De flesta skolbarn lär sig att jorden har tre (eller fyra) lager:en skorpa, mantel och kärna, som ibland är uppdelad i en inre och yttre kärna. Det är inte fel, men det utelämnar flera andra lager som forskare har identifierat inom jorden.

I en studie publicerad denna vecka i Vetenskap , Princeton geofysiker Jessica Irving och Wenbo Wu, i samarbete med Sidao Ni från Institute of Geodesy and Geophysics i Kina, använde data från en enorm jordbävning i Bolivia för att hitta berg och annan topografi på ett lager som ligger 660 kilometer (410 miles) rakt ner, som skiljer den övre och undre manteln åt. (Det saknas ett formellt namn för detta lager, forskarna kallar det helt enkelt "660 km-gränsen."

Att titta djupt in i jorden, forskare använder de mest kraftfulla vågorna på planeten, som genereras av massiva jordbävningar. "Du vill ha en stor, djup jordbävning för att få hela planeten att skaka, sa Irving, en biträdande professor i geovetenskap.

Stora jordbävningar är mycket kraftfullare än små – energin ökar 30 gånger för varje steg upp på Richterskalan – och djupa jordbävningar, "Istället för att slösa bort sin energi i skorpan, kan få igång hela manteln, " sa Irving. Hon får sina bästa data från jordbävningar som är på magnituden 7,0 eller högre, Hon sa, eftersom stötvågorna de skickar ut i alla riktningar kan färdas genom kärnan till andra sidan av planeten – och tillbaka igen. För denna studie, nyckeldata kom från vågor som plockades upp efter en jordbävning med magnituden 8,2 – den näst största djupa jordbävningen som någonsin registrerats – som skakade Bolivia 1994.

"Så här stora jordbävningar kommer inte så ofta, ", sa hon. "Vi har tur nu när vi har så många fler seismometrar än vi gjorde för 20 år sedan. Seismologi är ett annat område än det var för 20 år sedan, mellan instrument och beräkningsresurser."

Seismologer och dataforskare använder kraftfulla datorer, inklusive Princetons superdatorkluster Tiger, att simulera det komplicerade beteendet hos spridningsvågor i den djupa jorden.

Tekniken beror på en grundläggande egenskap hos vågor:deras förmåga att böja och studsa. Precis som ljusvågor kan studsa (reflektera) från en spegel eller böja (bryta) när de passerar genom ett prisma, jordbävningsvågor färdas rakt genom homogena stenar men reflekteras eller bryts när de möter någon gräns eller ojämnhet.

"Vi vet att nästan alla föremål har ytjämnhet och därför sprider ljus, "sa Wu, huvudförfattaren på den nya tidningen, som just avslutat sin geovetenskaps Ph.D. och är nu postdoktor vid California Institute of Technology. "Det är därför vi kan se dessa objekt - spridningsvågorna bär informationen om ytans grovhet. I denna studie, vi undersökte spridda seismiska vågor som färdades inuti jorden för att begränsa grovheten hos jordens 660 km långa gräns."

Forskarna blev förvånade över hur grov den gränsen är - grövre än ytskiktet som vi alla lever på. "Med andra ord, starkare topografi än Klippiga bergen eller Appalacherna finns vid gränsen på 660 km, " sa Wu. Deras statistiska modell tillät inte exakta höjdbestämningar, men det finns en chans att dessa berg är större än något annat på jordens yta. Grovheten var inte lika fördelad, antingen; precis som skorpans yta har släta havsbotten och massiva berg, gränsen på 660 km har grova områden och släta fläckar. Forskarna undersökte också ett lager 410 kilometer (255 miles) ner, högst upp i övergångszonen i mitten av manteln, " och de hittade inte liknande grovhet.

"De finner att jordens djupa lager är lika komplicerade som det vi observerar på ytan, sa seismologen Christine Houser, en biträdande professor vid Tokyo Institute of Technology som inte var involverad i denna forskning. "Att hitta 2-mile (1-3 km) höjdförändringar på en gräns som är över 400 miles (660 km) djup med hjälp av vågor som färdas genom hela jorden och tillbaka är en inspirerande bedrift. ... Deras resultat tyder på att som jordbävningar inträffar och seismiska instrument blir mer sofistikerade och expanderar till nya områden, vi kommer att fortsätta att upptäcka nya småskaliga signaler som avslöjar nya egenskaper hos jordens lager."

Vad det betyder

Närvaron av ojämnhet på 660 km-gränsen har betydande implikationer för att förstå hur vår planet bildades och fortsätter att fungera. Det lagret delar manteln, som utgör cirka 84 procent av jordens volym, i dess övre och nedre sektioner. I åratal, geovetare har diskuterat hur viktig den gränsen är. Särskilt, de har undersökt hur värme färdas genom manteln – huruvida heta stenar förs smidigt från gränsen mellan kärnan och manteln (nästan 2, 000 miles ner) hela vägen upp till toppen av manteln, eller om den överföringen avbryts vid detta lager. Vissa geokemiska och mineralogiska bevis tyder på att den övre och nedre manteln är kemiskt olika, vilket stöder tanken att de två sektionerna inte blandas termiskt eller fysiskt. Andra observationer tyder på ingen kemisk skillnad mellan den övre och nedre manteln, leder till att vissa argumenterar för vad som kallas en "välblandad mantel, " med både den övre och nedre manteln som deltar i samma värmeöverföringscykel.

"Våra resultat ger insikt i denna fråga, " sa Wu. Deras data tyder på att båda grupperna kan ha delvis rätt. De jämnare områdena på gränsen på 660 km kan bli resultatet av mer grundlig vertikal blandning, medan ju grövre, bergsområden kan ha bildats där övre och nedre manteln inte blandas lika bra.

Dessutom, den grovhet forskarna fann, som fanns i stort, måttlig och liten skala, skulle teoretiskt kunna orsakas av värmeavvikelser eller kemiska heterogeniteter. Men på grund av hur värme transporteras in i manteln, Wu förklarade, alla småskaliga termiska anomalier skulle utjämnas inom en miljon år. Det lämnar bara kemiska skillnader för att förklara den småskaliga grovheten de hittade.

Vad kan orsaka betydande kemiska skillnader? Införandet av stenar som brukade höra till skorpan, vilar nu tyst i manteln. Forskare har länge diskuterat ödet för plattorna av havsbotten som trycks in i manteln vid subduktionszoner, de kollisioner som sker runt om i Stilla havet och på andra håll i världen. Wu och Irving föreslår att rester av dessa plattor nu kan vara strax ovanför eller strax under gränsen på 660 km.

"Det är lätt att anta, eftersom vi bara kan upptäcka seismiska vågor som färdas genom jorden i dess nuvarande tillstånd, att seismologer inte kan hjälpa att förstå hur jordens inre har förändrats under de senaste 4,5 miljarder åren, ", sa Irving. "Det som är spännande med dessa resultat är att de ger oss ny information för att förstå ödet för forntida tektoniska plattor som har sjunkit ner i manteln, och där forntida mantelmaterial fortfarande kan finnas."

Hon tillade:"Seismologi är mest spännande när det låter oss bättre förstå vår planets inre i både rum och tid."