Av okända skäl, Jordens inre kärna av massivt järn växer snabbare på ena sidan än den andra, och det har det varit ända sedan det började frysa ur smält järn för mer än en halv miljard år sedan, enligt en ny studie av seismologer vid University of California, Berkeley.

Den snabbare tillväxten under Indonesiens Banda-hav har inte lämnat kärnan på sned. Tyngdkraften fördelar den nya tillväxten jämnt – järnkristaller som bildas när det smälta järnet svalnar – för att bibehålla en sfärisk inre kärna som växer i radie med i genomsnitt 1 millimeter per år.

Men den ökade tillväxten på ena sidan tyder på att något i jordens yttre kärna eller mantel under Indonesien tar bort värme från den inre kärnan i en snabbare takt än på den motsatta sidan, under Brasilien. Snabbare kylning på ena sidan skulle påskynda järnkristallisation och inre kärntillväxt på den sidan.

Detta har konsekvenser för jordens magnetfält och dess historia, eftersom konvektion i den yttre kärnan driven av frigöring av värme från den inre kärnan är det som idag driver dynamo som genererar magnetfältet som skyddar oss från farliga partiklar från solen.

"Vi ger ganska lösa gränser för åldern på den inre kärnan - mellan en halv miljard och 1,5 miljarder år - som kan vara till hjälp i debatten om hur magnetfältet genererades innan den solida inre kärnan existerade, sa Barbara Romanowicz, UC Berkeley Professor vid forskarskolan vid Institutionen för jord- och planetvetenskap och emeritus chef för Berkeley Seismological Laboratory (BSL). "Vi vet att magnetfältet existerade redan för 3 miljarder år sedan, så andra processer måste ha drivit konvektion i den yttre kärnan vid den tiden."

Den inre kärnans unga ålder kan innebära att, tidigt i jordens historia, värmen som kokade vätskekärnan kom från lätta element som separerade från järn, inte från kristallisation av järn, som vi ser idag.

"Debatten om den inre kärnans ålder har pågått under lång tid, sa Daniel Frost, biträdande projektforskare vid BSL. "Komplikationen är:Om den inre kärnan bara har kunnat existera i 1,5 miljarder år, baserat på vad vi vet om hur det förlorar värme och hur varmt det är, var kom då det äldre magnetfältet ifrån? Det är därifrån denna idé om lösta lätta element som sedan fryser ut kom."

Frysjärn

Asymmetrisk tillväxt av den inre kärnan förklarar ett tre decennium gammalt mysterium - att det kristalliserade järnet i kärnan tycks vara fördelaktigt inriktat längs jordens rotationsaxel, mer i väster än i öster, medan man skulle förvänta sig att kristallerna skulle vara slumpmässigt orienterade.

Bevis för denna inriktning kommer från mätningar av färdtiden för seismiska vågor från jordbävningar genom den inre kärnan. Seismiska vågor färdas snabbare i riktning mot nord-sydlig rotationsaxel än längs ekvatorn, en asymmetri som geologer tillskriver järnkristaller – som är asymmetriska – som har sina långa axlar företrädesvis inriktade längs jordens axel.

Om kärnan är fast kristallint järn, hur orienterar sig järnkristallerna företrädesvis i en riktning?

I ett försök att förklara observationerna, Frost och kollegor Marine Lasbleis från Université de Nantes i Frankrike och Brian Chandler och Romanowicz från UC Berkeley skapade en datormodell av kristalltillväxt i den inre kärnan som innehåller geodynamiska tillväxtmodeller och mineralfysiken hos järn vid högt tryck och hög temperatur.

"Den enklaste modellen verkade lite ovanlig - att den inre kärnan är asymmetrisk, " sa Frost. "Västra sidan ser annorlunda ut från den östra sidan hela vägen till mitten, inte bara på toppen av den inre kärnan, som vissa har föreslagit. Det enda sättet vi kan förklara det är att den ena sidan växer snabbare än den andra."

Modellen beskriver hur asymmetrisk tillväxt – cirka 60 % högre i öster än väster – företrädesvis kan orientera järnkristaller längs rotationsaxeln, med mer anpassning i väster än i öster, och förklara skillnaden i seismisk våghastighet över den inre kärnan.

"Vad vi föreslår i det här dokumentet är en modell av skev fast konvektion i den inre kärnan som förenar seismiska observationer och rimliga geodynamiska randförhållanden, " sa Romanowicz.

Glasera, Romanowicz och deras kollegor kommer att rapportera sina resultat i veckans nummer av tidskriften Naturgeovetenskap .

Undersöka jordens inre med seismiska vågor

Jordens inre är lager som en lök. Den solida inre kärnan av järn-nickel—idag 1, 200 kilometer (745 miles) i radie, eller ungefär tre fjärdedelar av månen – är omgiven av en flytande yttre kärna av smält järn och nickel på ungefär 2, 400 kilometer (1, 500 miles) tjock. Den yttre kärnan är omgiven av en mantel av het sten 2, 900 kilometer (1, 800 miles) tjock och täckt av en tunn, Häftigt, stenig skorpa vid ytan.

Konvektion sker både i den yttre kärnan, som sakta kokar när värme från kristalliserat järn kommer ut ur den inre kärnan, och i manteln, när hetare sten rör sig uppåt för att föra denna värme från planetens centrum till ytan. Den kraftiga kokande rörelsen i den yttre kärnan av flytande järn producerar jordens magnetfält.

Enligt Frosts datormodell, som han skapade med hjälp av Lasbleis, när järnkristaller växer, gravitationen omfördelar överskottstillväxten i öster mot väster inom den inre kärnan. Denna rörelse av kristaller inom den ganska mjuka fasta delen av den inre kärnan – som är nära smältpunkten för järn vid dessa höga tryck – riktar in kristallgittret längs jordens rotationsaxel i högre grad i väster än i öster.

Modellen förutsäger korrekt forskarnas nya observationer om seismiska vågor genom den inre kärnan:Anisotropin, eller skillnad i färdtider parallellt med och vinkelrätt mot rotationsaxeln, ökar med djupet, och den starkaste anisotropin är förskjuten i väster från jordens rotationsaxel med cirka 400 kilometer (250 miles).

Modellen för tillväxt av inre kärnor ger också gränser för andelen nickel till järn i jordens mitt, sa Frost. Hans modell återger inte exakt seismiska observationer om inte nickel utgör mellan 4 % och 8 % av den inre kärnan – vilket är nära andelen metalliska meteoriter som en gång antagligen var kärnorna till dvärgplaneter i vårt solsystem. Modellen berättar också för geologer hur trögflytande, eller vätska, den inre kärnan är.

"Vi föreslår att viskositeten hos den inre kärnan är relativt stor, en ingångsparameter av betydelse för geodynamiker som studerar dynamoprocesserna i den yttre kärnan, " sa Romanowicz.