Syvällä Maan uumenissa on olemassa salaperäinen maailma, jolle antavat eloa muun muassa liukuvat maankuoren laatat, kuumat metallit ja äärimmäiset paine-erot.
Ja kaiken keskellä on sisäydin, josta on matkaa maanpinnalle noin 5 000 kilometriä. Ydin on kiinteä, kuuma rauta- ja nikkelipallo, jonka läpimitta on yli 1 300 kilometriä.
Tai ainakin näin on uskottu.
Uuden tiedelehti Naturessa julkaistun tutkimuksen mukaan planeettamme sisäydin ei ehkä olekaan niin kiinteä kuin on kuviteltu. Se onkin ilmeisesti harvinaisessa välitilassa, jossa se ei ole kiinteä eikä nestemäinen. Tutkijat puhuvat superionisesta tilasta.
LÄHDE TUTKIMUSMATKALLE: Maan sisukseen kätkeytyy äärimmäisyyksien täytekakku
Maankuoren osuus maapallon jäykistä ulko-osista on puolet. Siihen kuuluvat sekä mantereet että merenpohja. Maankuoren koostumus on erilainen kuin sen alla olevan vaipan. Maankuoren ainekset sisältävät muun muassa piitä, uraania ja kaliumia. Siksi maankuori on lukuisia geologisia prosesseja läpikäyneiden kivilajien mosaiikki.
Syvyys: 0–75 km
Lämpötila: 0–400 °C
Vaippa on maapallon sisuksen osa, jonka kemiallinen koostumus vaihtelee melko vähän. Vaippa alkaa litosfäärin eli kivikehän alta ja ulottuu ulkoytimeen asti. Vaipan alaosan lämpötila on noin 4 000 astetta, ja lämpö siirtyy ylöspäin. Maankuoren pohjalla lämpötila on noin 500 astetta.
Syvyys: 75–2 900 km
Lämpötila: 500–4 000 °C
Ulkoydin on nestemäinen. Se koostuu raudasta ja raudan puoleensa vetämistä alkuaineista, kuten nikkelistä. Nestemäisen aineen virtaukset saavat aikaan Maan magneettikentän. Ulkoytimen olomuoto on määritetty seismisten tutkimusten tulosten pohjalta. Käsitys, että ulkoydin on rautaa, perustuu Maan massaa koskeviin laskelmiin.
Syvyys: 2 900–5 000 km
Lämpötila: 4 000–4 500 °C
Sisäytimen on oletettu olevan kiinteä rauta- ja nikkelipallo. Uuden tutkimuksen mukaan aineet ovat kuitenkin kuumia ja ilmeisesti olomuodoltaan kiinteän ja nestemäisen väliltä – siis eräänlaisessa välitilassa.
Syvyys: 5 000–6 370 km
Lämpötila: 4 500–7 000 °C
Aallot paljastavat ytimen
Seismisillä aalloilla eli maanjäristysaalloilla voidaan selvittää sitä, mitä tuhansien kilometrien syvyydessä maanpinnan alla on ja tapahtuu.
Aallot etenevät eri nopeudella erilaisissa aineissa ja heijastuvat niistä eri tavoin. Tätä tietoa käytetään hyväksi, kun kartoitetaan maapallon eri kerrosten rakennetta.
Aiemmissa seismologisissa tutkimuksissa tultiin toistuvasti siihen tulokseen, että ytimen ympäriltä voidaan saada heikko heijaste niin sanotusta pitkittäisestä P-aallosta. Se kertoo, että siellä on kiinteän aineen rajapinta.
Aallot liikkuvat kuitenkin aavistuksen hitaammin kuin olisi odotuksenmukaista kovan, läpimitaltaan yli 1 000 kilometriä olevan rautapallon tapauksessa. Tämä vihjaa, että ydin voi olla myös pehmeä.
Maan sisuksissa vallitsevat ääriolosuhteet
Uudessa tutkimuksessa etsittiin vaihtoehtoa yleisesti hyväksytylle kova ja pehmeä -teorialle jäljittelemällä ytimen ympäristöä.
Tietokonesimulaatioiden avulla kartoitettiin, kuinka aallot kulkevat koostumukseltaan erilaisten aineiden läpi olosuhteissa, jotka vastaavat paineeltaan ja lämpötilaltaan Maan sisusta 5 000 kilometrin syvyydessä.
Kävi ilmi, että toinen selitys pätee paremmin hieman hitaammin eteneviin seismisiin aaltoihin.
Se on tila, jossa rauta, hiili, vety ja happi yhtyvät olematta kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa olomuodossa. Sitä kutsutaan superioniseksi.
Myös mustaksi jääksi kutsuttua superionista vettä luodaan äärimmäisessä paineessa ja kuumuudessa. Normaalisti vesi pitää altistaa vähintään 50 gigapascalin paineelle. Lokakuussa 2021 yhdysvaltalaiset tutkijat onnistuivat luomaan erikoista vettä hetkeksi vain 20 gigapascalin paineella. Kuvassa on laboratorio, jossa vesimolekyylejä altistettiin valtavalle paineelle muun muassa timanttien ja voimakkaan lasersäteen avulla.
Vesimolekyylejä murskattiin järeällä laserilla
Superioninen tila oli kaikkien huulilla syksyllä 2021, kun tutkijat onnistuivat luomaan arvoituksellista superionista jäätä, jota oletetaan esiintyvän esimerkiksi Uranuksen ja Neptunuksen ytimessä. Sitä nimitetään myös mustaksi jääksi.
Maailman suurimpiin kuuluvalla laserilla tuotettiin Auringon pintalämpötilaa kuumempi iskuaalto, joka suunnattiin vesipisaraan. Sen vaikutuksesta syntyi tila, joka vastaa planeetan keskellä vallitsevia olosuhteita.
Laboratoriossa voitiin hetkellisesti havainnoida, kuinka äärimmäinen paine ja kuumuus hajottivat vesimolekyylin ja loivat kiinteitä happi-ioneja ja nestemäisempiä vetyioneja. Ne esiintyivät siis välitilassa.
Pidetään mahdollisena, että superionisessa tilassa olevat rauta-atomit muodostavat vakaan rakenteen, joka pitää ainetta koossa mutta joka päästää kevyet alkuaineet, kuten vedyn, hapen ja hiilen, liikkumaan melkein nestemäisessä olomuodossa.
Esimerkiksi Uranuksen ja Neptunuksen erittäin kuumissa sisäosissa vesi voi esiintyä mustana jäänä. Superionisessa tilassa se johtaa sähköä.
Maapallo kätkee sisäänsä salaisuuksia
Maan sisuksen ominaisuudet ovat yhä tieteen suuria arvoituksia.
Vaikka seismiset aallot antavat tietoa siitä, mitä tuhansien kilometrien syvyydessä on ja tapahtuu, maapallon rakennetta ei tunneta läpikotaisin. Kuva siitä voi tarkentua vain porautumalla kirjaimellisesti ongelman ytimeen.
Siksi tuoreinkaan tutkimustulos ei ole välttämättä lopullinen tieteellinen totuus.
Edellisestä hätkähdyttävästä uutisesta on kulunut aikaa vasta kolmisen vuotta. Silloin kansainvälinen geologiryhmä esitti, että seismisten aaltojen hitaus ytimen ympärillä johtuu kuumasta "rautalumesta", jota sataa nestemäisemmästä ytimestä kiinteään ytimeen.