SRON - Inwendige aarde

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Wednesday Jan 19th, 2022

Inwendige van de aarde: Hoe is de planeet aarde opgebouwd en wat verandert er?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

Een van de meest onbekende delen van het heelal ligt vlak onder onze voeten: het binnenste van de aarde. De diameter van de aardbol is zo’n 12.750 kilometer. De diepste boring ooit, in Rusland, reikt tot ruim 12 kilometer diepte. Dat is minder dan een promille van de afmeting van de aarde. Een ‘rechtstreeks bezoek’ aan het inwendige van de aarde is technisch niet uitvoerbaar vanwege de afstanden, de enorm toenemende druk en de naar binnen toe stijgende temperatuur. Het inwendige van de aarde stelt ons voor allerlei tot nu toe onopgeloste vragen, zoals:

De omkering van het magnetisch veld. Uit geologisch onderzoek blijkt dat de richting van het magnetisch veld van de aarde vaak omklapt. Tijdens dat omklappen is het magneetveld zwakker dan normaal. Als dat vandaag de dag zou gebeuren, hebben we een probleem. Immers, het magnetisch veld van de aarde werkt als een 'schild' tegen kosmische straling vanuit de ruimte. Het is niet bekend waarom het magneetveld van de aarde omklapt en of daar een patroon in zit. Zelfs de oorzaak van het magneetveld is niet precies bekend.
De afwijkende rotatie van de binnenkern. De binnenkern van de aarde bestaat uit vast nikkelijzer. Hij zit opgesloten in een buitenkern waarin het nikkelijzer vloeibaar is. Uit precieze metingen blijkt dat de binnenkern in een iets ander tempo draait dan de buitenkern. Hoe kan dat? En waardoor wordt dat in stand gehouden?
Stromingspatronen in de mantel. In het inwendige van de aarde ontstaat warmte door het verval van radioactieve stoffen. Die warmte lekt langzaam naar buiten. In de mantel van de aarde zorgt deze energiebron voor ingewikkelde, uiterst trage stromingen in het taaie gesteente. Soms stulpen hete mantelpluimen omhoog tot vlak onder het oppervlak: de hot-spots zoals onder Hawaii. En op de stromingen drijven schollen van de aardplaat. Ze botsen tegen elkaar en duwen elkaar onder, de mantel in. En op plaatsen waar de aardkorst wijkt, ontstaat nieuwe korst. Maar hoe werken deze mantelstromen? En wat betekent dat voor vulkanisme, aardbevingen en vloedgolven die door zeebevingen worden veroorzaakt?

Wat weten we wel?

De informatie die we hebben over het inwendige van onze planeetbol is hoofdzakelijk afkomstig van indirecte metingen, zoals:

bestuderen van materiaal dat via vulkanische en tectonische processen aan de oppervlakte is gekomen;
seismisch onderzoek, waarbij trillingen die door aardbevingen ontstaan worden afgebogen en weerkaatst door de grensgebieden tussen de verschillende aardlagen;
ruimteonderzoek, waarbij subtiele veranderingen in de gemeten zwaartekrachtsversnelling informatie opleveren over de vorm van, en de bewegingen van materie in de aardbol. Ruimteonderzoek richt zich ook op metingen aan veranderingen in de vorm en sterkte van het aardmagnetisch veld. Dat onthult misschien wat er diep in de aarde aan de hand is.

Lees meer: het inwendige van de aardeHet globale beeld dat we van de aardbol hebben, geeft aan dat de opbouw verschillende lagen omvat. Aan de buitenkant bevindt zich de aardkorst met een dikte van 10 kilometer (oceanen, voornamelijk basaltachtig) tot 80 kilometer (continenten, voornamelijk granietachtig). Deze laag omvat 1% van het volume van de aardbol. De gemiddelde dichtheid is 2,8 gram/cm³ en dat komt overeen met een samenstelling van basalt en graniet. Onder de aardkorst ligt de aardmantel, ongeveer 2900 kilometer dik en goed voor 83% van het volume van de aardbol. Binnen de mantel worden verschillende lagen onderscheiden, zoals de buitenmantel, tot 400 km diep, een overgangsgebied tussen 400 en 900 kilometer diep en de binnenmantel tussen 900 en 2900 kilometer diep. De gemiddelde dichtheid is 4,5 gram/cm³ en het materiaal bestaat uit rotsgesteente met verschillende kristalvormen en dichtheid.

