzenden door de kern naar de andere kant van de planeet kunnen reizen - en weer terug. Voor deze studie is de belangrijkste gegevens kwamen van golven die werden opgepikt na een aardbeving met een kracht van 8,2 - de op een na grootste diepe aardbeving ooit geregistreerd - die Bolivia in 1994 deed schudden.

"Aardbevingen van deze omvang komen niet vaak voor, " zei ze. "We hebben geluk nu we zoveel meer seismometers hebben dan zelfs 20 jaar geleden. Seismologie is een ander vakgebied dan 20 jaar geleden, tussen instrumenten en computerbronnen."

Seismologen en datawetenschappers gebruiken krachtige computers, inclusief Princeton's Tiger supercomputercluster, om het gecompliceerde gedrag van verstrooiende golven in de diepe aarde te simuleren.

De technologie is afhankelijk van een fundamentele eigenschap van golven:hun vermogen om te buigen en te stuiteren. Net zoals lichtgolven kunnen weerkaatsen (reflecteren) van een spiegel of buigen (breken) wanneer ze door een prisma gaan, aardbevingsgolven reizen dwars door homogene rotsen, maar reflecteren of breken wanneer ze een grens of ruwheid tegenkomen.

"We weten dat bijna alle objecten oppervlakteruwheid hebben en daarom licht verstrooien, " zei Wu, de hoofdauteur van het nieuwe artikel, die net zijn geowetenschappen Ph.D. en is nu een postdoctoraal onderzoeker aan het California Institute of Technology. "Daarom kunnen we deze objecten zien - de verstrooiende golven dragen de informatie over de ruwheid van het oppervlak. In deze studie, we onderzochten verspreide seismische golven die binnen de aarde reizen om de ruwheid van de 660 km-grens van de aarde te beperken."

De onderzoekers waren verrast door hoe ruw die grens is - ruwer dan de oppervlaktelaag waar we allemaal op leven. "Met andere woorden, sterkere topografie dan de Rocky Mountains of de Appalachen is aanwezig op de grens van 660 km, " zei Wu. Hun statistische model stond geen precieze hoogtebepalingen toe, maar er is een kans dat deze bergen groter zijn dan alles op het aardoppervlak. De ruwheid was niet gelijk verdeeld, of; net zoals het oppervlak van de korst gladde oceaanbodems en massieve bergen heeft, de grens van 660 km heeft ruige gebieden en gladde plekken. De onderzoekers onderzochten ook een laag van 410 kilometer (255 mijl) naar beneden, aan de top van de 'overgangszone' in het midden van de mantel, " en ze vonden geen vergelijkbare ruwheid.

"Ze ontdekken dat de diepe lagen van de aarde net zo ingewikkeld zijn als wat we aan de oppervlakte waarnemen, " zei seismoloog Christine Houser, een assistent-professor aan het Tokyo Institute of Technology die niet betrokken was bij dit onderzoek. "Om hoogteverschillen van 2 mijl (1-3 km) te vinden op een grens die meer dan 400 mijl (660 km) diep is met behulp van golven die door de hele aarde en terug reizen, is een inspirerende prestatie. ... Hun bevindingen suggereren dat als aardbevingen plaatsvinden en seismische instrumenten worden geavanceerder en breiden zich uit naar nieuwe gebieden, we zullen doorgaan met het detecteren van nieuwe kleinschalige signalen die nieuwe eigenschappen van de aardlagen onthullen."

Wat het betekent

De aanwezigheid van ruwheid op de grens van 660 km heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van hoe onze planeet is gevormd en blijft functioneren. Die laag verdeelt de mantel, die ongeveer 84 procent van het volume van de aarde uitmaakt, in de bovenste en onderste secties. Voor jaren, geowetenschappers hebben gedebatteerd over hoe belangrijk die grens is. Vooral, ze hebben onderzocht hoe warmte door de mantel reist - of hete rotsen soepel van de kern-mantelgrens worden gedragen (bijna 2, 000 mijl naar beneden) helemaal naar de top van de mantel, of dat die overdracht op deze laag wordt onderbroken. Sommige geochemische en mineralogische bewijzen suggereren dat de bovenste en onderste mantel chemisch verschillend zijn, wat het idee ondersteunt dat de twee secties niet thermisch of fysiek mengen. Andere waarnemingen suggereren geen chemisch verschil tussen de bovenste en onderste mantel, sommigen ertoe brengen te pleiten voor wat een "goed gemengde mantel, " waarbij zowel de bovenste als de onderste mantel deelnemen aan dezelfde warmteoverdrachtscyclus.

"Onze bevindingen geven inzicht in deze vraag, " zei Wu. Hun gegevens suggereren dat beide groepen gedeeltelijk gelijk zouden kunnen hebben. De gladdere gebieden van de 660 km-grens zouden het gevolg kunnen zijn van een grondigere verticale menging, terwijl de ruwere, Er kunnen zich bergachtige gebieden hebben gevormd waar de boven- en ondermantel niet zo goed samengaan.

In aanvulling, de ruwheid die de onderzoekers vonden, die in het algemeen bestond, matige en kleine schaal, zou theoretisch kunnen worden veroorzaakt door warmteafwijkingen of chemische heterogeniteiten. Maar vanwege de manier waarop warmte binnen de mantel wordt getransporteerd, Wu legde uit, elke kleinschalige thermische anomalie zou binnen een miljoen jaar worden gladgestreken. Dat laat alleen chemische verschillen over om de kleinschalige ruwheid die ze vonden te verklaren.

Wat kan significante chemische verschillen veroorzaken? De introductie van gesteenten die vroeger tot de korst behoorden, rust nu rustig in de mantel. Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over het lot van de platen zeebodem die in subductiezones in de mantel worden geduwd, de botsingen gebeuren overal in de Stille Oceaan en elders in de wereld. Wu en Irving suggereren dat overblijfselen van deze platen zich nu net boven of net onder de grens van 660 km bevinden.

"Het is gemakkelijk om aan te nemen, aangezien we alleen seismische golven kunnen detecteren die door de aarde reizen in de huidige staat, dat seismologen niet kunnen helpen te begrijpen hoe het binnenste van de aarde de afgelopen 4,5 miljard jaar is veranderd, " zei Irving. "Het opwindende aan deze resultaten is dat ze ons nieuwe informatie geven om het lot te begrijpen van oude tektonische platen die in de mantel zijn afgedaald, en waar oud mantelmateriaal zich nog zou kunnen bevinden."

Ze voegde eraan toe:"Seismologie is het meest opwindend als het ons een beter inzicht geeft in het interieur van onze planeet, zowel in ruimte als in tijd."