Gezegenimizin merkezindeki demir açısından zengin çekirdek, Dünya'nın evriminde hayati bir rol oynamıştır. Çekirdek, atmosferimizi ve okyanuslarımızı güneş radyasyonundan koruyan manyetik alanı güçlendirmekle kalmaz, aynı zamanda kıtaları sürekli yeniden şekillendiren levha tektoniğini de etkiler.
Ancak tüm bu önemine rağmen, çekirdeğin en temel özelliklerinin çoğu hala bilinmemektedir. Çekirdeğin tam olarak ne kadar sıcak olduğunu, neyden oluştuğunu veya ne zaman donmaya başladığını bilmiyoruz.
Neyse ki, benim ve meslektaşlarımın yakın zamanda yaptığı bir keşif, bu üç gizemi çözmeye bizi çok daha yaklaştırdı.
Dünya'nın iç çekirdeğinin sıcaklığının kabaca 5.000 Kelvin (4.727°C) civarında olduğunu biliyoruz. Bir zamanlar sıvı olan çekirdek, zamanla soğuyarak katı hale geldi ve bu süreçte dışa doğru genişledi. Soğudukça, üzerindeki mantoya ısı salarak levha tektoniğinin arkasındaki akımları besler.
Aynı soğuma, Dünya'nın manyetik alanını da üretir. Günümüzde alanın enerjisinin çoğu, çekirdeğin sıvı kısmının donmasından ve merkezindeki katı iç çekirdeğin büyümesinden kaynaklanmaktadır.
Ancak, çekirdeğe erişemediğimiz için, soğuma şeklini anlamak için özelliklerini tahmin etmemiz gerekiyor.
Çekirdeği anlamanın önemli bir parçası, erime noktasını bilmektir. Sismoloji (depremlerin incelenmesi) aracılığıyla katı iç çekirdek ile sıvı dış çekirdek arasındaki sınırı biliyoruz.
Çekirdeğin sıcaklığı, tam olarak donduğu bu noktada erime noktasına eşit olmalıdır. Bu nedenle, erime noktasını tam olarak bilirsek, çekirdeğin kesin sıcaklığı ve neyden oluştuğu hakkında daha fazla bilgi edinebiliriz.
Gizemli Kimya
Geleneksel olarak, çekirdeğin neyden oluştuğunu anlamak için iki yöntemimiz var: meteoritler ve sismoloji.
Oluşmamış gezegenlerin parçaları veya yok olmuş Dünya benzeri gezegenlerin çekirdeklerinden parçalar olduğu düşünülen meteoritlerin kimyasını inceleyerek, çekirdeğimizin neyden oluşabileceği hakkında bir fikir edinebiliriz.
Sorun şu ki, bu bize sadece kaba bir fikir veriyor. Metoritler, çekirdeğin demir ve nikelden, belki de birkaç yüzdelik silikon veya kükürtten oluşması gerektiğini gösteriyor, ancak bundan daha spesifik olmak zordur.
Sismoloji ise çok daha spesifiktir. Depremlerden gelen ses dalgaları gezegenin içinden geçerken, geçtikleri malzemelere bağlı olarak hızlanır ve yavaşlar.
Bu dalgaların depremden sismometreye olan yolculuk sürelerini, deneylerdeki mineraller ve metaller içindeki dalga hızlarıyla karşılaştırarak, Dünya'nın iç yapısının neyden oluştuğu hakkında bir fikir edinebiliriz.
Bu yolculuk sürelerinin, Dünya'nın çekirdeğinin saf demirden yaklaşık %10 daha az yoğun olduğu ve sıvı dış çekirdeğin katı iç çekirdekten daha yoğun olduğu anlamına geldiği ortaya çıkıyor. Sadece çekirdeğin bilinen kimyasının bir kısmı bu özellikleri açıklayabilir.
Ancak olası bileşenlerin küçük bir seçimi arasında bile, potansiyel erime noktaları yüzlerce dereceye kadar değişiyor - bu da bizi çekirdeğin kesin özellikleriyle ilgili daha fazla bilgi sahibi yapmıyor.
Yeni Bir Kısıtlama
Yeni araştırmamızda, çekirdeğin ilk nasıl donmaya başlamış olabileceğini incelemek için mineral fiziğini kullandık ve çekirdeğin kimyasını anlamak için yeni bir yol keşfettik. Bu yaklaşım, sismoloji ve meteoritlerden bile daha spesifik görünüyor.
Sıvı metallerdeki atomların katıları oluşturmak üzere nasıl bir araya geldiğini simüle eden araştırmalar, bazı alaşımların diğerlerinden daha yoğun bir "aşırı soğutma" gerektirdiğini bulmuştur.
Aşırı soğutma, bir sıvının erime noktasının altına soğutulmasıdır. Aşırı soğutma ne kadar yoğun olursa, atomlar o kadar sık bir araya gelerek katıları oluşturur ve sıvının daha hızlı donmasını sağlar. Dondurucunuzdaki bir su şişesi, donmadan önce saatlerce -5°C'ye kadar aşırı soğutulabilirken, bulutlarda damlacıklar -30°C'ye soğutulduğunda şimşek dakikalar içinde oluşur.
Çekirdeğin olası tüm erime noktalarını inceleyerek, çekirdeğin olabileceği en aşırı soğumuş halinin erime noktasının yaklaşık 420°C altında olduğunu buluyoruz - bundan fazlası iç çekirdeği sismolojinin bulduğundan daha büyük yapardı. Ancak saf demirin donması için imkansız derecede yaklaşık 1000°C aşırı soğutma gerekir. Bu kadar çok soğursa, sismologların gözlemlerinin aksine çekirdeğin tamamı donmuş olurdu.
Metoritlerin ve sismolojinin çekirdekte bulunabileceğini öne sürdüğü silikon ve kükürt eklemek, bu sorunu daha da kötüleştirerek daha fazla aşırı soğutma gerektirir.
Yeni araştırmamız, çekirdekteki karbonun etkisini inceliyor. Eğer çekirdeğin kütlesinin %2,4'ü karbon olsaydı, iç çekirdeğin donmaya başlaması için yaklaşık 420°C aşırı soğutma gerekirdi. Bu, çekirdeğin donmasının mümkün olduğunun ilk göstergesidir. Eğer çekirdeğin karbon içeriği %3,8 olsaydı, yalnızca 266°C aşırı soğutma yeterli olurdu. Bu hala çok fazla, ancak çok daha makul.
Bu yeni bulgu, sismolojinin çekirdeğin olası kimyasını birkaç farklı element kombinasyonuna indirebildiğini, ancak bunların çoğunun gezegenin merkezindeki katı iç çekirdeğin varlığını açıklayamadığını gösteriyor.
Çekirdek sadece demir ve karbondan oluşamaz çünkü çekirdeğin sismik özellikleri en az bir element daha gerektirir. Araştırmamız, muhtemelen biraz oksijen ve hatta silikon da içerdiğini öne sürüyor.
Bu, çekirdeğin neyden oluştuğunu, donmaya nasıl başladığını ve gezegenimizi içeriden nasıl şekillendirdiğini anlamaya yönelik önemli bir adımdır.
