Genom att tillämpa nya data och Princetons superdatorer på den klassiska frågan om vad som ligger under våra fötter, Princeton seismolog Jessica Irving och ett internationellt team av kollegor har utvecklat en ny modell för jordens yttre kärna, ett flytande järnområde djupt i jorden.

Den yttre kärnan snurrar konstant, upprätthålla planetens magnetfält och ge värme till manteln. "Att förstå den yttre kärnan är avgörande för att förstå magnetfältets historia, "sade Irving, en biträdande professor i geovetenskap. Hennes teams arbete visas idag i tidningen Vetenskapliga framsteg .

"Modellen vi har tagit fram, EPOC - Elastic Parameters of the Yuter Core - kommer att bli bakgrundsmodell, det enda som ligger till grund för allt annat, "sade Irving. Forskarna beskriver EPOC som en yttre kärnuppdatering av den befintliga Preliminära jordreferensmodellen (PREM), en modell för hur grundläggande jordens egenskaper varierar med djupet, som utvecklades för nästan 40 år sedan.

Nyckeldata i forskningen kom från "normala lägen, "som är stående vågor som kan mätas efter de allra största jordbävningarna, typiskt 7,5 eller högre. Till skillnad från kroppsvågor och ytvågor som de flesta seismologer studerar, normala lägen är "vibrationen av hela jorden på en gång, vilket är en fantastisk sak att tänka på, "Irving sa." Vi kan säga att jorden ringer som en klocka, 'vid karakteristiska frekvenser. "

Den nya modellen, EPOC, tänktes först på en fyra veckors sommarvetenskaplig workshop där Irving inhyses med andra seismologer Sanne Cottaar, vid University of Cambridge, och Vedran Leki ?, vid University of Maryland-College Park.

"PREM är en vördnadsvärd, väldigt enkelt, välrenommerad modell, men det kan inte representera några småskaliga strukturer, "Sa Irving." Vi tänkte, 'Kan vi göra en enkel modell, med ännu färre parametrar än PREM, det gör jobbet lika bra? ' Det visade sig att vi kunde göra en modell som gör jobbet mycket bättre. "

För en, EPOC minskar behovet av ett "komplicerat litet lager" vid gränsen mellan kärnan och manteln, Hon sa. Forskare under de senaste decennierna hade funnit avvikelser mellan den PREM-förutsagda kroppsvågshastigheten och de data de hittade, särskilt högst upp i kärnan, och några hade hävdat att det måste finnas ett anomalt långsamt lager dolt där. De diskuterade hur tjockt det borde vara - uppskattningar sträcker sig från 50 till 300 miles - och exakt vad det måste bestå av.

Hennes lags modell erbjuder inte mer detaljer än PREM, Irving sa, "men vi föreslår att eftersom EPOC passar data bättre, kanske du inte behöver det här lilla lagret. "Och dessutom, den ger information om den yttre kärnans materialegenskaper.

Den yttre kärnan är mycket viktig för planetens termiska historia och dess magnetfält, sade Irving, men "det är inte påtagligt. Vi kan inte visa dig en sten från den yttre kärnan. Men samtidigt, det är en så stor del av vår planet. Kärnan har ungefär 30 procent av planetens massa. Skorpan är obetydlig i jämförelse. Det finns så mycket som vi inte förstår om den djupa jorden - och det är inte ens de komplicerade egenskaperna. Vi letar bara efter de mycket långsamt varierande bulkegenskaperna. "

För att skapa sin modell, Irving och andra seismologer samlade sina färdigheter. Cottaar hade erfarenhet av statliga ekvationer - fysiken som förklarar sambandet mellan temperatur, tryck, volym och andra grundläggande egenskaper - och Leki? var flytande i bayesiska tekniker, ett probabilistiskt tillvägagångssätt som hjälpte laget att söka igenom otaliga möjliga modeller och hitta de mest troliga. Och på grund av hennes bakgrund med seismologi i normalt läge, Irving visste hur han skulle arbeta med den nyligen uppdaterade datamängden.

"Så vi var alla tre seismologer med olika specialiserade färdigheter, och vi gillade att äta kaffe till frukost tillsammans, "Irving sa." Det är så roligt att göra vetenskap med vänner. "

Forskarna matade statens ekvationer till Princetons Tiger superdatorkluster för att generera miljontals möjliga modeller av den yttre kärnan. "Var sjätte sekund skapade vi en ny modell, "Irving sa." Några avvisade vi för att de såg fel ut. Vi har vetenskapliga tester för 'fel, 'för modeller som säger saker som, "Jordens massa bör vara dubbelt så mycket som vi tror att den är."

Teamet tog sedan det bästa av modellerna och använde dem för att förutsäga vilka frekvenser som hela jorden skulle skaka efter en massiv jordbävning. Forskarna jämförde de uppmätta frekvenserna för normala lägen med förutsägelserna från deras modeller tills de hittade sin föredragna modell.

Vid undervisning om normala lägen, Irving använder metaforen för två klockor, en av mässing och en av stål, båda målade vita. "Om du träffar dessa klockor, du får olika anteckningar av dem, och det kommer att berätta att du har olika material där inne, "sa hon." De exakta frekvenserna - den exakta tonhöjd som jorden skakar efter dessa mycket stora jordbävningar - beror på jordens materiella egenskaper. Precis som vi inte kan se igenom färgen på klockorna, vi kan inte se genom planeten, men vi kan lyssna efter tonhöjden, frekvenserna av dessa hela jordobservationer, och använd dem för att dra slutsatser om vad som händer djupt i jorden. "