A legújabb becslések szerint a Föld szilárd belső magja félmilliárd és egymilliárd évvel ezelőtt kezdett kialakulni. A magmából kihűlő ősi kőzeteken végzett új méréseink azonban azt jelezték, hogy valójában több mint félmilliárd évvel korábban kezdhetett kialakulni.

Míg ez még mindig viszonylag késő a Föld négy és fél milliárd éves történetében, ez azt jelenti, hogy a Föld mélybelsője talán nem volt olyan forró a mély múltban, mint azt egyesek állították. Ez azt jelenti, hogy a mag lassabban adja át a hőt a felszínnek, mint korábban gondolták, és kevésbé valószínű, hogy nagy szerepet játszik a Föld felszínének tektonikus mozgások és vulkánok általi alakításában.

Rögtön azután, hogy a Föld egy hatalmas anyagfelhőben való ütközésekből alakult ki, amelyből a Nap is kialakult, olvadt volt. Ennek oka a keletkezési folyamat során keletkezett hő és az volt, hogy folyamatosan más égitestekkel ütközött. Egy idő után azonban, ahogy a bombázás lelassult, a külső réteg lehűlt, és szilárd kérget alkotott.

A Föld belső magja ma egy Plútó méretű szilárd vasgömb a bolygónk középpontjában, amelyet egy olvadt vasból álló külső mag vesz körül, amelyet valamilyen, még ismeretlen, könnyebb elemmel ötvöznek. Annak ellenére, hogy a Föld középpontjában a legforróbb (kb. 6000°C), a folyékony vas az ott uralkodó igen nagy nyomás miatt szilárddá fagy. Ahogy a Föld tovább hűl, a belső mag ennek a fagyási folyamatnak köszönhetően évente körülbelül 1 mm-rel növekszik.

Az időpont ismerete, amikor a Föld középpontja eléggé lehűlt ahhoz, hogy először fagyjon meg a vas, alapvető viszonyítási pontot ad a bolygó teljes hőtörténetéhez.

A Föld mágneses terét a külső magban lévő, elektromosan vezető olvadt vas mozgása hozza létre. Ezt a mozgást a belső mag határán a mag növekedése során felszabaduló könnyű elemek hozzák létre. Ezért a vas első megfagyásának időpontja egyben azt az időpontot is jelenti, amikor a külső mag erős kiegészítő áramforrást kapott.

A mágneses mező e fellendülésének – a mágneses mező egész történetének legnagyobb hosszú távú növekedésének – a lenyomatát véljük megfigyelni az ekkor keletkezett magmás kőzetekből kinyert mágneses feljegyzésekben. Az ezekben a kőzetekben lévő mágneses részecskék “rögzítik” a Föld mágneses terének tulajdonságait abban az időben és azon a helyen, amikor a magmából kihűlnek.

A jelet aztán laboratóriumban vissza lehet nyerni azzal, hogy megmérjük, hogyan változik a kőzet mágnesezettsége, ahogy az ellenőrzött mágneses térben fokozatosan felmelegszik. Ennek a szignálnak a vadászata nem új ötlet, de csak most vált életképessé – ez annak köszönhető, hogy egyre nagyobb mennyiségű mérési adat áll rendelkezésre, és új megközelítéseket alkalmaznak az elemzésükhöz.

A Föld történelme nagy részében egy “dinamó” folyamat révén tartotta fenn a mágneses mezőt. Ez elvileg hasonló a felhúzható rádióhoz vagy a kerékpárral működtetett villanykörtéhez, mivel a mechanikai energiát elektromágneses energiává alakítják át. Mielőtt a belső mag először kezdett megszilárdulni, ezt a “geodinamót” feltehetően egy teljesen más és nem hatékony “termikus konvekciós” folyamat működtette.

Mihelyt a vas elkezdett kifagyni a mag alján lévő folyadékból, a maradék kevésbé lett sűrű, ami további felhajtóerőt biztosított, és sokkal hatékonyabb “összetételes konvekcióhoz” vezetett. Eredményeink arra utalnak, hogy ez a hatékonyság-megtakarítás a Föld történetében korábban történt, mint korábban gondolták, ami azt jelenti, hogy a mágneses mezőt összességében kevesebb energiával hosszabb ideig lehetett volna fenntartani. Mivel az energia nagyrészt termikus, ez azt jelenti, hogy a mag egésze valószínűleg hűvösebb, mint amilyen akkor lett volna, ha a belső rész később alakult volna ki.

Hő és lemeztektonika

A hűvösebb mag kisebb hőáramlást feltételez a mag-köpeny határon keresztül. Ez a földtudományok egésze szempontjából fontos, mert ez lehet az egyik mozgatórugója annak, hogy a tektonikus lemezek elmozduljanak, és ez a földfelszíni vulkánosság egyik forrása is. Tudjuk, hogy ezek a folyamatok a köpeny konvekciójának eredményei, amelyet végső soron a bolygóból kiáramló hő okoz, olyan sebességgel, amelyet meglehetősen pontosan tudunk mérni. Amit még mindig nem tudunk, az az, hogy a Föld felszínére távozó hőből mennyi származik a köpenyből és mennyi a magból.

A magból származó felmelegedés a feltételezések szerint közvetlenül a mag-köpeny határ felett feltörő fúvókákat hoz létre, amelyek segíthetnek a köpenyen belüli áramlás meghajtásában. Eredményeink azt sugallják, hogy a mag hozzájárulása a felszíni hőáramláshoz kisebb, mint azt más tanulmányok alapján feltételezzük, és hogy az óceáni szubdukció, amikor az egyik tektonikus lemez a másik alatt lemegy a köpenybe, sokkal fontosabb a köpeny konvenciójának meghajtásában, mint a magból felszálló hő.

A belső mag koráról és a Föld ebből eredő hőfejlődéséről szóló vita még nem ért véget. További paleomágneses adatokra van szükség annak megerősítéséhez, hogy a mágneses térerősség általunk megfigyelt erőteljes növekedése valóban a legnagyobb a bolygó történetében. Továbbá a modellezésnek azt is ellenőriznie kell, hogy más esemény hozhatta-e létre a mágneses erősödést ebben az időben.

Mindenesetre a dolgok jelenlegi állása szerint az elmélet és a megfigyelések együttesen arra utalnak, hogy a Föld a jelenlegi korának kétharmada volt, mielőtt elkezdett volna belső magot növeszteni – ami azt jelenti, hogy a földtudósoknak talán felül kell vizsgálniuk a bolygó történetéről alkotott elképzeléseiket.