Kastar nytt ljus över jordens mittpunkt

NYHET

Publicerad 2017-02-13

Även om det är hetare vid jordklotets mittpunkt än på solens yta så förblir vår planets kärna, till större delen bestående av järn, solid. En ny studie från forskare på KTH visar hur detta är möjligt, och kan sätta punkt för en mångårig vetenskaplig diskussion. De nya kunskaperna kan också öka förståelsen för jordens seismiska aktivitet.

Ett klot, bestående av järn i en kristallin struktur och nästan i samma storlek som månen, roterar inuti jordens glödheta kärna. Att fullt ut förstå detta fenomen, som ej låter sig observeras, kräver en förståelse för järns atomiska struktur. Det vill säga de järnkristaller som klotet är uppbyggd av.

Hur järns kristallina struktur ser ut i jordens kärna är emellertid något som forskare debatterat i över 30 år, och det som universitetslektorn Anatoly Belonoshko på KTH och hans kollegor forskat om.

Precis som med alla metaller så ändrar sig järnets kristallina struktur på atomnivå beroende av temperatur och tryck. Atomerna är ordnade i så väl kubiska som hexagonala formationer. Vid rumstemperatur och normalt atmosfäriskt tryck befinner sig järn i en fas som kallas "body-centered cubic" (BCC), vilket är en kristallarkitektur där atomerna är formade i en kubisk figur med åtta hörn och en mittpunkt. Vid extremt högt tryck byter dock atomformationen skepnad och antar en mer hexagonal form med 12 hörn, något som kallas close packed (HCP).

I jordens kärna, där trycket är 3,5 miljoner högre än vid jordens yta och där temperaturen närmar sig 6 000 grader Celsius, har forskare föreslagit att järnets atomiska struktur måste vara hexagonal. En studie från 2014 slår därtill fast att järn i BCC-fas, det vill säga med kubformad atomisk struktur, skulle vara instabil under de extrema förhållanden som råder i jordens mittpunkt.

I en nypublicerad studie i den vetenskapliga tidskriften Nature Geoscience konstaterar emellertid forskare vid KTH att järn visst kan befinna sig i BCC-fasen i jordens kärna. Anatoly Belonoshko, som bedriver forskning i kondenserade materiens teori vid avdelningen för fysik på KTH, berättar att han och de andra forskarna studerat resultatet av stora datorsimuleringar. Betydligt mer omfattande simuleringar än vad som tidigare genomförts i ämnet. När järnet under dessa extrema förhållanden i BCC-fasen skulle bli instabilt hände istället motsatsen. Det blev mer stabilt.

– Med de förutsättningar som finns i jordens kärna kunde vi se att järn i BCC-fas uppträdde med en atomisk spridningar som tidigare aldrig observerats, säger Anatoly Belonoshko.

Forskarnas slutsatser kommer från omfattande datorsimuleringar utförda på Triolith, en av Sveriges mest kraftfulla superdatorer. Simuleringarna har givit KTH-forskarna möjligheten att omtolka observationer gjorda av forskare vid Livermore Lawrence National Laboratory i Kalifornien för tre år sedan.

Vid låga temperaturer är järn i BCC-fas instabilt och olika plan sprider ut sig i strukturen. Vid högre temperaturer stabiliseras strukturen.

Anatoly Belonoshko liknar det hela med korten i en kortlek.

– Planens spridning påminner om att blanda en kortlek. Även om korten placeras på olika positioner så formar de fortfarande tillsammans en kortlek. Samma sak gäller för järnet i BCC-fasen, den behåller sin kubiska struktur och form, säger Anatoly Belonoshko.

Ett sådant här blandande leder till en enorm ökningar av fördelningen av molekyler och energi, vilket bidrar till en ökad entropi eller distribution av de olika energitillstånden. Detta leder i sin tur till att järnet i BCC-fas blir stabilt.

– I normala fall innebär atomisk spridning att strukturer förstörs och att ämnet antar flytande form. I detta fall blir det tvärtom, spridningen hjälper till att bevara strukturen. BCC-fasen tycks ha mottto "Det som inte dödar, det härdar", säger Anatoly Belonoshko.

Han tillägger att spridningen också kan förklara varför jordens kärna är anisotropisk, det vill säga att strukturen har en textur som exempelvis trä. Anisotropin förklarar till exempel varför seismiska stötar färdas snabbare mellan jordens två poler i jämförelse med rakt genom jordklotet vid ekvatorn.

Enligt Anatoly Belonoshko kan den nyvunna förståelsen förhoppningsvis leda till en bättre förståelse för så väl jordens innanmäte som dess framtid.

Den vetenskapliga artikeln bär rubriken "Stabilization of body-centred cubic iron under inner core conditions" och återfinns på Nature Geosciences webbplats (DOI: 10.1038/ngeo2892).

Text: David Callahan

För mer information, kontakta Anatoly Belonoshko på 08 - 790 82 88 eller anatoly@kth.se.

Till sidans topp