Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “Scientists discover a new state of matter at Earth’s center”
New research reveals that Earth’s solid inner core is actually in a superionic state, where carbon atoms flow freely through a solid iron lattice. This unusual behavior makes the core soft, matching seismic observations that have puzzled scientists for decades.…
Een baanbrekende ontdekking werpt nieuw licht op het diepste geheim van onze planeet. Wetenschappers hebben vastgesteld dat de binnenste kern van de Aarde zich bevindt in een bijzondere materietoestand, waarbij koolstofatomen vrij bewegen door een vast ijzerrooster. Deze ontdekking, gepubliceerd in National Science Review, verklaart eindelijk waarom seismische signalen uit het centrum van de Aarde al decennia lang wetenschappers voor raadsels stellen.
**Een paradox in het hart van de Aarde**
De binnenste kern van onze planeet is een compacte bol van ijzer en lichte elementen, samengeperst onder meer dan 3,3 miljoen atmosferen druk en verhit tot temperaturen vergelijkbaar met het oppervlak van de zon. Hoewel deze kern vast is, gedraagt hij zich vreemd genoeg als een verzacht metaal. Seismische golven bewegen er trager doorheen dan verwacht, en de kern vertoont eigenschappen die meer lijken op boter dan op staal.
“Voor het eerst hebben we experimenteel aangetoond dat ijzer-koolstof legeringen onder de omstandigheden van de binnenste kern een opmerkelijk lage schuifsnelheid vertonen,” aldus professor Youjun Zhang van de Universiteit van Sichuan, die het onderzoek leidde.
**Superionische toestand onthuld**
Het internationale onderzoeksteam, onder leiding van professor Zhang en dr. Yuqian Huang van de Universiteit van Sichuan, samen met professor Yu He van het Instituut voor Geochemie van de Chinese Academie van Wetenschappen, ontdekte dat ijzer-koolstof legeringen onder extreme omstandigheden overgaan in een superionische fase.
In deze bijzondere toestand blijft het ijzer vast en geordend, terwijl koolstofatomen zich met hoge snelheid door het kristalrooster bewegen. Professor Zhang vergelijkt dit met “kinderen die door een square dance weven” – de koolstofatomen bewegen zich vrij door de stabiele ijzerstructuur alsof ze vloeistof zijn, wat de stijfheid van de legering drastisch vermindert.
**Laboratoriumbevestiging van computermodellen**
Hoewel computersimulaties in 2022 al suggereerden dat de binnenste kern deze exotische vorm zou kunnen aannemen, was laboratoriumbevestiging tot nu toe onmogelijk gebleken. Het onderzoeksteam loste dit probleem op door gebruik te maken van een dynamisch schokcompressieplatform.
De wetenschappers accelereerden ijzer-koolstofmonsters tot snelheden van 7 kilometer per seconde, waardoor drukken tot 140 gigapascal en temperaturen van bijna 2600 kelvin werden bereikt – omstandigheden die zeer dicht bij die van de binnenste kern liggen.
Door ter plaatse geluidssnelheidsmetingen te combineren met geavanceerde moleculair-dynamische simulaties, detecteerde het team een dramatische daling van de schuifgolfsnelheid en een scherpe toename van de Poisson-ratio. Deze resultaten komen overeen met de onverwacht zachte seismische kenmerken die binnen de Aarde worden waargenomen.
**Gevolgen voor het magnetisch veld van de Aarde**
De ontdekking heeft verstrekkende gevolgen voor ons begrip van de interne processen van de Aarde. Het superionische model verklaart niet alleen langdurige seismische anomalieën, maar biedt ook nieuwe inzichten in hoe de binnenste kern bijdraagt aan het magnetisch veld van onze planeet.
“Atomaire diffusie binnen de binnenste kern vertegenwoordigt een voorheen over het hoofd gezien energiebron voor de geodynamo,” verklaart dr. Huang. “Naast warmte en compositieconvectie kan de vloeistofachtige beweging van lichte elementen helpen bij het aandrijven van de magnetische motor van de Aarde.”
De beweging van deze lichte elementen kan ook seismische anisotropie verklaren – richtingsafhankelijke variaties in seismische golfsnelheden die wetenschappers waarnemen.
**Een nieuwe kijk op planetaire kernen**
Het onderzoek werpt ook licht op debatten over het gedrag van lichte elementen onder extreme druk. Eerder onderzoek richtte zich voornamelijk op verbindingen of substitutionele legeringen, maar dit werk benadrukt de sleutelrol van interstitiële vaste oplossingen, vooral die met koolstof, bij het beheersen van de fysische eigenschappen van de kern.
Volgens professor Zhang vertegenwoordigen deze bevindingen een grote verschuiving in hoe wetenschappers de binnenste kern interpreteren. “We bewegen weg van een statisch, rigide model van de binnenste kern naar een dynamisch model,” legt hij uit.
**Bredere implicaties**
De implicaties strekken zich uit voorbij onze eigen planeet. Het identificeren van een superionische fase in de binnenste kern zou ook ons begrip van magnetische en thermische evolutie in andere rotsachtige planeten en exoplaneten kunnen verbeteren.
Het onderzoek werd ondersteund door de Nationale Natuurwetenschappelijke Stichting van China, het Sichuan Wetenschap en Technologie Programma, en het CAS Youth Interdisciplinary Team.
**Vooruitblik**
Deze ontdekking markeert een keerpunt in ons begrip van de diepste lagen van onze planeet. Door de superionische toestand van de binnenste kern te begrijpen, komen wetenschappers een stap dichter bij het ontrafelen van de geheimen van niet alleen de Aarde, maar ook van andere planetaire interieurs in ons zonnestelsel en daarbuiten. Het bevestigt eens te meer dat zelfs na eeuwen van onderzoek, onze planeet nog altijd verrassingen in petto heeft.