“Als je ooit je sleutels in een rivier van gesmolten lava laat vallen, laat ze dan los, want man, ze zijn weg.” -Jack Handey
Kijk eens naar onze planeet, de aarde, en één van de dingen die je opvalt, is dat meer dan 70% van het oppervlak bedekt is met water.
We weten natuurlijk allemaal waarom dat zo is: dat komt omdat de oceanen van de aarde drijven op de rotsen en het vuil waaruit datgene bestaat wat wij kennen als land.
Dit concept van drijfvermogen en drijfvermogen – waarbij de minder dichte voorwerpen boven de dichtere komen, die naar de bodem zinken – verklaart veel meer dan alleen de oceanen.
Ditzelfde principe verklaart waarom ijs op water drijft, waarom een heliumballon door de atmosfeer opstijgt of waarom stenen naar de bodem van een meer zinken, waarbij de laatste reden is dat het minder dichte water rond de steen opstijgt. Ditzelfde principe – van het drijfvermogen – verklaart ook waarom de aarde gelaagd is zoals ze is.
Het minst dichte deel van de Aarde, de atmosfeer, drijft boven op de waterige oceanen, die op hun beurt boven op de aardkorst drijven, die boven de dichtere mantel ligt, die zelf niet kan wegzinken in het dichtste deel van de Aarde: de kern.
De meest stabiele toestand waarin de Aarde zich zou kunnen bevinden, is er in feite een die perfect gelaagd is als een ui, met de dichtste elementen allemaal naar het centrum toe, waarbij elke laag naar buiten toe geleidelijk aan uit minder dichte elementen bestaat. In feite is elke aardbeving die op Aarde plaatsvindt in feite de planeet die een heel klein stapje dichter bij die ideale staat komt, omdat onze rotatiesnelheid iets versnelt in de nasleep van elke aardbeving.
En dit beeld van onze wereld, gelaagd naar dichtheid met minder dichte lagen die de geleidelijk dichter wordende, binnenste lagen omringen, verklaart de structuur van niet alleen de Aarde, maar van alle planeten. We hoeven ons alleen maar te herinneren waar al deze elementen in de eerste plaats vandaan kwamen.
Toen het heelal heel jong was – slechts een paar minuten oud – bestonden er praktisch alleen maar waterstof en helium. Alle zwaardere elementen werden in sterren gemaakt, en pas toen deze sterren stierven, werden deze zware elementen weer het heelal in gerecycled, zodat nieuwe generaties sterren konden ontstaan.
Maar deze keer vormt een mix van al deze nieuwe elementen – niet alleen waterstof en helium, maar ook koolstof, stikstof, zuurstof, silicium, magnesium, zwavel, ijzer en meer – niet alleen nieuwe sterren, maar ook een protoplanetaire schijf rond elk van die sterren.
De naar buiten gerichte druk van de zich nieuw vormende ster duwt bij voorkeur de lichtere elementen naar de buitenste delen van het zonnestelsel, terwijl de zwaartekracht instabiliteit in de schijf veroorzaakt om in te storten en te vormen wat planeten zullen worden.
In het geval van ons zonnestelsel zijn de vier binnenste werelden de vier dichtste planeten in ons zonnestelsel, waarbij Mercurius is samengesteld uit de dichtste elementen. Alle vier konden ze de grote hoeveelheden waterstof en helium waarmee ze werden gevormd niet gravitationeel vasthouden, waardoor ze geen gasreuzen konden worden zoals de andere vier planeten van ons zonnestelsel.
Maar de buitenplaneten, die zowel massiever zijn als verder van de zon af staan (en dus minder straling ontvangen), slaagden erin grote hoeveelheden van deze ultralichte elementen vast te houden, en vormden gasreuzen.
Elke van deze werelden heeft, net als de Aarde, – over het geheel genomen – de dichtste elementen geconcentreerd in de kern, met lichtere die geleidelijk aan steeds minder dichte lagen eromheen vormen.
Het zal je niet verbazen dat ijzer, het meest stabiele element en het zwaarste element dat buiten supernova’s in grote hoeveelheden wordt gemaakt, het element is dat het meest voorkomt in de kern van de aarde. Maar het zal u misschien verbazen dat tussen de vaste binnenkern en de vaste mantel een meer dan 2000 kilometer dikke vloeibare laag ligt: de buitenkern van de aarde.
Net als de walgelijke kauwgom die je oma altijd bij zich droeg, heeft de aarde een enorme vloeibare laag binnenin zich, die maar liefst 30 procent van de massa van onze planeet bevat! De manier waarop we weten dat de buitenste kern vloeibaar is, is heel briljant: van de seismische golven die door aardbevingen worden geproduceerd!
Er zijn twee verschillende soorten seismische golven die bij aardbevingen worden geproduceerd: de primaire compressiegolf, bekend als de P-golf, die werkt als een puls door een slinky,
en de secundaire afschuifgolf, bekend als de S-golf, die zich voortplant als golven aan het zeeoppervlak.
