Binnenkern van de aarde wentelt snel in ijzerstroop

De vaste binnenkern van de aarde draait iets sneller dan de rest van de aarde. Deze voorspelling is nu bevestigd door Xiaodong Song, van het Lamont-Doherty Earth Observatory in Palisades, en Paul Richards, van de Columbia-universiteit in New York. Het verschil in rotatietijd is maar gering, bijna één seconde per dag, maar voldoende groot om belangrijk te kunnen zijn voor de fysica en chemie van het inwendige van de aarde.

Het verschil voegt bovendien een nieuwe dimensie - tijd - toe aan het seismische onderzoek naar de structuur van de aarde.

De vaste binnenkern van de aarde heeft een straal van 1.200 kilometer en 'drijft' in de vloeibare stroperige buitenkern, die een straal heeft van 3.500 kilometer. Beide bestaan grotendeels uit ijzer, maar er zijn ook lichtere elementen als zwavel en zuurstof aanwezig. De temperatuur van de binnenkern is hoger dan die van de buitenkern. Men zou dus verwachten dat óók de binnenkern vloeibaar is: doordat de druk er echter hoger is dan in de buitenkern, kàn het ijzer niet smelten.

De vaste binnenkern is sinds het ontstaan van de aarde zelf, ongeveer 4,5 miljard jaar geleden, gegroeid. Door langzame afkoeling vindt aan de ondergrens van de buitenkern kristallisatie plaats, waardoor uit de 'ijzerstroop' vast ijzer ontstaat. De hierbij vrijkomende warmte is de motor van convectiestromingen in de buitenkern, die op hun beurt een magnetisch veld opwekken dat zichzelf bekrachtigt. De buitenkern is als het ware een zichzelf bekrachtigende dynamo.

Kristalstructuur

In de afgelopen tien jaar is duidelijk geworden dat de vaste binnenkern niet homogeen is. Aardbevingsgolven die in de noord-zuidrichting door de kern bewegen gaan sneller dan golven die in oost-westrichting bewegen. Over de oorzaak van dit verschil is men het nog niet eens, maar er zijn sterke aanwijzingen dat het ligt aan de kristalstructuur van het ijzer. De binnenkern zou zich gedragen als één reusachtig kristal van epsilon-ijzer, waarvan de symmetrie-as een hoek van ongeveer 10ß8 maakt met de rotatie-as van de aarde. Van metalen met deze structuur is bekend dat hun fysische eigenschappen afhangen van de richting ten opzichte van het kristalrooster.

Golven van aardbevingen die alléén door de buitenkern snellen, reizen iets langzamer dan golven die ook door de binnenkern bewegen. Dit heeft tot gevolg dat op seismische stations steeds een klein verschil wordt gemeten in de aankomsttijden van 'paren' van golven die van dezelfde, verre aardbeving komen. Dit verschil is constant voor aardbevingen die op vrijwel dezelfde plaats in de aarde plaatsvinden: die golven hebben immers vrijwel hetzelfde traject door de aarde afgelegd.

Song en Richards hebben nu een systematische verandering gevonden bij zulke paren van golven: longitudinale (akoestische) golven met golflengten van 5 tot 20 kilometer. Het verschil in aankomsttijd tussen de twee soorten golven blijkt groter te worden als de betreffende bevingen -in hetzelfde gebied -met langere tussenpozen hebben plaatsgevonden, maar deze toename treedt alléén op bij golven die in ruwweg noord-zuidrichting door de aarde bewegen.

Zo is het verschil bij aardbevingen in de South Sandwich Islands (bij Antarctica) die te College (in Alaska) worden geregistreerd sinds het begin van de metingen in 1967 met ongeveer 0,4 seconde toegenomen. Daarentegen is er geen verandering bij golfparen die ongeveer in het vlak van de equator bewegen, zoals die van bevingen in het Tonga-gebied die worden geregistreerd in Duitsland. De meest voor de hand liggende verklaring is 'dat de binnenkern beweegt, vermoedelijk door een soort rotatie', zo concluderen de twee onderzoekers.

De veranderingen zijn het beste te verklaren als de binnenkern per jaar 1,1 grade méér draait dan de mantel en de korst van de aarde. Dit betekent dat de binnenkern per dag 0,8 seconde vóór raakt en dat er aan de grens van de buiten- en binnenkern per dag een verschuiving van ongeveer 70 meter plaatsvindt. De rotatie-as van de binnenkern maakt een hoek van ongeveer 11ß8 met de as door de geografische polen en de 'noordpool' van deze as bevindt zich nu op 169ß8 oosterlengte, dus ten noorden van de Oostsiberische Zee (Nature, 18 juli).

Het traagheidsmoment van de binnenkern bedraagt slechts 0,07 procent van dat van de gehele aarde, maar is 500 maal zo groot als dat van de atmosfeer. Sinds lang is bekend dat grootschalige bewegingen in de atmosfeer kleine variaties kunnen veroorzaken in de lengte van de dag. Deze veranderingen kunnen worden verklaard zonder een beroep te hoeven doen op de overdracht van impulsmoment van of naar de binnenkern. De onderzoekers denken daarom dat het tempo van de rotatie van de binnenkern en de hoek van de rotatie-as op tijdschalen van enkele tientallen jaren niet is veranderd: anders zouden er extra variaties in de daglengte moeten optreden.

Computermodel

De ontdekking van de 'eigen' rotatie van de binnenkern is een fraaie bevestiging van de voorspelling die in september in Nature werd gedaan door Gary Glatzmaier, van het Los Alamos National Laboratory, en Paul Roberts, van de universiteit van Californië. Deze twee onderzoekers hadden een computermodel ontwikkeld van het dynamomechanisme in de kern van de aarde: het mechanisme waarmee bewegingsenergie wordt omgezet in de elektromagnetische energie die verantwoordelijk is voor het ontstaan van het magnetische veld van de aarde.

Met dit model wisten de twee onderzoekers met succes een omkering van het magnetische veld van de aarde te simuleren: een nog steeds enigszins raadselachtig verschijnsel dat in de geschiedenis van de aarde vele honderden malen heeft plaatsgevonden. En volgens dit model zou de binnenkern van de aarde per jaar enkele graden sneller moeten draaien dat de rest van de aarde, iets wat nu dus is bevestigd. Wellicht is men hiermee dus weer een stap dichter bij de ontraadseling van het dynamomechanisme en het gedrag van het magnetische veld van de aarde gekomen.

Het verschijnsel van de eigen rotatie van de binnenkern zal ook een rol gaan spelen in het onderzoek naar de viscositeit van de buitenkern. Dit is een notoir onzekere, maar geofysisch belangrijke parameter, bijvoorbeeld bij het bepalen van de chemisch-fysische eigenschappen van de buitenkern, het verloop van de temperatuur hierin en het transport van warmte in het grensgebied van kern en mantel. Het is niet waarschijnlijk dat de recente ontdekking implicaties heeft voor de theorie van de beweging van aardschollen op en in de mantel.

Het eigenzinnig gedrag van de binnenkern is inmiddels ook bevestigd door twee onderzoekers van de Harvard-universiteit, die hun waarnemingsresultaten hebben aangeboden aan Science. Heel interessant wordt nu de vraag of de binnenkern altijd en in constante mate sneller draait dan de buitenkern, of op tijdschalen van bijvoorbeeld eeuwen een grilliger gedrag vertoont -zoals vorig jaar ook door Glatzmaier en Roberts werd gesuggereerd.