Apakah inti bumi tidak seimbang? Sesuatu yang aneh sedang terjadi di dalam planet kita

Sebuah bagian dari interior Bumi menunjukkan inti bagian dalam besi padat (merah) perlahan-lahan tumbuh dengan membekukan inti luar besi cair (oranye). Gelombang seismik merambat melalui inti bumi lebih cepat antara kutub utara dan selatan (panah biru) daripada melintasi khatulistiwa (panah hijau). Para peneliti menyimpulkan bahwa perbedaan dalam kecepatan gelombang seismik dengan arah (anisotropi) hasil dari keselarasan disukai kristal tumbuh – paduan besi-nikel heksagonal ketat, sendiri anisotropik – sejajar dengan sumbu rotasi Bumi. Kredit: Grafik oleh Daniel Frost

Model bagaimana inti dalam bumi membeku dalam besi padat menyiratkan bahwa itu mungkin baru berusia 500 juta tahun.

Untuk alasan yang tidak diketahui, inti besi padat Bumi tumbuh lebih cepat di satu sisi daripada yang lain, dan sejak itu mulai membekukan besi cair lebih dari setengah miliar tahun yang lalu, menurut sebuah studi baru oleh ahli seismologi di Universitas California, Berkeley.

Pertumbuhan yang lebih cepat di bawah Laut Banda di Indonesia tidak membuat inti tidak seimbang. Gravitasi mendistribusikan pertumbuhan baru secara merata – kristal besi yang terbentuk ketika besi cair mendingin – untuk mempertahankan inti dalam berbentuk bola yang radiusnya meningkat rata-rata 1 milimeter per tahun.

Tetapi peningkatan pertumbuhan di satu sisi menunjukkan bahwa sesuatu di inti luar atau mantel bumi di bawah Indonesia mengeluarkan panas dari inti dalam dengan kecepatan yang lebih cepat daripada di sisi lain, di bawah Brasil. Pendinginan lebih cepat di satu sisi akan mempercepat kristalisasi besi dan pertumbuhan inti bagian dalam di sisi itu.

Hal ini berimplikasi pada medan magnet bumi dan sejarahnya, karena konveksi di inti luar yang didorong oleh pelepasan panas dari inti dalam inilah yang saat ini menggerakkan dinamo yang menghasilkan medan magnet yang melindungi kita dari partikel berbahaya bumi. Matahari.

Sebuah model baru dari seismolog UC Berkeley mengusulkan bahwa inti bumi tumbuh lebih cepat di sisi timur (kiri) daripada di sisi barat. Gravitasi menyamakan pertumbuhan asimetris dengan mendorong kristal besi ke arah kutub utara dan selatan (panah). Ini cenderung menyelaraskan sumbu utama kristal besi di sepanjang sumbu rotasi planet (garis putus-putus), menjelaskan waktu tempuh yang berbeda dari gelombang seismik melalui inti bagian dalam. Kredit: Grafik oleh Marine Lasbleis

“Kami memberikan batasan yang agak longgar tentang usia inti dalam – antara setengah miliar dan 1,5 miliar tahun – yang mungkin berguna dalam perdebatan tentang bagaimana medan magnet dihasilkan sebelum keberadaan inti dalam yang solid,” kata Barbara Romanowicz , profesor UC Berkeley di Sekolah Pascasarjana Departemen Ilmu Bumi dan Planet dan direktur emeritus Laboratorium Seismologi Berkeley (BSL). “Kita tahu bahwa medan magnet sudah ada 3 miliar tahun yang lalu, jadi proses lain pasti menyebabkan konveksi di inti luar pada waktu itu.”

Usia inti dalam yang masih muda dapat berarti bahwa pada awal sejarah Bumi, panas yang mendidihkan inti fluida berasal dari unsur-unsur ringan yang terpisah dari besi, dan bukan dari kristalisasi besi, yang kita lihat sekarang. ‘hui.

“Perdebatan mengenai usia inti dalam telah berlangsung lama,” kata Daniel Frost, ilmuwan asosiasi untuk proyek di BSL. “Komplikasinya adalah ini: Jika inti dalam hanya bisa ada selama 1,5 miliar tahun, dari apa yang kita ketahui tentang bagaimana ia kehilangan panas dan panas, lalu dari mana datangnya medan magnet yang lebih tua? Dari sinilah ide elemen cahaya terlarut ini berasal, yang kemudian membeku. “

Besi beku

Pertumbuhan inti bagian dalam yang tidak simetris menjelaskan misteri berusia tiga dasawarsa – bahwa besi yang mengkristal di inti tampaknya lebih disukai disejajarkan di sepanjang sumbu rotasi bumi, lebih jauh ke barat daripada timur, sehingga orang akan mengharapkan kristal untuk berorientasi secara acak.

