Enligt de senaste uppskattningarna började jordens fasta inre kärna bildas för mellan en halv och en miljard år sedan. Våra nya mätningar av gamla stenar när de svalnar från magma har dock visat att den faktiskt kan ha börjat bildas mer än en halv miljard år tidigare.
Men även om detta fortfarande är relativt sent i jordens fyra och en halv miljard år långa historia, är innebörden att jordens djupa inre kanske inte har varit så varmt i det djupa förflutna som vissa har hävdat. Det betyder att kärnan överför värme till ytan långsammare än man tidigare trott, och att det är mindre troligt att den spelar en stor roll när det gäller att forma jordens yta genom tektoniska rörelser och vulkaner.
Just efter att jorden bildades genom kollisioner i ett enormt moln av material som också bildade solen, var den smält. Detta berodde på den värme som bildningsprocessen genererade och det faktum att den ständigt kolliderade med andra kroppar. Men efter ett tag, när bombningarna avtog, svalnade det yttre lagret och bildade en fast skorpa.
Jordets inre kärna är idag en Pluto-stor boll av fast järn i mitten av vår planet omgiven av en yttre kärna av smält järn som legerats med något, ännu okänt, lättare grundämne. Trots att jorden är hetast i sitt centrum (ca 6 000 °C) fryser flytande järn till fast form på grund av det mycket höga trycket där. När jorden fortsätter att svalna växer den inre kärnan med en hastighet av cirka 1 mm per år genom denna frysningsprocess.
Vetandet av den tidpunkt då jordens centrum kyldes ner tillräckligt mycket för att först frysa järn ger oss en grundläggande referenspunkt för hela planetens termiska historia.
Jordets magnetfält genereras av rörelsen av elektriskt ledande smält järn i den yttre kärnan. Denna rörelse genereras av lätta element som frigörs vid den inre kärnans gräns när den växer. Därför representerar den tidpunkt då järnet först frystes också en tidpunkt då den yttre kärnan fick en stark extra kraftkälla.
Det är signaturen av denna förstärkning av magnetfältet – den största långsiktiga ökningen i hela dess historia – som vi tror att vi har observerat i de magnetiska register som återfunnits från magmatiska stenar som bildades vid denna tid. Magnetiska partiklar i dessa bergarter ”låser in” egenskaperna hos jordens magnetfält vid den tidpunkt och plats då de svalnar från magma.
Signalen kan sedan återvinnas i laboratoriet genom att mäta hur stenens magnetisering förändras när den successivt värms upp i ett kontrollerat magnetfält. Jakten på denna signatur är ingen ny idé, men den har först nu blivit genomförbar – en kombination av att det finns ökade mängder mätdata tillgängliga och nya metoder för att analysera dem.
Jorden har upprätthållit ett magnetfält under större delen av sin historia genom en ”dynamoprocess”. Detta liknar i princip en uppdragsradio eller en cykeldriven glödlampa, eftersom mekanisk energi omvandlas till elektromagnetisk energi. Innan den inre kärnan började stelna tros denna ”geodynamo” ha drivits av en helt annan och ineffektiv ”termisk konvektionsprocess”.
När järn började frysa ut ur vätskan vid kärnans bas blev återstoden mindre tät, vilket gav ytterligare en källa till flytkraft och ledde till mycket effektivare ”kompositionell konvektion”. Våra resultat tyder på att denna effektivitetsbesparing skedde tidigare i jordens historia än vad man tidigare trott, vilket innebär att magnetfältet skulle ha kunnat upprätthållas längre med mindre energi totalt sett. Eftersom energin mestadels är termisk innebär detta att kärnan som helhet sannolikt är kallare än vad den skulle ha varit om den inre delen hade bildats senare.
Värme och plattektonik
En kallare kärna innebär ett lägre värmeflöde över gränsen mellan kärna och mantel. Detta är viktigt för hela geovetenskapen eftersom det kan vara en av drivkrafterna för att få tektoniska plattor att röra sig och är också en källa till vulkanism i form av plymer vid jordytan. Vi vet att dessa processer är ett resultat av konvektion i manteln som i slutändan orsakas av att värme flödar ut från planeten med en hastighet som vi kan mäta ganska exakt. Vad vi fortfarande inte vet är hur mycket av denna värme som förloras vid jordytan som kommer från manteln och hur mycket som kommer från kärnan.
Uppvärmningen från kärnan tros ge upphov till plymer som väller upp strax ovanför gränsen mellan kärnan och manteln, vilket kan bidra till att driva flödet i manteln. Förslaget från våra resultat är att kärnans bidrag till värmeflödet på ytan är lägre än vad som antyds i andra studier och att subduktion i havet, när en tektonisk platta går under en annan ner i manteln, är mycket viktigare för att driva mantelns konvention än värmen som stiger upp från kärnan.
Debatten om den inre kärnans ålder och jordens resulterande termiska utveckling är ännu inte över. Det behövs fler paleomagnetiska data för att bekräfta att den kraftiga ökning av magnetfältsstyrkan som vi har observerat verkligen är den största i planetens historia. Dessutom måste modellering verifiera om någon annan händelse kan ha skapat den magnetiska förstärkningen vid denna tidpunkt.
När allt kommer omkring, så som det ser ut nu, tyder teori och observationer tillsammans på att jorden var två tredjedelar av sin nuvarande ålder innan den började växa upp en inre kärna – vilket innebär att geovetenskapsmännen kan komma att tvingas revidera sin förståelse av planetens historia.