BOSTON - Jordens enorme magmahav, som roiler dypt under føttene våre, ser ut til å pumpe oksygen inn i planetens flytende kjerne. Og at oksygen former jordskjelv og vulkaner over hele planeten vår.
Det er konklusjonen fra en gruppe forskere University College London-fysikeren Dario Alfe som ble presentert tirsdag (5. mars) her på marsmøtet i American Physical Society. Selv om det er umulig å observere oksygen i jordens kjerne direkte - tusenvis av kilometer med varm stein hindrer det synet, brukte Alfe og hans samarbeidspartnere en kombinasjon av seismologiske data, kjemi og kunnskap om solsystemets gamle historie for å trekke sine konklusjoner.
Den viktigste biten av bevis på at noe som oksygen skjuler seg ute i jernkjernen? Jordskjelv. Rumlingene vi føler på overflaten er et resultat av bølger som beveger seg gjennom hele planeten vår. Og oppførselen til disse bølgene gir ledetråder til jordens innhold - nesten som en ultralyd av hele planeten.
Når jordskjelvbølger spretter av kjernen og tilbake til overflaten, indikerer formen deres at den ytre kjernen i flytende jern er betydelig mindre tett enn den pressede faste jernkjernen inne i den. Og at tetthetsforskjellen påvirker formen til jordskjelv og oppførselen til vulkaner på overflaten. Men det er ikke slik rent jern skal oppføre seg, sa Alfe til Live Science etter foredraget.
"Hvis kjernen var rent jern, bør tetthetskontrasten mellom den faste indre kjernen og væsken være i størrelsesorden 1,5 prosent," sa han. "Men seismologi forteller oss at det er mer som 5 prosent."
Med andre ord, den ytre kjernen er mindre tett enn den burde være, noe som tyder på at det er noe ikke-jernelement blandet inn, noe som gjør det lettere.
Så det reiser spørsmålet: Hvorfor skulle det lettere elementet blandes inn med den ytre kjernen, men ikke den faste indre kjernen?
Når atomer er i flytende tilstand, flyter de fritt forbi hverandre, noe som gjør det mulig for en blanding av forskjellige elementer å eksistere sammen, selv i det ekstreme miljøet på den indre jord, sa Alfe. Men når ekstreme trykk tvinger den indre kjernen til en fast tilstand, danner atomene der en mer stiv gitter av kjemiske bindinger. Og den strengere strukturen rommer ikke utenlandske elementer like lett. Når den faste kjernen dannet seg, ville den ha oksygenatomer og andre urenheter i de flytende omgivelsene som tannkrem som skyter ut av et klemt rør.
"Du ser en lignende effekt på isfjell," sa han.
Når saltvann i havet fryser bort det urenheter. Så isfjell ender som biter av fast ferskvann som flyter over det natriumrike hav.
Det er ingen direkte bevis for at det lettere elementet i den flytende kjernen er oksygen, sa Alfe. Men planeten vår dannet seg fra støvskyene i det tidlige solsystemet, og vi vet hvilke elementer som var til stede der.
Forskerteamet utelukket andre elementer, som silisium, som teoretisk sett kan være til stede i kjernen basert på sminke av den skyen, men som ikke forklarer den observerte effekten. Oksygen satt igjen som den mest sannsynlige kandidaten, sa han.
Videre virker nivåene av oksygen som er teoretisk til stede i kjernen lavere enn hva kjemi ville forutsi basert på oksygeninnholdet i mantelen. Det tyder på at mer oksygen sannsynligvis blir kjemisk pumpet inn i den ytre kjernen selv i dag fra den mer oksygenrike mantelen som omgir den.
På spørsmål om hvordan oksygenet i kjernen ser ut, sa Alfe å ikke forestille seg bobler eller til og med rusten som dannes når jern binder direkte til oksygen. I stedet, ved disse temperaturene og trykkene, ville oksygenatomer flyte fritt mellom jernatomer, og skaper flytende klumper av flytende jern.
"Hvis du tar en pakke med væske som har 90 jernatomer og 10 oksygenatomer, vil denne pakken være mindre tett enn en pakke med rent jern," og slik vil den flyte, sa Alfe.
For å bekrefte disse resultatene sa Alfe at han ser frem til resultatene fra innsatsen for å måle nøytrinoer som dannes i planeten vår og stråler ut mot overflaten. Mens "geoneutrinos" er veldig sjeldne, sa han, kan de tilby mye informasjon om hva som spesielt skjer i planeten når de dukker opp.
Men uten noen måte å direkte få tilgang til kjernen, vil fysikere alltid sitte fast og gjøre sine best mulige vurderinger om sminke fra begrensede, sekundære data.
