Även om det är varmare än solens yta, jordens kristalliserade järnkärna förblir solid. En ny studie från Kungliga Tekniska Högskolan i Sverige kan äntligen avgöra en långvarig debatt om hur det är möjligt, samt varför seismiska vågor färdas med högre hastigheter mellan planetens poler än genom ekvatorn.

En kristallkula snurrar inuti jordens smälta kärna – faktiskt en massformation av nästan rent kristalliserat järn – nästan lika stor som månen. Förstår detta konstiga, oobserverbara egenskaper hos vår planet beror på att känna till atomstrukturen hos dessa kristaller – något forskare har försökt göra i flera år.

Som med alla metaller, järnets kristallstrukturer i atomär skala förändras beroende på temperaturen och trycket metallen utsätts för. Atomer är packade i variationer av kubik, samt hexagonala formationer. Vid rumstemperatur och normalt atmosfärstryck, järn är i vad som kallas en kroppscentrerad kubisk (BCC) fas, som är en kristallarkitektur med åtta hörnpunkter och en mittpunkt. Men vid extremt högt tryck omvandlas de kristallina strukturerna till 12-punkts hexagonala former, eller en nära packad (HCP) fas.

I jordens kärna, där trycket är 3,5 miljoner gånger högre än yttrycket – och temperaturen är cirka 6, 000 grader högre – forskare har föreslagit att järnets atomarkitektur måste vara hexagonal. Huruvida BCC-järn finns i jordens mitt har diskuterats under de senaste 30 åren, och en nyligen genomförd studie från 2014 uteslöt det, med argumentet att BCC skulle vara instabilt under sådana förhållanden.

Dock, i en nyligen publicerad studie Naturgeovetenskap , forskare vid KTH fann att järn i jordens kärna verkligen är i BCC-fasen. Anatoly Belonoshko, forskare vid institutionen för fysik på KTH, säger att när forskarna undersökte större beräkningsprover av järn än som studerats tidigare, egenskaper hos BCC-järnet som ansågs göra det instabilt slutade att göra precis tvärtom.

"Under förhållanden i jordens kärna, BCC-järn uppvisar ett mönster av atomär diffusion som aldrig tidigare observerats, Säger Belonoshko.

Belonoshko säger att uppgifterna också visar att rent järn sannolikt står för 96 procent av den inre kärnans sammansättning, tillsammans med nickel och eventuellt lätta element.

Deras slutsatser dras från mödosamma datorsimuleringar utförda med Triolith, en av de största svenska superdatorerna. Dessa simuleringar gjorde det möjligt för dem att omtolka observationer som samlades in för tre år sedan vid Livermore Lawrence National Laboratory i Kalifornien. "Det verkar som att de experimentella data som bekräftar stabiliteten hos BCC-järn i kärnan låg framför oss - vi visste bara inte vad det egentligen betydde, " han säger.

Vid låg temperatur är BCC instabil och kristallina plan glider ut ur den ideala BCC-strukturen. Men vid höga temperaturer, stabiliseringen av dessa strukturer börjar ungefär som ett kortspel – med blandning av en "lek". Belonoshko säger att i den extrema värmen i kärnan, atomer hör inte längre till plan på grund av atomrörelsens höga amplitud.

"Glidningen av dessa plan är lite som att blanda en kortlek, " förklarar han. "Även om korten sätts i olika positioner, däcket är fortfarande ett däck. Likaså, BCC-järnet behåller sin kubiska struktur."

En sådan blandning leder till en enorm ökning av fördelningen av molekyler och energi – vilket leder till ökad entropi, eller fördelningen av energitillstånd. Den där, i tur och ordning, gör BCC stabil.

I vanliga fall, diffusion förstör kristallstrukturer och förvandlar dem till vätska. I detta fall, diffusion tillåter järn att bevara BCC-strukturen. "BCC-fasen går enligt mottot:'Det som inte dödar mig gör mig starkare', " Belonoshko säger. "Instabiliteten dödar BCC-fasen vid låg temperatur, men gör BCC-fasen stabil vid hög temperatur."

Han säger att denna diffusion också förklarar varför jordens kärna är anisotropisk – dvs. den har en textur som är riktad – som träfibrerna. Anisotropi förklarar varför seismiska vågor färdas snabbare mellan jordens poler, än genom ekvatorn.

"De unika egenskaperna hos Fe BCC-fasen, såsom självspridning vid hög temperatur även i ett rent fast järn, kan vara ansvarig för bildandet av storskaliga anisotropa strukturer som behövs för att förklara jordens inre kärnanisotropi, " säger han. "Diffusionen möjliggör enkel texturering av järn som svar på all stress."

Förutsägelsen öppnar vägen till att förstå jordens inre och så småningom till att förutsäga jordens framtid, säger Belonoshko. "Det yttersta målet för geovetenskaper är att förstå det förflutna, jordens nutid och framtid - och vår förutsägelse tillåter oss att göra just det."