Hvorvidt en planet har magnetfelt eller ikke, går langt i å bestemme om den er beboelig eller ikke. Mens Jorden har en sterk magnetosfære som beskytter livet mot skadelig stråling og forhindrer solvind fra å strippe vekk atmosfæren, er planeten slik Mars ikke lenger gjør. Derfor gikk det fra å være en verden med en tykkere atmosfære og flytende vann på overflaten til det kalde, uttørkede stedet det er i dag.
Av denne grunn har forskere lenge søkt å forstå hva som styrer Jordens magnetfelt. Inntil nå har konsensus vært at det var dynamoeffekten som ble skapt av at Jordens flytende ytre kjerne snurret i motsatt retning av jordens rotasjon. Ny forskning fra Tokyo Institute of Technology antyder imidlertid at det faktisk kan skyldes tilstedeværelsen av krystallisering i jordens kjerne.
Forskningen ble utført av forskere fra Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Tech. I følge studien deres - med tittelen “Crystallization of Silicon Dioxide and Compositionional Evolution of the Earth's Core”, som nylig dukket opp i Natur - energien som driver jordas magnetfelt kan ha mer å gjøre med den kjemiske sammensetningen av jordens kjerne.
Spesielt bekymringsfullt for forskerteamet var hastigheten som jordens kjerne avkjøles over geologisk tid - som har vært gjenstand for debatt i lang tid. Og for Dr. Kei Hirose - direktøren for Earth-Life Science Institute og hovedforfatter på papiret - har det vært noe av en livslang forfølgelse. I en studie fra 2013 delte han forskningsresultater som indikerte hvordan jordens kjerne kan ha avkjølt seg mer betydelig enn tidligere antatt.
Han og teamet hans konkluderte med at kjernen siden jordens dannelse (for 4,5 milliarder år siden) kan ha blitt avkjølt med så mye som 1000 ° C. Disse funnene var ganske overraskende for jordvitenskapssamfunnet - noe som førte til det en forskere omtalte som ”New Core Heat Paradox”. Kort sagt, denne frekvensen av kjølekjøling vil bety at det ville være nødvendig med en annen energikilde for å opprettholde jordas geomagnetiske felt.
På toppen av dette, og relatert til spørsmålet om kjølekjøling, var noen uavklarte spørsmål om kjemisk sammensetning av kjernen. Som Dr. Kei Hirose sa i en pressemelding fra Tokyo Tech:
"Kjernen er for det meste jern og noe nikkel, men inneholder også rundt 10% av lette legeringer som silisium, oksygen, svovel, karbon, hydrogen og andre forbindelser. Vi tror at mange legeringer er til stede samtidig, men vi vet ikke andelen av hvert kandidatelement. "
For å løse dette, gjennomførte Hirose og kollegene ved ELSI en serie eksperimenter der forskjellige legeringer ble utsatt for varme- og trykkforhold som tilsvarer det i jordas indre. Dette besto av å bruke en diamantambol til å presse støvstore legeringsprøver for å simulere høye trykkforhold, og deretter varme dem opp med en laserstråle til de nådde ekstreme temperaturer.
Tidligere har forskning på jernlegeringer i kjernen hovedsakelig fokusert på enten jern-silisiumlegeringer eller jernoksid ved høyt trykk. Men av hensyn til eksperimentene deres bestemte Hirose og kollegene seg for å fokusere på kombinasjonen av silisium og oksygen - som antas å eksistere i den ytre kjernen - og undersøke resultatene med et elektronmikroskop.
Det forskerne fant var at under forhold med ekstremt trykk og varme, ble prøver av silisium og oksygen kombinert for å danne silisiumdioksydkrystaller - som lignet i sammensetning som mineral kvarts funnet i jordskorpen. Ergo, studien viste at utkrystalliseringen av silisiumdioksid i den ytre kjernen ville ha frigjort nok oppdrift til kraftkjerne-konveksjon og en dynamo-effekt fra så tidlig som Hadean eon og utover.
Som John Hernlund, også medlem av ELSI og medforfatter av studien, forklarte:
Dette resultatet viste seg å være viktig for å forstå kjernenes energi og evolusjon. Vi var spente fordi beregningene våre viste at krystallisering av silisiumdioksydkrystaller fra kjernen kunne gi en enorm ny energikilde for å drive jordens magnetfelt. "
Denne studien gir ikke bare bevis for å hjelpe til med å løse det såkalte “New Core Heat Paradox”, det kan også bidra til å fremme vår forståelse av hvordan forholdene var under dannelsen av Jorden og det tidlige solsystemet. I utgangspunktet, hvis silisium og oksygen danner krystall av silisiumdioksid i den ytre kjernen over tid, vil før eller senere stoppe prosessen når kjernen er tom for disse elementene.
Når det skjer, kan vi forvente at jordens magnetfelt vil lide, noe som vil ha drastiske implikasjoner for livet på jorden. Det hjelper også å sette begrensninger på konsentrasjonen av silisium og oksygen som var til stede i kjernen da jorden først dannet seg, noe som kunne gå langt i å informere teoriene våre om dannelse av solsystemet.
Dessuten kan denne forskningen hjelpe geofysikere med å bestemme hvordan og når andre planeter (som Mars, Venus og Mercury) fremdeles hadde magnetfelt (og muligens fører til ideer om hvordan de kunne bli slått på igjen). Det kan til og med hjelpe vitenskapsteam med eksoplanettjakt med å bestemme hvilke eksoplaneter som har magnetosfærer, noe som vil tillate oss å finne ut hvilke ekstrasolarverdener som kan være beboelige.
