Groeien, draaien… wat gebeurt er toch in de aardkern?

Wat is er aan de hand met het binnenste, vaste deel van de aarde? Deze binnenkern, die voornamelijk uit ijzer bestaat en met een straal van 1.220 km ongeveer zo groot is als Pluto, draait volgens twee Chinese geofysici met wisselende snelheden ten opzichte van de lagen daaromheen, de buitenkern en de mantel. Vanaf de jaren 60 draaide de binnenkern sneller. Maar rond 2009 verdween dat verschil opeens, zo berekenden ze op 23 januari in Nature Geoscience.

Maar andere wetenschappers hebben hun twijfels. „We weten dat er over tijd íéts verandert in de binnenkern. Maar wat het precies is, daarover lopen de interpretaties erg uiteen”, zegt Arwen Deuss, hoogleraar structuur en samenstelling van de diepe aarde aan de Universiteit Utrecht. Nog stelliger is hoogleraar Lianxing Wen, verbonden aan de Stony Brook University in New York en de University of Science and Technology of China in Hefei. „De studie interpreteert de seismische signalen verkeerd.”

Waar gaat het om? Achtergrond is het functioneren van de planeet aarde. Wat is de samenstelling en welke processen spelen zich af in het binnenste? Hoe beïnvloedt dat bijvoorbeeld de platentektoniek, en het aardmagnetisch veld? Voor antwoorden is de wetenschap sterk aangewezen op de seismologie – boren en monsters nemen van gesteente kan tot op heden niet dieper dan zo’n 12 kilometer.

De seismologie registreert en interpreteert de typische golven die bij een aardbeving ontstaan. Ze planten zich in allerlei richtingen voort door de aarde, en vervolgens worden ze geregistreerd bij seismische stations. Er zijn verschillende soorten golven, met verschillend gedrag. Zo kunnen de zogeheten S-golven niet door vloeibaar materiaal. Daarom ontstond begin vorige eeuw het idee dat de hele aardkern vloeibaar moest zijn. Want S-golven die na een aardbeving aan de ene kant van de aarde vertrokken, vormden aan de andere kant een soort slagschaduw, een gebied waar ze niet aankwamen. Daaruit werd afgeleid dat de S-golven niet door het binnenste van de aarde kwamen. Dat moest dus vloeibaar zijn.

Maar in 1936 stelde de Deense seismologe Inge Lehmann dat beeld bij. Na een aardbeving in 1929 in Nieuw-Zeeland analyseerde ze de data van vier seismische stations aan de andere kant van de wereld, onder andere op Groenland en in Zweden. Tussen de data pikte ze op sommige plekken in de slagschaduw opvallend zwakke signalen op. Die kon ze daar niet verklaren als het binnenste van de aarde homogeen vloeibaar zou zijn.

Eerst door het vloeibare deel

Lehmann richtte zich op P-golven, die zich door alle materialen kunnen voortplanten. Ze beredeneerde dat die P-golven eerst door het vloeibare deel van de kern gaan, maar dan op een vast deel stuiten. Daar worden ze deels afgekaatst. Ze verliezen daarbij energie. Dat verklaarde volgens haar deels het zwakkere signaal dat ze waarnam. Verder beredeneerde Lehmann dat een P-golf bij de overgang van de vloeibare naar de vaste kern, kan worden omgezet in een S-golf. De S-golf reist door de vaste kern, komt dan weer bij de vloeibare buitenkern aan en verandert weer terug in een P-golf. Bij die overgangen gaat ook energie verloren. Ook dat leverde zwakkere signalen op. In haar publicatie uit 1936 opperde Lehmann heel voorzichtig het mogelijke bestaan van een vaste binnenkern.

Intussen had geofysisch onderzoek meer duidelijk gemaakt. Dat de binnenkern groeit bijvoorbeeld

„Seismologen hebben daarna nog decennialang gezocht om dat te bewijzen”, zegt Deuss. Zelf publiceerde ze in 2000, in het Geophysical Journal International, het eerste bewijs voor het bestaan van S-golven die door de binnenkern reizen. „Toen was het nog niet zo belangrijk om in Science of Nature te komen.”

Intussen had geofysisch onderzoek meer duidelijk gemaakt. Dat de binnenkern groeit bijvoorbeeld. Deuss: „Met ongeveer een millimeter per jaar.” Uit die groei wordt het bestaan van het aardmagnetisch veld verklaard. Op de grens van binnen- en buitenkern kristalliseert de ijzer-nikkellegering, en daarbij komt warmte vrij. Die warmte drijft stromingen aan in de vloeibare buitenkern, als in een lavalamp. Van deze convectiestromen wordt verondersteld dat ze het aardmagnetisch veld opwekken. Dat veld beschermt de aarde tegen kosmische straling.

