Volgens recente schattingen is de vaste binnenkern van de aarde tussen een half miljard en een miljard jaar geleden ontstaan. Onze nieuwe metingen van oude gesteenten die afkoelen uit magma hebben echter aangetoond dat de vorming van de kern in feite meer dan een half miljard jaar eerder kan zijn begonnen.

Hoewel dit nog relatief laat is in de 4,5 miljard jaar oude geschiedenis van de aarde, betekent dit dat het diepe inwendige van de aarde in het verre verleden misschien niet zo heet is geweest als sommigen hebben beweerd. Dat betekent dat de kern de warmte langzamer naar het oppervlak overbrengt dan eerder werd gedacht, en minder waarschijnlijk een grote rol speelt bij de vorming van het aardoppervlak door tektonische bewegingen en vulkanen.

Nadat de aarde was gevormd uit botsingen in een enorme wolk van materiaal waaruit ook de zon was gevormd, was zij gesmolten. Dit kwam door de hitte die werd opgewekt door het vormingsproces en het feit dat het voortdurend in botsing kwam met andere lichamen. Maar na verloop van tijd, toen het bombardement vertraagde, koelde de buitenste laag af en vormde een vaste korst.

De binnenkern van de aarde is tegenwoordig een bol massief ijzer ter grootte van Pluto in het centrum van onze planeet, omgeven door een buitenkern van gesmolten ijzer dat is gelegeerd met een of ander, nog onbekend, lichter element. Hoewel de aarde in het centrum het heetst is (ongeveer 6.000°C), bevriest vloeibaar ijzer tot een vaste stof door de zeer hoge druk die daar heerst. Terwijl de Aarde verder afkoelt, groeit de binnenkern door dit bevriezingsproces met ongeveer 1 mm per jaar.

Weten op welk tijdstip het centrum van de Aarde voldoende is afgekoeld om voor het eerst ijzer te bevriezen, geeft ons een fundamenteel referentiepunt voor de hele thermische geschiedenis van de planeet.

Het magnetisch veld van de Aarde wordt opgewekt door de beweging van elektrisch geleidend gesmolten ijzer in de buitenkern. Deze beweging wordt opgewekt door lichte elementen die vrijkomen bij de grens van de binnenkern als deze groeit. Daarom vertegenwoordigt het tijdstip waarop ijzer voor het eerst werd bevroren ook een tijdstip waarop de buitenkern een sterke extra krachtbron kreeg.

Het is de signatuur van deze boost van het magnetisch veld – de grootste langetermijnstijging in zijn hele geschiedenis – die we denken te hebben waargenomen in de magnetische gegevens die zijn teruggevonden in stollingsgesteenten die in deze periode zijn gevormd. Magnetische deeltjes in deze gesteenten “lock-in” de eigenschappen van het magnetisch veld van de Aarde op het tijdstip en de plaats dat zij afkoelen uit magma.

Het signaal kan dan in het laboratorium worden teruggevonden door te meten hoe de magnetisering van het gesteente verandert naarmate het geleidelijk wordt opgewarmd in een gecontroleerd magnetisch veld. De jacht op deze signatuur is geen nieuw idee, maar is nog maar pas levensvatbaar geworden – een combinatie van het beschikbaar komen van grotere hoeveelheden meetgegevens en nieuwe benaderingen om ze te analyseren.

De aarde heeft gedurende het grootste deel van haar geschiedenis een magnetisch veld in stand gehouden door middel van een “dynamo”-proces. Dit is in principe vergelijkbaar met een opwindbare radio of een gloeilamp die door een fiets wordt aangedreven, in die zin dat mechanische energie wordt omgezet in elektromagnetische energie. Voordat de binnenkern begon te stollen, werd deze “geodynamo” vermoedelijk aangedreven door een geheel ander en inefficiënt “thermische convectie” proces.

Toen ijzer uit de vloeistof aan de basis van de kern begon te bevriezen, werd de rest minder dicht, waardoor een extra bron van drijfvermogen ontstond en een veel efficiëntere “samenstellingsconvectie” ontstond. Onze resultaten suggereren dat deze efficiëntiesprong eerder in de geschiedenis van de aarde plaatsvond dan eerder werd gedacht, wat betekent dat het magnetische veld langer in stand zou zijn gehouden met minder energie in het algemeen. Aangezien de energie voornamelijk thermisch is, impliceert dit dat de kern als geheel waarschijnlijk koeler is dan het geval zou zijn geweest als het binnenste gedeelte later was gevormd.

Warmte en platentektoniek

Een koelere kern impliceert een geringere warmtestroom over de grens tussen kern en mantel. Dit is belangrijk voor alle aardwetenschappen, omdat het een van de drijvende krachten kan zijn achter het bewegen van tektonische platen en ook een bron is van vulkanisme aan het aardoppervlak. Wij weten dat deze processen het resultaat zijn van mantelconvectie, die uiteindelijk wordt veroorzaakt door het wegstromen van warmte uit de planeet met een snelheid die wij vrij nauwkeurig kunnen meten. Wat we nog steeds niet weten is hoeveel van deze warmte die aan het aardoppervlak verloren gaat, afkomstig is uit de mantel en hoeveel uit de kern.

Verondersteld wordt dat de opwarming van de kern pluimen veroorzaakt die net boven de kern-mantelgrens uitkomen, wat de stroming in de mantel zou kunnen helpen aandrijven. Onze bevindingen suggereren dat de bijdrage van de kern aan de warmtestroom aan het oppervlak lager is dan andere studies suggereren en dat subductie in de oceaan, wanneer een tektonische plaat onder een andere doorgaat tot in de mantel, veel belangrijker is voor de sturing van de mantelconversie dan de warmte die uit de kern opstijgt.

Het debat over de leeftijd van de binnenkern en de daaruit voortvloeiende thermische evolutie van de aarde is nog niet ten einde. Er zijn meer paleomagnetische gegevens nodig om te bevestigen dat de sterke toename van de magnetische veldsterkte die we hebben waargenomen, werkelijk de grootste in de geschiedenis van de planeet is. Bovendien moet door modellering worden nagegaan of een andere gebeurtenis de magnetische versterking op dit moment kan hebben veroorzaakt.

Niettemin blijkt uit de huidige stand van zaken dat theorie en waarneming er samen op wijzen dat de aarde tweederde van haar huidige leeftijd had voordat zij een binnenkern begon te vormen – wat betekent dat aardwetenschappers hun begrip van de geschiedenis van de planeet wellicht zullen moeten herzien.