Uit het diepst van de Aarde sneeuwen siliciumrijke kristallen omhoog. En dat verklaart een hoop

Diep onder het aardoppervlak worden onder hoge druk siliciumrijke kristallen gevormd. Die zijn lichter dan de vloeibare massa eromheen waardoor ze naar boven ‘sneeuwen’.

Dit gebeurt in de zogeheten buitenkern van de Aarde, die zich bevindt op zo’n 3000 kilometer diepte. Deze kern is ongeveer 2000 kilometer dik en bestaat met name uit vloeibaar ijzer en nikkel. Het is er gloeiend heet, zo’n 2900 graden Celsius. Daaronder zit nog een vaste binnenkern en boven de buitenkern bevindt zich de aardmantel.
Hoewel de buitenkern duizenden kilometers onder het aardoppervlak ligt, heeft hij zeker effect op onze planeet, omdat daar het magnetisch veld van de aarde ontstaat.

Nagebootste aardkern
Onderzoekers hebben nu een experiment uitgevoerd om te kijken hoe siliciumrijke kristallen zich vormen in een vloeibare ijzer-waterstofmassa, met hoge druk en hoge temperaturen, precies zoals in de buitenkern van de Aarde.

De kristallen bevatten genoeg silicium om lichter te zijn dan de vloeibare massa waar ze zich in bevinden en komen daardoor omhoog. De onderzoekers spreken dan ook van siliciumrijke sneeuw, die niet naar beneden zinkt maar juist omhoog ‘valt’.

Een dagje in de sneeuw
“We ontdekten de kristallisering tijdens onze experimenten in coronatijd in Chicago toen het sneeuwde”, legt onderzoeker Sang-Heon Dan Shim van de Arizona State University uit. “Het is interessant dat zulke kristallisering kan leiden tot omhoog vallende siliciumrijke sneeuw in de buitenkern.”

Voor het experiment hadden de onderzoekers een ijzer-siliciumlegering toegevoegd aan een mengsel van waterstof-argongas. Argon is het meest voorkomende edelgas en maakt ongeveer 1 procent uit van de atmosfeer van de Aarde. Daarna werd het mengsel samengeperst onder een even hoge druk als in de kern van de aarde. Terwijl het mengsel onder hoge druk werd gehouden, werd het opgewarmd door laserstralen tot temperaturen die vergelijkbaar zijn met de buitenkern. Met extreem heldere röntgenstraling konden de onderzoekers zo de kristallisatie monitoren.

Extreme omstandigheden
“Het is heel moeilijk om zó’n hoge temperatuur te creëren dat een ijzerlegering onder zeer hoge druk smelt in waterstof”, legt Shim uit. “Dat komt doordat waterstof kan uitzetten in de hogedrukapparaten waardoor ze breken en de experimenten mislukken.”
Voor dit experiment hebben de onderzoekers dan ook een nieuwe methode ontwikkeld waarbij waterstof wordt gemengd met argon. “Argon reageert niet met het mengsel maar onderdrukt de waterstofverspreiding in de hogedrukapparaten, waardoor het mogelijk werd om de extreme omstandigheden van de buitenkern in een laboratorium na te bootsen.”

Hopen omhoogvallende sneeuw
Door deze kristallisering kunnen siliciumrijke sneeuwhopen ontstaan in de overgangszone van de vloeibare ijzeren aardkern naar de rotsachtige mantel, waar al veel meer raadselachtige structuren zijn aangetroffen tijdens eerdere studies. “Als silicium en waterstof de twee belangrijkste lichte elementen zijn in de buitenste kern en in de juiste hoeveelheid voorkomen, kan zulke opstijgende siliciumrijke sneeuw ontstaan”, voegt hoofdonderzoeker Suyu Fu toe.

Mogelijk is deze sneeuw de verklaring voor de core-rigidity-zone. Deze laag is een paar honderd meter dik en vormt het buitenste deel van de buitenkern waar de vloeibare massa langzaam overgaat in vaster materiaal. Mogelijk bestaat het onderste deel van de grens tussen de aardkern en -mantel uit de siliciumrijke sneeuw.

Ultralage snelheid
Als de omhoogkomende hete stroom deze stijgende siliciumrijke sneeuwkristallen mee naar boven neemt, kan een fijnmazige structuur ontstaan met een hele lage seismische snelheid in het alleronderste gedeelte van de aardmantel. Dat kan de ultralagesnelheidszones verklaren die al decennia worden waargenomen in studies. Dit zijn diepliggende gebieden waar de snelheid van de stromende massa tot wel 30 procent lager ligt dan op andere plaatsen op de grens van de aardkern en de aardmantel. “Onze studie voorspelt ook dat de siliciumrijke sneeuw in het buitenste deel van de kern begint en zich dan kan ontwikkelen naar grotere dieptes als de Aarde afkoelt”, besluit Fu.

Vulkanen met sneeuw
De nieuwe bevindingen zorgen voor een beter inzicht in de chemische samenstelling van het diepe binnenste van de aarde. Fu legt uit dat sommige vulkanische stenen die bijvoorbeeld gevonden zijn op Hawaii dezelfde chemische structuur hebben als de aardkern. “Onze studie bewijst dat de siliciumrijke kristallen uit de kern van de aarde deze ultralagesnelheidszones kunnen vormen en de bron kunnen zijn voor de chemische stoffen die gevonden zijn in vulkanisch gesteente.”

Bronmateriaal

"Core origin of seismic velocity anomalies at Earth's core–mantle boundary" - Nature
Afbeelding bovenaan dit artikel: Science Photo Library

Fout gevonden?

Voor jou geselecteerd