Bukti untuk keselarasan ini berasal dari pengukuran waktu tempuh gelombang seismik dari gempa bumi melalui inti dalam. Gelombang seismik bergerak lebih cepat ke arah sumbu rotasi utara-selatan daripada di sepanjang khatulistiwa, asimetri yang oleh ahli geologi dikaitkan dengan kristal besi – yang asimetris – yang sumbu utamanya lebih disukai sejajar di sepanjang sumbu bumi.

Jika intinya adalah besi kristal padat, bagaimana kristal besi secara istimewa berorientasi ke satu arah?

Dalam upaya untuk menjelaskan pengamatan, Frost dan rekan-rekannya Marine Lasbleis dari Universitas Nantes di Prancis dan Brian Chandler dan Romanowicz dari UC Berkeley menciptakan model komputer pertumbuhan kristal di inti bagian dalam yang menggabungkan model pertumbuhan, geodinamika dan fisika mineral. besi. pada tekanan tinggi dan suhu tinggi.

“Model yang lebih sederhana tampak agak tidak biasa – bahwa inti bagian dalam asimetris,” kata Frost. “Sisi barat berbeda dari sisi timur sampai ke tengah, tidak hanya di bagian atas inti dalam, seperti yang dikatakan beberapa orang. Satu-satunya cara untuk menjelaskan ini adalah bahwa satu sisi tumbuh lebih cepat dari yang lain. “

Model tersebut menjelaskan bagaimana pertumbuhan asimetris – sekitar 60% lebih tinggi di timur daripada di barat – dapat secara istimewa mengorientasikan kristal besi di sepanjang sumbu rotasi, dengan lebih banyak keselarasan di barat daripada ‘ke timur, dan menjelaskan perbedaan kecepatan gelombang seismik melalui inti interior.

“Apa yang kami usulkan dalam makalah ini adalah model konveksi padat yang tidak seimbang di inti dalam yang merekonsiliasi pengamatan seismik dan kondisi batas geodinamika yang masuk akal,” kata Romanowicz.

Frost, Romanowicz dan rekan-rekan mereka akan melaporkan temuan mereka di jurnal edisi minggu ini Geosains alam.

Menyelidiki bagian dalam Bumi dengan gelombang seismik

Bagian dalam bumi berlapis-lapis seperti bawang. Inti bagian dalam besi-nikel padat – saat ini radiusnya 1.200 kilometer (745 mil), atau sekitar tiga perempat ukuran bulan – dikelilingi oleh inti luar cair dari besi cair dan nikel. Tebal sekitar 2.400 kilometer (1.500 mil) . Inti luarnya dikelilingi oleh mantel batu panas setebal 2.900 kilometer (1.800 mil) dan ditutupi dengan kerak batu dingin yang tipis di permukaannya.

Konveksi terjadi baik di inti luar, yang mendidih perlahan saat panas besi yang mengkristal keluar dari inti dalam, dan di mantel, saat batuan yang lebih panas bergerak ke atas untuk membawa panas ini dari pusat planet di permukaan. Gerakan mendidih yang kuat di inti luar besi cair menghasilkan medan magnet bumi.

Menurut model komputer Frost, yang ia ciptakan dengan bantuan Lasbleis, saat kristal besi tumbuh, gravitasi mendistribusikan kembali pertumbuhan berlebih dari timur ke barat di inti dalam. Pergerakan kristal dalam padatan yang agak lunak di inti bagian dalam – yang berada di dekat titik leleh besi pada tekanan tinggi ini – menyelaraskan kisi kristal di sepanjang sumbu rotasi Bumi ke tingkat yang lebih tinggi daripada barat daripada timur.

Model dengan tepat memprediksi pengamatan baru para peneliti tentang waktu tempuh gelombang seismik melalui inti dalam: anisotropi, atau perbedaan waktu tempuh paralel dan tegak lurus terhadap sumbu rotasi, meningkat dengan kedalaman, dan l Anisotropi terkuat digeser ke barat dari bumi. sumbu rotasi sekitar 400 kilometer (250 mil).

Model pertumbuhan inti dalam juga memberikan batasan rasio nikel terhadap besi di pusat bumi, kata Frost. Modelnya tidak secara akurat mereproduksi pengamatan seismik kecuali nikel membentuk antara 4% dan 8% dari inti dalam, yang mendekati proporsi meteorit logam yang pernah menjadi inti planet kerdil di tata surya kita. . Model ini juga memberi tahu ahli geologi seberapa kental atau cairnya inti bagian dalam.

“Kami menyarankan bahwa viskositas inti dalam relatif besar, parameter masukan penting bagi ahli geodinamika yang mempelajari proses dinamo di inti luar,” kata Romanowicz.

Referensi: “Sejarah dinamis inti dalam dibatasi oleh anisotropi seismik” oleh Daniel A. Frost, Marine Lasbleis, Brian Chandler dan Barbara Romanowicz, 3 Juni 2021, Geosains alam.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w

Frost dan Romanowicz didukung oleh hibah dari National Science Foundation (EAR-1135452, EAR-1829283).