BOSTON - De uitgestrekte magma-oceanen van de aarde, die diep onder onze voeten roosteren, lijken zuurstof in de vloeibare kern van de planeet te pompen. En die zuurstof vormt aardbevingen en vulkanen over de hele planeet.
Dat is de conclusie van een onderzoeksgroep die de natuurkundige Dario Alfe van University College London dinsdag (5 maart) hier presenteerde tijdens de bijeenkomst in maart van de American Physical Society. Hoewel het onmogelijk is om rechtstreeks zuurstof in de kern van de aarde te observeren - duizenden kilometers hete rots belemmeren die visie - gebruikten Alfe en zijn medewerkers een combinatie van seismologische gegevens, chemie en kennis over de oude geschiedenis van ons zonnestelsel om hun conclusies te trekken.
Het belangrijkste bewijs dat zoiets als zuurstof zich in de ijzeren kern verbergt? Aardbevingen. Het gerommel dat we aan de oppervlakte voelen, is het resultaat van golven die over onze hele planeet bewegen. En het gedrag van die golven biedt aanwijzingen voor de inhoud van de aarde - bijna als een echo van de hele planeet.
Wanneer aardbevingsgolven van de kern en terug naar het oppervlak stuiteren, geeft hun vorm aan dat de buitenste kern van vloeibaar ijzer aanzienlijk minder dicht is dan de onder druk staande massieve ijzeren kern erin. En dat dichtheidsverschil beïnvloedt de vorm van aardbevingen en het gedrag van vulkanen aan de oppervlakte. Maar zo moet puur ijzer zich niet gedragen, vertelde Alfe WordsSideKick.com na zijn lezing.
'Als de kern puur ijzer was, zou het dichtheidscontrast tussen de vaste binnenkern en de vloeistof in de orde van grootte van 1,5 procent moeten liggen', zei hij. 'Maar seismologie vertelt ons dat het meer dan 5 procent is.'
Met andere woorden, de buitenste kern is minder dicht dan het zou moeten zijn, wat suggereert dat er een niet-ijzerelement in is gemengd, waardoor het lichter is.
Dus dat roept de vraag op: waarom zou het lichtere element worden vermengd met de buitenkern, maar niet de vaste binnenkern?
Wanneer atomen in een vloeibare toestand zijn, stromen ze vrij langs elkaar heen, waardoor het mogelijk is om een mengsel van verschillende elementen naast elkaar te laten bestaan, zelfs in de extreme omgeving van de binnenaarde, zei Alfe. Maar omdat extreme druk de binnenkern in een vaste toestand dwingt, vormen de atomen daar een stijver rooster van chemische bindingen. En die strengere structuur past niet zo gemakkelijk vreemde elementen aan. Bij het vormen van de vaste kern zouden er zuurstofatomen en andere onzuiverheden in zijn vloeibare omgeving gespat worden, zoals tandpasta die uit een geperste buis schiet.
'Je ziet een soortgelijk effect in ijsbergen', zei hij.
Wanneer zout water in de oceaan bevriest, verdrijft het zijn onzuiverheden. Dus ijsbergen eindigen als brokken vast zoet water die over de natriumrijke oceaan drijven.
Er is geen direct bewijs dat zuurstof het lichtere element in de vloeibare kern is, zei Alfe. Maar onze planeet is gevormd uit de stofwolken van het vroege zonnestelsel en we weten welke elementen daar aanwezig waren.
Het onderzoeksteam sloot andere elementen, zoals silicium, uit die theoretisch in de kern aanwezig zouden kunnen zijn op basis van de samenstelling van die wolk, maar verklaren het waargenomen effect niet. Zuurstof bleef de meest waarschijnlijke kandidaat, zei hij.
Verder lijken de theoretisch aanwezige zuurstofniveaus in de kern lager dan wat de chemie zou voorspellen op basis van het zuurstofgehalte van de mantel. Dat suggereert dat meer zuurstof waarschijnlijk zelfs vandaag nog chemisch in de buitenste kern wordt gepompt vanuit de meer zuurstofrijke mantel eromheen.
Op de vraag hoe de zuurstof in de kern eruit ziet, zei Alfe dat hij zich geen bellen of zelfs de roest zou voorstellen die ontstaat wanneer ijzer direct aan zuurstof bindt. In plaats daarvan zouden zuurstofatomen bij die temperaturen en drukken vrij tussen de ijzeratomen zweven, waardoor ze drijvende klonten vloeibaar ijzer zouden vormen.
"Als je een pakje vloeistof neemt met 90 ijzeratomen en 10 zuurstofatomen, zal dit pakje minder dicht zijn dan een pakje puur ijzer", en dus zal het drijven, zei Alfe.
Om deze resultaten te helpen bevestigen, zei Alfe dat hij uitkijkt naar de resultaten van inspanningen om neutrino's te meten die in onze planeet zijn gevormd en naar de oppervlakte uitstralen. Hoewel "geoneutrinos" zeer zeldzaam zijn, zei hij, kunnen ze veel informatie bieden over wat er specifiek op de planeet gebeurt als ze opduiken.
Maar zonder enige manier om rechtstreeks toegang te krijgen tot de kern, zullen natuurkundigen altijd vastzitten om hun best mogelijke oordelen over de samenstelling ervan te maken op basis van beperkte, secundaire gegevens.
