Van onbegrepen continenten op duizenden kilometers diepte tot de onverwachte draaisnelheid van de gestolde aardkern: het binnenste van onze planeet kent een rijk repertoire van wetenschappelijke mysteries waar onderzoekers nu langzaam de vinger achter beginnen te krijgen.
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Ver onder onze voeten, in het diepe onderaardse, bevindt zich een wereld gesluierd in mysteries. Het is een plek waar, zo beschreven onderzoekers onlangs in vakblad Nature, raadselachtige gebieden huizen met het formaat van een continent. Waar de eigenwijze binnenste kern van de aarde om onduidelijke redenen weigert het draaitempo van de rest van de planeet te volgen. En waar in lava, dat via vulkanen uit de diepten omhoogborrelt, soms stoffen opduiken die wetenschappers voor raadselen stellen.
Zulke mysteries prikkelen de verbeelding. Begrijpen wat zich diep onder onze voeten afspeelt, geeft bijvoorbeeld inzicht in hoe de aarde ooit ontstond, het enige ‘thuis’ dat we kennen. Maar het onderzoek dat aardwetenschappers doen naar het binnenste van onze planeet raakt aan meer dan louter fundamentele nieuwsgierigheid.
Zo doet het stromen van de vloeibare aardkern bijvoorbeeld dienst als een soort planetaire fietsdynamo. Dat is de bron van het aardmagneetveld, dat de gevaarlijke kosmische straling blokkeert die neerdaalt uit het zonnestelsel en ver daar voorbij. Weten hoe dat magneetveld zich gedraagt en of het zal veranderen, of fluctueren, is daarom van groot belang.
Om de recente hausse aan nieuwe inzichten over de wereld onder onze voeten te kunnen duiden, eerst even de basis. Het onderaardse is al sinds mensenheugenis een terra incognita, een plek waar je slechts beperkt in kunt doordringen.
Neem het diepste gat dat de mensheid ooit in de aarde groef, het ‘superdiepe boorgat van Kola’ in Rusland, waaraan de Sovjet-Unie in de jaren zeventig van de vorige eeuw begon voor onderzoek en prestige. Die langwerpige cilindervormige tunnel van 12,262 kilometer is dieper dan de Mount Everest hoog is, en reikt verder omlaag dan de Marianentrog, de diepste plek in de oceaan.
Het is een gat zo duizelingwekkend diep dat volgens de lokale folklore van onder de metalen afsluitkap, die in 2008 werd geplaatst, ook nu nog het geschreeuw hoorbaar is van zielen die gemarteld worden in de hel.
En toch is zelfs dát gat slechts een schaafwondje op de aarde. Het superdiepe boorgat van Kola beroert namelijk alleen de aardkorst. Het bereikt niet eens de eerste laag daaronder, de aardmantel.
Snij de aarde door, zoom een beetje uit en je herkent de lagen van een ui. De schil is de aardkorst, de grond waarop wij leven, de buitenlaag van de planeet. In de oceanen is die laag het dunst, zo’n 6 kilometer slechts, terwijl deze onder de continenten al snel zo’n 30 kilometer is.
Daaronder begint de aardmantel, verdeeld in twee lagen: de bovenmantel, ongeveer 600 kilometer dik, en de ondermantel, van zo’n 2.400 kilometer. Daar weer onder, een locatie zo diep dat ze zich qua bereikbaarheid net zo goed in een ander sterrenstelsel zou kunnen bevinden, begint de buitenkern van de aarde, bestaand uit ijzer en nikkel, zo vloeibaar als water.
In het midden van de ui tref je, tot slot, de binnenkern, vanwege de hoge druk samengeperst tot vaste stof. Het is een bal met een straal van zo’n 1.200 kilometer, zo’n 70 procent van het formaat van onze maan. Met zijn temperatuur van bijna 5.500 graden Celsius is hij zo heet als het oppervlak van de zon. Een bizarre wereld in een wereld, zwemmend in de vloeistof van de buitenkern.
Hoe we dat alles weten? Dankzij aardbevingen vooral, of seismologie zoals kenners dat zeggen. De seismische golven die zulke bevingen veroorzaken, trekken door de aarde en onthullen onderweg van alles over het materiaal waar ze doorheen bewegen.
Beweegt zo’n golf door warm materiaal, dan gaat deze sneller dan door kouder materiaal. Soms ‘botst’ zo’n golf ook op iets en zien meetinstrumenten de reflecties. Zo ontdekten wetenschappers bijvoorbeeld dat tussen boven- en ondermantel een grensgebied ligt waarin de kristalstructuur van de stenen plots een sprongetje maakt.
Desondanks huisvest het binnenste van onze planeet nog altijd grote, onbegrepen vragen. ‘Kijk alleen al naar uitbarstingen van vulkanen zoals die op Hawaii’, zegt Arwen Deuss, hoogleraar seismologie aan de Universiteit Utrecht. ‘Er duiken in de lava daar heel oude elementen op, afkomstig van stukken aardmantel die we primordiaal noemen omdat ze miljarden jaren lang onveranderd zijn gebleven.’
Maar: wat er daar op Hawaii, of dichterbij, in IJsland, uit die vulkanen borrelt, kán helemaal niet.
Dat zit zo. De aardmantel ziet er misschien wel uit als een stevige klomp steen, in werkelijkheid roert de mantel zichzelf continu door.
De tektonische platen waarop de continenten bewegen, schuiven soms nadrukkelijk over elkaar, zoals gebeurt aan de rand van de Stille Oceaan. Daarbij verdwijnt de onderste plaat dieper de aarde in. ‘Die gaat bijna verticaal naar beneden, tot aan de onderkant van de mantel’, zegt Deuss.