In het centrum bevindt zich de aardkern die uit twee delen bestaat en goed is voor 16% van het volume van de aardbol. De buitenkern strekt zich uit van 2.900 tot 5.100 kilometer diep en daaronder ligt de binnenkern tot 6.371 kilometer diep. De dichtheid is 11 gram/cm³ en het materiaal bestaat uit een mengsel van nikkel en ijzer. De buitenkern is vloeibaar terwijl de binnenkern uit vast materiaal bestaat. In het midden van de aarde is de druk ongeveer 3,5 miljoen atmosfeer en bedraagt de temperatuur 5 000 tot 6 000 graden. Bij die combinatie van druk en temperatuur is het nikkel-ijzer een vaste stof. In de buitenkern is de temperatuur ongeveer 2 900 graden en bij de lagere druk is nikkel-ijzer vloeibaar. Schattingen wijzen uit dat de temperatuur in de binnenkern 100 graden daalt per miljard jaar en dat als gevolg van dit afkoelen de vaste binnenkern ‘pas’ 3 miljard jaar oud is en langzaam groeit. De stromingen van het vloeibare nikkelijzer in de binnenkern veroorzaken via het dynamoprincipe het magnetisch veld van de aarde.

Wat hebben we verder voor informatie verzameld?

Magnetisch veld. Als we in het verleden kijken, zien we dat het aardmagnetisch veld dramatische veranderingen heeft ondergaan. Dit leiden we onder andere af uit gesteente dat stolt aan weerszijden van de mid-Atlantische ruggen, waar de continenten van elkaar af bewegen. Op het moment van stollen wordt de richting van het magneetveld als het ware bevroren. De huidige situatie blijkt al zo’n 780.000 jaar te bestaan.
Lees meer: de omkeringen van het magneetveld van de aardeKijken we verder terug, dan zien we dat het aardmagnetisch veld zich voor korte of langere tijd kan omkeren en tijdens zo’n omkering zelfs wegvalt. Er zijn aanwijzingen dat we nu ‘vlak’ voor het moment van een omkering staan. Sinds men in 1830 met directe metingen is begonnen, is de sterkte van het magneetveld ongeveer 15% afgenomen. Over de laatste tweeduizend jaar lijkt het veld een derde van zijn sterkte te hebben verloren. De periode waarin het veld omkeert, blijkt bij nader onderzoek willekeurig. Dat is een belangrijke aanwijzing. De dynamotheorie voorspelt juist dat omkeringen willekeurig moeten plaatsvinden, als gevolg van chaotische stromingen van het nikkelijzer in de buitenkern van de aarde. Hierdoor raken magnetische veldlijnen in elkaar verstrikt en als gevolg daarvan vindt een herschikking plaats. Het proces lijkt op de periodieke omkering van het magnetisch veld van de zon, alleen verloopt het veel trager en zonder periodiciteit. Maar er zijn ook andere verklaringen geopperd. Zo zou het stromingspatroon in de buitenkant kunnen worden verstoord door uitstulpingen die vanaf de binnenmantel in de buitenkern ‘prikken’. Deze verstoringen kunnen willekeurig optreden, bijvoorbeeld als gevolg van het wegzakken van dikke ‘plakken’ van continenten. Nader onderzoek is nodig om de juiste verklaring te vinden. Er is ook onderzoek nodig om antwoord te vinden op de vraag wat er tijdens een omkering van het magneetveld gebeurt. Sommige theorieën stellen dat het magneetveld voor jaren helemaal afwezig is, zodat snel bewegende elektrisch geladen deeltjes (kosmische straling, zonnewind) diep in de atmosfeer kunnen komen en zelfs het aardoppervlak bereiken. Ze worden immers niet meer afgebogen door het beschermende magneetveld. Andere theorieën laten zien dat het dipoolveld tijdelijk verandert in een ‘multipoolveld’ en dat de beschermende werking grotendeels intact blijft. Als er echt een omkering gaat plaatsvinden op korte termijn, is zulke kennis belangrijk met het oog op eventueel te treffen maatregelen.
Binnenkern. Het binnenste van de aarde koelt heel langzaam af en daardoor groeit de binnenkern terwijl de vloeibare buitenkern langzaam kleiner wordt. Op de lange termijn heeft dat invloed op de convectiestromen in de buitenkern en de dynamo die het magneetveld veroorzaakt. Schattingen leren dat de grens tussen de binnen- en buitenkern ongeveer 1 millimeter per jaar naar buiten beweegt.
Lees meer: de binnenkern van de aardeDe grens tussen de binnenkern en de buitenkern is overigens niet vlak; er zouden ‘hoogte’verschillen tot wel een kilometer kunnen voorkomen. Omdat de binnenkern ‘los’ zit van de buitenkern, kan hij apart roteren. Sommige onderzoeken wijzen op een rotatieverschil met de ‘vaste’ aarde van 1 graad per jaar; andere onderzoeken laten zien dat het 1 graad per miljoen jaar zou zijn en bovendien zou die ‘superrotatie’ ook kunnen fluctueren. Verder lijkt het er op dat de westelijke en oostelijke helft van de binnenkern een iets verschillende dichtheid hebben. Wat daarvan de oorzaak is, is niet bekend.
Over structuur in de binnenkern valt overigens heel moeilijk iets te zeggen. Weer zijn er verschillende theorieën. Sommige stellen dat de binnenkern eigenlijk één groot nikkelijzer ‘kristal’ is en homogeen van opbouw. Andere laten zien dat de eigenschappen vanaf de niet scherp bepaalde ‘rand’ langzaam veranderen naar binnen toe. Er zou een zone kunnen zijn waarin de vloeibare en vaste vorm van het nikkelijzer naast elkaar voorkomt.
Mantel. Het warmtetransport vanuit de aardkern naar buiten vindt in hoofdzaak op twee manieren plaats: geleiding en convectie. Bij dat laatste bewegen ‘cellen’ van warm materiaal naar buiten, koelen af en zinken weer naar binnen. Dit proces vindt plaats in de buitenkern om de warmte van de binnenkern af te voeren, en in de aardmantel om de warmte van de buitenkern af te voeren. Overigens ontstaat in de mantel zelf ook warmte als gevolg van het radioactief verval van bepaalde isotopen, zoals van uranium, thorium en kalium. Het totale ‘vermogen’ van de aardbol bedraagt ongeveer 3,5 x 10¹³ Watt.
Lees meer: de bewegingen in de mantel van de aardeHoewel het mantelmateriaal vast is, krijgt het door de druk en temperatuur plastische eigenschappen zodat er stromingen kunnen ontstaan. Bij plaatsen waar de convectiestroming het oppervlak bereikt ontstaat door afkoeling nieuwe aardkorst. We vinden deze gebieden onder andere bij de mid-Atlantische rug en IJsland. Afgekoeld materiaal zakt weg bij de zogeheten subductie-zones. Bovenop de mantel ‘drijven’ de aardkorstschollen die elkaar dus op de convectiestromen verdringen, over elkaar schuiven of langs elkaar heen schuren. De randen van de aardplaten vormen daarom het toneel van seismische activiteit (aardbevingen) terwijl magma via vulkanen en spleten aan het oppervlak kan komen.

