Datorsimuleringar starkt stöd för ny teori om Jordens inre
Forskare vid Uppsala universitet och KTH presenterar i dagens nätupplaga av tidskriften Science belägg för att deras teori om Jordens inre verkligen stämmer. Rönen kan bland annat få betydelse för förståelsen av jordens avkylning, liksom av stabiliteten hos det jordmagnetiska fältet.
Seismiska observationer har visat att elastiska vågor passerar snabbare genom jordens inre kärna i riktningar som är parallella med jordens rotationsaxel än i riktningar som är parallella med ekvatorn. Detta trots att det rimligtvis, vid de höga temperaturer som råder i jordens inre, borde gå lika snabbt oavsett riktning. Man har tidigare inte kunnat förklara detta fenomen. Men i den aktuella studien presenterar en forskargrupp från Uppsala universitet och KTH en lösning.
Simuleringar av hur seismiska vågor fortplantar sig i järn ger stöd för den teori forskargruppen presenterade 2003 – att Jordens inre kärna, som i huvudsak består av järn, intar en kroppscentrerad kubisk struktur. En struktur som, trots den höga symmetrin, uppvisar en förvånansvärt hög elastisk anisotropi, det vill säga att dess elastiska egenskaper beror av riktningen. Då den presenterades var denna teori om kristallstrukturen helt i strid med den gängse uppfattningen, men sedan dess har teorin fått både experimentellt och teoretiskt stöd.
I den nya studien presenterar forskarna alltså simuleringar av hur seismiska vågor fortplantar sig i järn under de förhållanden som råder i jordens inre. Simuleringar som visar en skillnad i hastighet på omkring 12 procent beroende på riktning – vilket räcker som förklaring till de förbryllande observationerna.
Först beräknades rörelsebanorna för flera atomer i stark växelverkan med varandra. Utifrån detta kunde forskarna sedan säkerställa att ljudvågornas framfart verkligen beskrevs väl i den modell för järn som datorn genererade, under de betingelser som råder i jordens inre.
– Vi fann att den kroppscentrerade kubiska strukturen hos järn är den enda som kunde motsvara de experimentella observationerna, säger Börje Johansson, professor i materialvetenskap vid KTH och Uppsala universitet.
Jordens värmebalans, liksom dess magnetfält, beror på den värmemängd som finns upplagrad i jordens inre kärna. Detta förhållande är i sin tur beroende av kristallstrukturen hos järnet i den inre kärnan. Tidigare har dessa uppskattningar baserats på modeller som utgår från den hexagonala strukturen för järnet i den inre kärnan.
De svenska forskarnas upptäckt kommer nu att leda till en kritisk omvärdering av tidigare rön om jordens avkylning och stabiliteten hos dess magnetiska fält.
– Denna studie öppnar nya perspektiv för vår förståelse av jordens historia, nutid och framtid, säger Natalia Skorodumova, forskare vid instiutionen för fysik och materialvetenskap vid Uppsala universitet.
I sina studier använde sig forskarna av modeller baserade på den så kallade täthetsfunktionalteorin för vilken Walter Kohn fick Nobelpriset år 1998. Beräkningarna på de allra kraftfullaste superdatorerna i Stockholm och Linköping.
För mer information, kontakta professor Börje Johansson, 018-471 36 23, 070-417 54 52, borje.johansson@fysik.uu.se
Håkan Soold