De onderkant van de aardmantel is bovendien veel heter dan de bovenkant, waardoor het warme materiaal opstijgt, ‘vergelijkbaar met wat je ziet gebeuren in een lavalamp’.
De aardmantel roert zichzelf daarom door met een snelheid van enkele centimeters per jaar. Rek dat proces uit over de diepe tijd van onze planetaire geschiedenis – zo’n 4,5 miljard jaar – en je zou uniformiteit verwachten, geen klompjes spul die miljarden jaren onveranderd zijn gebleven.
Het antwoord, vermoedt Deuss na onderzoek dat zij en haar collega’s begin dit jaar publiceerden in het vakblad Nature, schuilt op 3.000 kilometer diepte, in mysterieuze onderaardse ophopingen die haar vakgenoten ook wel ‘low seismic velocity provinces’ noemen en die in werkelijkheid helemaal niet aan provincies doen denken, maar zo groot zijn als continenten.
Er zijn er twee van, aan weerszijden van de planeet. Ze zijn grofweg 1.000 kilometer hoog, rusten op de buitengrens van de aardkern en zijn omringd door een kerkhof van tektonische platen. ‘Ik vermoed dat dát de plekken zijn waaruit het ongerepte materiaal komt’, zegt Deuss.
Dat komt door wat ze ontdekte over de samenstelling. De ‘korrels’ waaruit de gebieden bestaan, blijken namelijk relatief groot, een factor honderd tot duizend keer groter dan die van het omringende materiaal. Daardoor zijn die gebieden relatief star: ze stromen moeilijker en hebben zich daarom wellicht onttrokken aan het gestage geroer van de rest van de mantel. ‘Al kan ik dat nu nog niet bewijzen. Dat kost me gerust nog een jaar of tien aan onderzoek.’
En ook dieper in de aarde, in de kern zelf, resteren nog de nodige open vragen, benadrukt Deuss. Om te beginnen met dit: niemand snapt waarom de binnenste aardkern überhaupt vast is.
Dat de hoge druk een rol speelt, staat vast. De smelttemperatuur hangt af van de druk en die druk is hoog genoeg om de kern in vaste toestand te houden. Maar: om vast te wórden, zoals in het diepe verleden van de planeet moet zijn gebeurd, is meer nodig.
De kerntemperatuur ligt iets – enkele honderden graden – te hoog om met stollen te kunnen beginnen. Bovendien: om kristalvorming te krijgen heb je een ‘beginnetje’ nodig, een oneffenheid waaraan het eerste kristal zich vast kan klampen. En de aardkern is juist heel uniform, denken de meeste kenners.
‘We hebben echt geen idee’, zegt Deuss. Misschien, oppert ze, kan men het stollen van de aardkern indirect reconstrueren vanuit historische veranderingen van het aardmagneetveld. ‘Dit is echt een soort detectivewerk’, zegt ze. ‘Alleen is bij ons de ‘moord’ al miljarden jaren geleden gepleegd.’
Daarnaast kan onderzoek bij andere planeten nog uitkomst bieden. ‘Hoe zit het bijvoorbeeld op Mars? Seismologische metingen daar kunnen ons ook verder helpen.’
En dan is er nog de kwestie van het draaien van de aardkern. De binnenkern blijkt namelijk een heel klein beetje sneller te draaien dan de rest van de planeet: in 360 jaar draait de kern ongeveer één rondje ‘extra’.
Over de details zijn aardwetenschappers het niet eens. ‘De ene onderzoeksgroep denkt dat de draaisnelheid een cyclus kent van zes jaar, terwijl een andere groep juist denkt dat het gaat om variaties van zestig jaar’, zegt Deuss. ‘Daar maken ze nu al een tijdje ruzie over.’
Vorige maand deed de Amerikaanse aardwetenschapper John Vidale in het vakblad Nature Geoscience een nieuwe duit in het zakje. Omdat wetenschappers de draaisnelheid van de binnenkern bepalen uit patronen van seismische golven, bestaat ook ruimte voor alternatieve verklaringen.
Misschien is niet de draaisnelheid van de kern verantwoordelijk voor die patronen, zo opperden sommige onderzoekers, maar is het een gevolg van nog onbegrepen gedrag op de grens tussen de vloeibare buiten- en vaste binnenkern.
Het antwoord, stelt Vidale nu, ligt in het midden. ‘Een van de opties die hij in dat artikel beschrijft, is dat de binnenste aardkern misschien niet perfect bolvormig is’, zegt Deuss.
Zelf ziet ze wel wat in die verklaring. Afgelopen oktober publiceerde Deuss met collega’s in het vakblad Nature Geoscience een artikel waarin ze beschreef dat de kristallen in de binnenkern niet allemaal dezelfde kant op wijzen, zoals lang verondersteld, maar aan de rand juist ook andere richtingen kiezen. ‘Dat zou mooi passen bij een vervorming van de binnenkern.’
Alles samen, oordeelt Deuss, komen we steeds dichter bij een fijnmazig begrip van de binnenkern. ‘Over nog eens tien jaar hebben we hopelijk veel van de vragen die nu resteren beantwoord.’
Maar zoals dat gaat met wetenschap: die antwoorden zullen weer leiden tot nieuwe vragen. De mysteries van het onderaardse blijven daarom voorlopig grofweg zo diep als het traag roerende, dan weer stromende, of in vloeistof dobberende materiaal ver onder onze voeten.
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant