Jordens magnetfält skyddar och gör vår planet beboelig genom att stoppa skadliga högenergipartiklar från rymden, inklusive från solen. Källan till detta magnetfält är kärnan i mitten av vår planet.

Men kärnan är mycket svår att studera, delvis för att det börjar på cirka 2 djup, 900 kilometer, gör det för djupt att prova och undersöka direkt.

Ändå är vi en del av ett forskargrupp som hittade ett sätt att få information om jordens kärna, med detaljer publicerade nyligen i Geochemical Perspective Letters.

Det är varmt där nere

Kärnan är den hetaste delen av vår planet med den yttre kärnan som når temperaturer på mer än 5, 000 ℃. Detta måste påverka den överliggande manteln och det uppskattas att 50% av vulkanisk värme kommer från kärnan.

Vulkanisk aktivitet är planetens främsta kylmekanism. Viss vulkanism, såsom den som fortfarande bildar vulkaniska öar Hawaii och Island, kan kopplas till kärnan med mantelflygor som överför värme från kärnan till jordens yta.

Men huruvida det finns något utbyte av fysiskt material mellan kärnan och manteln har varit föremål för debatt i årtionden.

Våra resultat tyder på att något kärnmaterial överförs till basen av dessa mantelflygor, och kärnan har läckt ut detta material under de senaste 2,5 miljarder åren.

Vi upptäckte detta genom att titta på mycket små variationer i förhållandet mellan isotoper av elementet volfram (isotoper är i grunden versioner av samma element som bara innehåller olika antal neutroner).

För att studera jordens kärna, vi måste söka efter kemiska spårämnen av kärnmaterial i vulkaniska bergarter som härrör från den djupa manteln.

Vi vet att kärnan har en mycket distinkt kemi, domineras av järn och nickel tillsammans med element som volfram, platina och guld som löses upp i järn-nickellegering. Därför, metalllegeringsälskande element är ett bra val för att undersöka spår av kärnan.

Sökandet efter volframisotoper

Volfram (kemisk symbol W) som baselement har 74 protoner. Volfram har flera isotoper, Inklusive ¹⁸² W (med 108 neutroner) och ¹⁸⁴ W (med 110 neutroner).

Dessa isotoper av volfram har potential att vara de mest avgörande spårarna av kärnmaterial, eftersom manteln förväntas ha mycket högre ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -förhållanden än kärnan.

Detta beror på ett annat element, Hafnium (Hf), som inte löser sig i järn-nickellegering och är berikad i manteln, och hade en nu utdöd isotop ( ¹⁸² Hf) som förfallit till ¹⁸² W. Detta ger manteln extra ¹⁸² W i förhållande till volfram i kärnan.

Men den analys som krävs för att upptäcka variationer i volframisotoper är otroligt utmanande, som vi tittar på variationer i ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -förhållandet i delar per miljon och koncentrationen av volfram i bergarter är så låg som tiotals delar per miljard. Färre än fem laboratorier i världen kan göra denna typ av analys.

Bevis på läckage

Vår studie visar en väsentlig förändring av ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -förhållandet mellan manteln under jordens livstid. Jordens äldsta stenar har betydligt högre ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W än de flesta stenar på dagens jord.

Förändringen i ¹⁸² W/ ¹⁸⁴ W -förhållandet för manteln indikerar att volfram från kärnan har läckt in i manteln under en lång tid.

Intressant, i jordens äldsta vulkaniska stenar, under en tidsram på 1,8 miljarder år sker ingen signifikant förändring av mantelns volframisotoper. Detta indikerar att från 4,3 miljarder till 2,7 miljarder år sedan, lite eller inget material från kärnan överfördes till den övre manteln.

Men under de efterföljande 2,5 miljarder åren mantelens volframisotopkomposition har väsentligt förändrats. Vi drar slutsatsen att en förändring av platttektonik, mot slutet av den arkeiska Eon för cirka 2,6 miljarder år sedan utlöste tillräckligt stora konvektiva strömmar i manteln för att förändra volframisotoperna på alla moderna stenar.

Varför läckan?

Om mantelplommon stiger från kärnmantelgränsen till ytan, det följer att material från jordens yta också måste sjunka in i den djupa manteln.

Subduktion, termen som används för stenar från jordens yta som sjunker ner i manteln, tar syrerikt material från ytan till den djupa manteln som en integrerad komponent i platttektonik.

Experiment visar att ökad syrekoncentration vid kärnmantelgränsen kan få volfram att separera ut ur kärnan och in i manteln.

Alternativt, inre kärnstörning skulle också öka syrekoncentrationen i den yttre kärnan. I detta fall, våra nya resultat kan berätta något om kärnans utveckling, inklusive ursprunget till jordens magnetfält.

Jordens kärna började som helt flytande metall och har kylt och delvis stelnat över tiden. Magnetfältet genereras av snurrningen av den inre fasta kärnan. Tiden för inre kärnkristallisering är en av de svåraste frågorna att besvara inom jord- och planetvetenskap.

Vår studie ger oss ett spårämne som kan användas för att undersöka interaktion mellan kärnmantel och förändringen i vår planets inre dynamik, och som kan öka vår förståelse för hur och när magnetfältet slogs på.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.