Seismisch station in Alaska

Op basis van seismisch onderzoek kwamen twee wetenschappers er in 1996 op uit dat de binnenkern onafhankelijk van, en sneller dan, de buitenkern draaide. Ze onderzochten data van aardbevingen bij de South Sandwich Islands, in de zuidelijke Atlantische Oceaan. De golven van de bevingen waren onder andere aangekomen bij het seismisch station in College, Alaska. Er waren meerdere decennia aan data.

De twee seismologen vergeleken de aankomsttijden van twee soorten golven: golven die door de buitenkern, maar niet door de binnenkern reizen, en golven die zowel door de buiten- als binnenkern reizen. Ze vergeleken data uit 1967 en 1982 met elkaar. Wat bleek? In 1982 kwamen de golven die zowel door de buiten- als de binnenkern reisden, 0,4 seconden eerder aan in College dan in 1967, ten opzichte van de golven die alleen door de buitenkern reisden.

Daarmee, schreven de auteurs in Nature, hadden ze „bewijs” geleverd dat de binnenkern beweegt, „by some type of rotation”. Eerste auteur van dat artikel was Xiaodong Song, inmiddels hoogleraar geofysica aan de University of Illinois. Hij is ook co-auteur van het onlangs in Nature Geoscience gepubliceerde artikel, waarin de onderzoekers aantonen dat de draaiingssnelheid van de binnenkern varieert.

Langzaamaan komen steeds meer processen in beeld

Maar niet iedereen is even overtuigd van dat bewijs. „Er kwam veel kritiek op dat onderzoek uit 1996, omdat de data ook anders uit te leggen zijn”, zegt Deuss. Volgens haar zijn er, nog steeds, veel verschillende ideeën over die draaiing in omloop. In 1996 kwamen Song en co-auteur Paul Richards eropuit dat de binnenkern jaarlijks 1 graden sneller draait dan de buitenkern en de mantel. Andere onderzoekers kwamen daarna uit op minder, of veel meer. „Soms wel 5 graden”, zegt Deuss. Zelf gaat ze uit van een veel langzamere draaiing: 0,1 graden per miljoen jaar. Dat komt omdat ze denkt dat de data nog iets heel anders laten zien. Namelijk dat de samenstelling van de binnenkern niet overal hetzelfde is. Afhankelijk van waar de aardbeving plaatsvindt en waar je de seismische golven opvangt, kan dat ook tot verschillen in aankomsttijd leiden. Maar daar hoort dan wel een veel langzamere draaiing bij.

En Lianxing Wen heeft weer een heel andere verklaring. Hij gelooft niet in draaiing. Hij denkt dat er processen op de grens van binnen- en buitenkern voor variaties in de seismische data zorgen. „Door lokale, tijdelijke verschillen in bijvoorbeeld temperatuur verandert het materiaal op het grensvlak.” Dat zou de seismische golven beïnvloeden die door zo’n gebied reizen. Een andere optie, zegt hij, is dat de binnenkern aan het grensvlak tijdelijk vervormt door een kracht die erop inwerkt. „Het aardmagnetisch veld zou zo’n kracht kunnen zijn.”

Koude plekken in de mantel

Zo komen er langzaamaan steeds meer processen in beeld. Er zijn ook aanwijzingen dat aardplaten die door subductie diep de mantel inzakken, op de grens tussen mantel en buitenkern lokaal relatief koude plekken veroorzaken. Zoals diep onder Indonesië en Japan. En onder de westkust van Noord- en Zuid-Amerika. Deuss noemt ze „kerkhoven van koud materiaal”. Ze veroorzaken temperatuurverschillen diep in de mantel. Die zouden wellicht op het aardmagneetveld en de stroming in de buitenkern doorwerken. „En daarmee ook op de kristallisatie in de binnenkern.” Maar of en hoe dit gebeurt, is nog onduidelijk.

„Er is nog geen model dat alle data koppelt en verklaart”, zegt John Vidale, hoogleraar geofysica aan de University of Southern California. Vidale zelf heeft seismische data van kernproeven in de jaren 60 onderzocht. Hij zegt „zeker te weten” dat de binnenkern sneller draait. En dat die snelheid over tijd varieert. Dat gebeurt in een terugkerend 6-jaars patroon, zo beschreef hij vorig jaar in Science Advances. Maar Song en zijn collega gaan in hun recente publicatie in Nature Geoscience uit van een 70-jaars patroon. „Weer anderen gaan uit van een 20-jaars patroon”, zegt Vidale.

Om dit allemaal helder te krijgen, zijn er meer data nodig, zegt Vidale. „Hopelijk lukt het ons om het de komende vijf tot tien jaar uit te puzzelen.”