Twee golven bewegen zich in een bolvormig omhulsel naar buiten vanaf hun punt van oorsprong op de aarde, waarbij ze niet alleen het oppervlak in de buurt van hun epicentrum treffen en doorklieft, maar over de hele wereld! Seismische meetstations over de hele wereld zijn uitgerust om zowel P- als S-golven op te vangen, maar S-golven reizen niet door vloeistof (ze worden wel verzwakt), terwijl P-golven niet alleen door vloeistof reizen, maar ook nog eens worden gebroken!
Hieruit kunnen we afleiden dat de Aarde een vloeibare buitenkern heeft, een vaste mantel daarbuiten, en een vaste kern daarbinnen! Dus zo komt het dat de Aarde de zwaarste, dichtste elementen in haar kern heeft, en hoe we weten dat haar buitenkern een vloeibare laag is.
Maar waarom is de buitenkern vloeibaar? Zoals bij alle elementen hangt het van de druk en de temperatuur af of ijzer vast, vloeibaar, gasvormig of “anders” is.
Ijzer is echter veel gecompliceerder dan veel elementen waaraan u misschien gewend bent. Zeker, het kan een verscheidenheid aan kristallijne vaste fasen aannemen, zoals hierboven te zien is, maar we zijn niet geïnteresseerd in deze normale drukken, die in de diagrammen hierboven worden weergegeven. We gaan helemaal naar de kern van de aarde, waar de druk niet slechts een paar keer (of zelfs een paar honderd keer) zo hoog is als de atmosferische druk waaraan we gewend zijn, maar miljoenen keren hoger dan de druk op zeeniveau. Hoe ziet het fasediagram eruit bij zulke hoge drukken?
Het mooie van de wetenschap is dat zelfs als je het antwoord niet uit je hoofd weet, de kans groot is dat iemand onderzoek heeft gedaan waar je het antwoord wel kunt vinden! In dit geval hebben Ahrens, Collins en Chen, 2001 het antwoord dat we zoeken!
Hoewel dit diagram enorme drukken weergeeft – tot wel 120 GigaPascal – is het belangrijk te bedenken dat onze atmosfeer slechts 0,0001 GigaPascal heeft, terwijl de binnenkern een druk ondervindt van naar schatting 330-360 Gpa! De bovenste vaste lijn stelt de grens voor tussen gesmolten ijzer (boven de lijn) en massief ijzer (eronder). Maar merk op hoe, helemaal aan de rand van de ononderbroken lijn, deze een scherpe bocht naar boven maakt?
Bij 330 GigaPascals is een enorme temperatuur nodig, vergelijkbaar met die aan het oppervlak van de zon, om ijzer te smelten. Diezelfde temperaturen echter, bij lagere druk, zullen ijzer gemakkelijk in zijn vloeibare fase houden, terwijl bij hogere druk ijzer een vaste stof zal vormen. Wat betekent dit voor de kern van de aarde?
De hoogste temperatuur – in het centrum van de Aarde – die onze planeet bereikt is iets minder dan 6.000 Kelvin, terwijl de smelttemperatuur van ijzer op de grens tussen de binnenkern en de buitenkern volgens de meest recente schattingen ook rond die waarde ligt.
Maar hier komt de clou: de Aarde koelt in de loop der tijd af, omdat haar hitte sneller de ruimte in wordt gestraald dan dat zij zelf warmte produceert door radioactief verval. Binnenin de aarde daalt de temperatuur, terwijl de druk constant blijft.
Met andere woorden, toen de aarde voor het eerst werd gevormd, was zij heter; het is zeer waarschijnlijk dat de hele kern ooit vloeibaar was, en terwijl zij blijft afkoelen, blijft de binnenkern groeien! En terwijl dit gebeurt, omdat vast ijzer een hogere dichtheid heeft dan vloeibaar ijzer, zal de Aarde iets krimpen, waardoor wat?
Meer aardbevingen!
De aardkern is dus vloeibaar omdat hij heet genoeg is om ijzer te smelten, maar alleen op plaatsen waar de druk laag genoeg is. Naarmate de Aarde ouder wordt en afkoelt, wordt steeds meer van de kern vast, en als dat gebeurt, krimpt de Aarde een beetje!
Als we ver in de toekomst willen kijken, kunnen we verwachten dat we uiteindelijk kenmerken krijgen als de grote littekens die op Mercurius te vinden zijn!
Omdat Mercurius zo klein is, is het al enorm afgekoeld en gekrompen, en vertoont het scheuren van honderd mijl lang waar het door deze afkoeling gedwongen werd samen te trekken!
Waarom heeft de aarde dan uiteindelijk een vloeibare kern? Omdat het nog niet klaar is met afkoelen! En elke aardbeving die je voelt is de Aarde die net een beetje dichter bij haar uiteindelijke, afgekoelde, vaste-gehele-weg-staat komt!
(Maak je echter geen zorgen, de Zon zal exploderen en jij en iedereen die je kent zullen heel lang dood zijn voordat dat ooit gebeurt!)
