Zgodnie z ostatnimi szacunkami, stałe wewnętrzne jądro Ziemi zaczęło się formować między pół miliarda a miliardem lat temu. Jednak nasze nowe pomiary starożytnych skał, gdy stygną one od magmy, wskazały, że w rzeczywistości mogło ono zacząć się formować ponad pół miliarda lat wcześniej.
Choć jest to wciąż stosunkowo późno w liczącej cztery i pół miliarda lat historii Ziemi, implikacja jest taka, że głębokie wnętrze Ziemi mogło nie być tak gorące w głębokiej przeszłości, jak niektórzy twierdzili. Oznacza to, że rdzeń przenosi ciepło na powierzchnię wolniej niż wcześniej sądzono i jest mniej prawdopodobne, że odegra dużą rolę w kształtowaniu powierzchni Ziemi poprzez ruchy tektoniczne i wulkany.
Tuż po tym, jak Ziemia uformowała się z kolizji w ogromnej chmurze materiału, która również uformowała Słońce, była stopiona. Wynikało to z ciepła wytworzonego w procesie formowania oraz z faktu, że nieustannie zderzała się z innymi ciałami. Ale po pewnym czasie, gdy bombardowanie zwolniło, zewnętrzna warstwa ochłodziła się, tworząc stałą skorupę.
Wewnętrzne jądro Ziemi jest, dzisiaj, kulą litego żelaza wielkości Plutona w centrum naszej planety otoczoną zewnętrznym jądrem stopionego żelaza stopionego z jakimś, jeszcze nieznanym, lżejszym pierwiastkiem. Mimo że w centrum Ziemi panuje najwyższa temperatura (około 6000°C), płynne żelazo zamarza w ciało stałe z powodu panującego tam bardzo wysokiego ciśnienia. W miarę dalszego ochładzania się Ziemi, wewnętrzne jądro powiększa się w tempie około 1 mm na rok przez ten proces zamrażania.
Znajomość punktu w czasie, w którym centrum Ziemi ochłodziło się wystarczająco, aby po raz pierwszy zamrozić żelazo, daje nam fundamentalny punkt odniesienia dla całej historii termicznej planety.
Pole magnetyczne Ziemi jest generowane przez ruch elektrycznie przewodzącego stopionego żelaza w zewnętrznym jądrze. Ruch ten jest generowany przez lekkie elementy uwalniane na wewnętrznej granicy jądra w miarę jego wzrostu. Dlatego czas, kiedy żelazo zostało po raz pierwszy zamrożone, reprezentuje również punkt w czasie, kiedy zewnętrzne jądro otrzymało silne dodatkowe źródło energii.
To właśnie sygnatura tego pobudzenia pola magnetycznego – największego długoterminowego wzrostu w całej jego historii – jak sądzimy, została zaobserwowana w zapisach magnetycznych odzyskanych ze skał iglastych powstałych w tym czasie. Cząsteczki magnetyczne w tych skałach „blokują” właściwości ziemskiego pola magnetycznego w czasie i miejscu, w którym stygły one z magmy.
Sygnał ten można następnie odzyskać w laboratorium, mierząc, jak zmienia się namagnesowanie skały w miarę jej stopniowego nagrzewania w kontrolowanym polu magnetycznym. Polowanie na ten podpis nie jest nowym pomysłem, ale dopiero teraz stało się wykonalne – połączenie większej ilości dostępnych danych pomiarowych i nowych podejść do ich analizy.
Ziemia utrzymywała pole magnetyczne przez większość swojej historii dzięki procesowi „dynamo”. Jest to proces podobny w zasadzie do nawijającego radia lub żarówki zasilanej rowerem w tym, że energia mechaniczna jest przekształcana w energię elektromagnetyczną. Zanim jądro wewnętrzne zaczęło się krzepnąć, uważa się, że to „geodynamo” było zasilane przez zupełnie inny i nieefektywny proces „konwekcji termicznej”.
Odkąd żelazo zaczęło zamarzać z cieczy u podstawy rdzenia, pozostała część stała się mniej gęsta, dostarczając dodatkowego źródła wyporu i prowadząc do znacznie bardziej wydajnej „konwekcji kompozycyjnej”. Nasze wyniki sugerują, że ta oszczędność wydajności miała miejsce wcześniej w historii Ziemi, niż wcześniej sądzono, co oznacza, że pole magnetyczne byłoby dłużej podtrzymywane przy mniejszym zużyciu energii. Ponieważ energia jest głównie termiczna, sugeruje to, że jądro jako całość jest prawdopodobnie chłodniejsze niż byłoby, gdyby wewnętrzna część uformowała się później.
Ciepło i tektonika płyt
Chłodniejszy rdzeń implikuje mniejszy przepływ ciepła przez granicę rdzeń-mantle. Jest to ważne dla wszystkich nauk o Ziemi, ponieważ może to być jeden z czynników powodujących ruch płyt tektonicznych, a także jest źródłem wulkanizmu piórowego na powierzchni Ziemi. Wiemy, że procesy te są wynikiem konwekcji płaszcza, która ostatecznie jest wynikiem wypływu ciepła z planety w tempie, które możemy dość dokładnie zmierzyć. Nadal nie wiemy, ile z tego ciepła traconego na powierzchni Ziemi pochodzi z płaszcza, a ile z jądra.
Uważa się, że nagrzewanie się rdzenia powoduje powstawanie pióropuszy tuż nad granicą rdzeń-mantyl, co może pomóc w napędzaniu przepływu w płaszczu. Sugestia z naszych ustaleń jest taka, że wkład rdzenia w powierzchniowy przepływ ciepła jest niższy niż sugerują inne badania i że subdukcja w oceanie, kiedy jedna płyta tektoniczna przechodzi pod drugą w dół do płaszcza, są znacznie ważniejsze w napędzaniu konwencji płaszcza niż ciepło wznoszące się z rdzenia.
Debata na temat wieku wewnętrznego rdzenia i wynikającej z niego ewolucji termicznej Ziemi nie jest jeszcze zakończona. Potrzeba więcej danych paleomagnetycznych, aby potwierdzić, że obserwowany przez nas gwałtowny wzrost natężenia pola magnetycznego jest rzeczywiście największy w historii planety. Ponadto, modelowanie musi zweryfikować, czy jakieś inne wydarzenie mogło stworzyć wzmocnienie magnetyczne w tym czasie.
Niemniej jednak, jak rzeczy stoją, teoria i obserwacja łączą się, aby wskazać, że Ziemia była dwie trzecie swojego obecnego wieku, zanim zaczęła rosnąć wewnętrzne jądro – co oznacza, że naukowcy zajmujący się Ziemią mogą być zmuszeni do zrewidowania swojego rozumienia historii planety.
.