Huruvida en planet har ett magnetfält eller inte går långt mot att avgöra om den är beboelig eller inte. Även om jorden har en stark magnetosfär som skyddar livet från skadlig strålning och håller solvinden från att strippa bort sin atmosfär, gör planet inte som Mars. Därför varför det gick från att vara en värld med en tjockare atmosfär och flytande vatten på ytan till den kalla, torkade platsen den är idag.
Av denna anledning har forskare länge försökt förstå vad som driver jordens magnetfält. Fram till nu har konsensus varit att det var dynamoeffekten som skapades av jordens flytande yttre kärna som snurrade i motsatt riktning mot jordens rotation. Ny forskning från Tokyo Institute of Technology antyder dock att det faktiskt kan bero på närvaron av kristallisation i jordens kärna.
Forskningen genomfördes av forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Tech. Enligt deras studie - med titeln "Kristallisering av kiseldioxid och sammansättningsutveckling av jordens kärna", som nyligen dök upp i Natur - energin som driver jordens magnetfält kan ha mer att göra med den kemiska sammansättningen av jordens kärna.
Särskilt oro för forskarteamet var hastigheten på vilken jordens kärna svalnar under geologisk tid - vilket har varit föremål för debatt under en längre tid. Och för Dr. Kei Hirose - chef för Earth-Life Science Institute och huvudförfattare på papperet - har det varit något av en livslång strävan. I en studie från 2013 delade han forskningsresultat som indikerade hur jordens kärna kan ha svalnat mer än tidigare trott.
Han och hans team drog slutsatsen att kärnan kanske har svalnat med så mycket som 1 000 ° C (1 832 ° F) sedan jordens bildning (4,5 miljarder år sedan). Dessa fynd var ganska överraskande för geovetenskapssamhället - vilket ledde till vad en forskare hänvisade till som "New Core Heat Paradox". Kort sagt, denna hastighet för kylkylning skulle innebära att någon annan energikälla skulle behövas för att upprätthålla jordens geomagnetiska fält.
Ovanpå detta, och relaterat till frågan om kylkylning, fanns några olösta frågor om den kemiska sammansättningen av kärnan. Som Dr. Kei Hirose sa i ett pressmeddelande från Tokyo Tech:
”Kärnan är mestadels järn och en del nickel, men innehåller också cirka 10% lätta legeringar som kisel, syre, svavel, kol, väte och andra föreningar. Vi tror att många legeringar finns samtidigt, men vi vet inte andelen av varje kandidatelement. "
För att lösa detta genomförde Hirose och hans kollegor på ELSI en serie experiment där olika legeringar utsattes för värme- och tryckförhållanden som liknade den i jordens inre. Detta bestod av att använda en diamantstäd för att pressa dammstorlekar av legeringsprover för att simulera högtrycksförhållanden och sedan värma dem med en laserstråle tills de nådde extrema temperaturer.
Tidigare har forskning om järnlegeringar i kärnan främst fokuserat på antingen järn-kisellegeringar eller järnoxid vid högt tryck. Men för sina experiment beslutade Hirose och hans kollegor att fokusera på kombinationen av kisel och syre - som tros finnas i den yttre kärnan - och undersöka resultaten med ett elektronmikroskop.
Vad forskarna fann var att under förhållanden med extremt tryck och värme, samlades prover av kisel och syre för att bilda kiseldioxidkristaller - som liknade sammansättningen som mineralkvarts i jordskorpan. Ergo, studien visade att kristallisationen av kiseldioxid i den yttre kärnan skulle ha frigjort tillräckligt med flytkraft för att driva kärnkonvektion och en dynamoeffekt så tidigt som Hadean eon och framåt.
Som John Hernlund, också medlem av ELSI och medförfattare till studien, förklarade:
”Detta resultat visade sig vara viktigt för att förstå kärnans energikraft och utveckling. Vi var glada för våra beräkningar visade att kristallisation av kiseldioxidkristaller från kärnan kunde ge en enorm ny energikälla för att driva jordens magnetfält. "
Denna studie ger inte bara bevis för att hjälpa till att lösa den så kallade ”New Core Heat Paradox”, den kan också hjälpa till att främja vår förståelse för hur förhållandena var under jordbildning och det tidiga solsystemet. I grund och botten, om kisel och syre bildar kristall av kiseldioxid i den yttre kärnan över tid, kommer förr eller senare processen att stoppa när kärnan har slut på dessa element.
När det händer kan vi förvänta oss att jordens magnetfält kommer att drabbas, vilket kommer att få drastiska konsekvenser för livet på jorden. Det hjälper också att sätta begränsningar för koncentrationerna av kisel och syre som fanns i kärnan när jorden först bildades, vilket kunde gå långt mot att informera våra teorier om bildning av solsystemet.
Dessutom kan denna forskning hjälpa geofysiker att avgöra hur och när andra planeter (som Mars, Venus och Mercury) fortfarande hade magnetfält (och eventuellt leda till idéer om hur de kunde drivas igen). Det kan till och med hjälpa vetenskapsteam med exoplanetjakt att bestämma vilka exoplaneter som har magnetosfärer, vilket skulle göra det möjligt för oss att ta reda på vilka extrasolvärldar som kan vara bebörliga.