Op grote tijdschalen is het ontstaan, verplaatsen en verdwijnen van aardplaten een chaotisch proces. Toch lijken er ook min of meer ‘permanente’ structuren te bestaan die diep in de mantel geworteld moeten zijn. Aan het oppervlak merken we dit in de vorm van hot-spots waarbij een mantelpluim tot het oppervlak reikt. Terwijl de bovenliggende aardplaat over zo’n hot-spot trekt, vormt zich een reeks van vulkanen waarvan de meest recente ‘levend’ zijn. Een bekend voorbeeld is de eilandenreeks bij Hawaii. Ook bij Yellowstone en de Galapagos-eilanden liggen hot-spots. Er bestaan er enkele tientallen. Verschillende daarvan zijn niet erg actief, zoals onder de Eifel – de dichtstbij gelegen hot-spot voor ons.

Hoe de convectie in de aardmantel verloopt en wat de oorzaken zijn van de hot-spots, is niet goed bekend. Een complicerende factor is dat de convectie wordt beïnvloed door fase-overgangen in het mantelmateriaal. Bij zo’n overgang veranderen de eigenschappen van het materiaal vaak drastisch. Denk aan de bekende fase-overgangen van water: gas, vloeistof en ijs.

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Metingen aan het binnenste van de aarde zijn vrijwel altijd indirect. Aardbevingsgolven die via een wereldwijd netwerk worden geregistreerd, geven inzicht in de ligging van de verschillende lagen in de aardbol. Vulkanisch onderzoek levert informatie op over de convectie in de aardmantel en over het gesteente in de diepe aardlagen. In toenemende mate is ook ruimteonderzoek van belang. Belangrijke voorbeelden zijn: