Om jordens hav dränerades helt, de skulle avslöja en enorm kedja av undervattensvulkaner som slingrar sig runt planeten. Detta vidsträckta havsryggsystem är en produkt av att material välter i jordens inre, där koktemperaturer kan smälta och lufta vaggar upp genom skorpan, dela havsbotten och omforma planetens yta under hundratals miljoner år.

Nu har geologer vid MIT analyserat tusentals prover av utbrott material längs havsryggar och spårat tillbaka deras kemiska historia för att uppskatta temperaturen i jordens inre.

Deras analys visar att temperaturen på jordens underliggande havsryggar är relativt konsekvent, runt 1, 350 grader Celsius - ungefär lika hett som en gasspiss blå låga. Det finns, dock, "hotspots" längs åsen som kan nå 1, 600 grader Celsius, jämförbar med den hetaste lavan.

Teamets resultat, visas idag i Journal of Geophysical Research:Solid Earth , tillhandahålla en temperaturkarta över jordens inre runt havsryggar. Med denna karta, forskare kan bättre förstå de smältningsprocesser som ger upphov till undervattensvulkaner, och hur dessa processer kan driva takten i plattektoniken över tid.

"Konvektion och plattektonik har varit viktiga processer för att forma jordens historia, " säger huvudförfattaren Stephanie Brown Krein, en postdoc vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Att känna till temperaturen längs hela denna kedja är grundläggande för att förstå planeten som en värmemotor, och hur jorden kan skilja sig från andra planeter och kunna upprätthålla liv."

Kreins medförfattare inkluderar Zachary Molitor, en EAPS doktorand, och Timothy Grove, R.R. Schrock professor i geologi vid MIT.

En kemisk historia

Jordens inre temperatur har spelat en avgörande roll för att forma planetens yta under hundratals miljoner år. Men det har inte funnits något sätt att direkt avläsa denna temperatur tiotals till hundratals kilometer under ytan. Forskare har använt indirekta medel för att härleda temperaturen på den övre manteln - jordskiktet precis under jordskorpan. Men uppskattningar hittills är ofullständiga, och forskare är oense om hur mycket temperaturerna varierar under ytan.

För deras nya studie, Kerin och hennes kollegor utvecklade en ny algoritm, kallas ReversePetrogen, som är designad för att spåra en stens kemiska historia tillbaka i tiden, för att identifiera dess ursprungliga sammansättning av grundämnen och bestämma temperaturen vid vilken berget först smälte under ytan.

Algoritmen är baserad på åratal av experiment utförda i Groves labb för att reproducera och karakterisera smältprocesserna i jordens inre. Forskare i labbet har värmt upp stenar av olika sammansättning, nå olika temperaturer och tryck, att observera deras kemiska utveckling. Från dessa experiment, teamet har kunnat härleda ekvationer – och i slutändan, den nya algoritmen – för att förutsäga sambanden mellan en stens temperatur, tryck, och kemisk sammansättning.

Kerin och hennes kollegor tillämpade sin nya algoritm på stenar som samlats längs jordens havsryggar – ett system av undervattensvulkaner som spänner över mer än 70, 000 kilometer lång. Havsryggar är regioner där tektoniska plattor sprids isär genom utbrott av material från jordens mantel - en process som drivs av underliggande temperaturer.

"Du kan effektivt göra en modell av temperaturen i hela jordens inre, delvis baserat på temperaturen vid dessa åsar, " säger Kerin. "Frågan är, vad säger data egentligen om temperaturvariationen i manteln längs hela kedjan?"

Mantel karta

Data som teamet analyserade inkluderar mer än 13, 500 prover insamlade längs med havsryggsystemet under flera decennier, genom flera forskningskryssningar. Varje prov i datamängden är av ett utbrott havsglas - lava som bröt ut i havet och omedelbart kyldes av det omgivande vattnet till en orörd, bevarad form.

Forskare har tidigare identifierat den kemiska sammansättningen av varje glas i datamängden. Kerin och hennes kollegor körde varje provs kemiska sammansättning genom sin algoritm för att bestämma temperaturen vid vilken varje glas ursprungligen smälte i manteln.

På det här sättet, teamet kunde generera en karta över manteltemperaturer längs hela längden av havsryggsystemet. Från denna karta, de observerade att mycket av manteln är relativt homogen, med en medeltemperatur på runt 1, 350 grader Celsius. Det finns dock "hotspots, " eller regioner längs åsen, där temperaturen i manteln verkar betydligt varmare, runt 1, 600 grader Celsius.

"Folk tänker på hotspots som regioner i manteln där det är varmare, och där material kan smälta mer, och potentiellt stiger snabbare, och vi vet inte riktigt varför, eller hur mycket varmare de är, eller vilken roll kompositionen är vid hotspots, " säger Kerin. "Några av dessa hotspots är på åsen, och nu kan vi få en känsla av vad hotspot-variationen är globalt med denna nya teknik. Det säger oss något fundamentalt om jordens temperatur nu, och nu kan vi tänka på hur det har förändrats över tiden."

Kerin tillägger:"Att förstå denna dynamik kommer att hjälpa oss att bättre avgöra hur kontinenter växte och utvecklades på jorden, och när subduktion och plattektonik startade - vilket är avgörande för komplext liv."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.