We mogen nikkel wel dankbaar zijn. Dankzij dit metaal in de aardkern blijft het o zo belangrijke aardmagneetveld in stand. Zo suggereren wetenschappers nu.

Het aardmagneetveld is van groot belang voor het leven. Zonder de magneetparaplu van de aarde zou dodelijke straling uit de ruimte leven op aarde bijna onmogelijk maken. Het magneetveld ontstaat door convectiestromen in de aardkern, maar hoe precies is nog altijd niet helemaal duidelijk.

Geofysici van de Technische Universiteit Wenen en de Universiteit van Würzburg denken een deel van deze puzzel te hebben opgelost. Ze hebben de cruciale rol die het element nikkel speelt in het creëren van het geodynamo-effect, de drijfveer achter het aardmagneetveld, ontdekt.

Spiraalsgewijze warmtestromen

De aardkern is zo groot als de maan en zo heet als het oppervlak van de zon (zo’n 6000 graden Celsius). Er heerst een druk van enkele honderden gigapascal – dat is vergelijkbaar met een trein die balanceert op 1 vierkante millimeter. Onder deze extreme omstandigheden gedraagt materie zich nogal bizar.

De hitte in de aardkern wil graag ontsnappen richting het aardoppervlak. Hierdoor ontstaan er hete opstijgende bubbels van materie; convectiestromen. Tegelijkertijd draait de aarde om haar as en dat geeft het Corioliseffect. De combinatie van de twee creëert spiraalsgewijze warmtestromen.

Niet alleen ijzer

In die warmtestromen bewegen ook vrije elektronen, afkomstig van metalen in de aardkern. De stroom van deze elektronen in de materie wekt een magnetisch veld op, dat op zijn beurt de elektronenstroom vergroot. Zo wordt het magneetveld alsmaar sterker, tot het meetbaar is op het aardoppervlak: het aardmagneetveld.

Maar niemand wist toe nu toe hoe die convectiestromen in eerste instantie ontstaan. Het raadsel zat hem vooral in de elementen in de aardkern. IJzer is een erg goede warmtegeleider en bij extreme druk zelfs nog beter. Als de aardkern uit alleen ijzer zou bestaan dan zouden de elektronen door de hete buitenkern heel simpel kunnen opstijgen. Het is dan niet nodig dat er materie meegaat in de vorm van convectiestromen. En zonder convectie, geen aardmagneetveld.

Nikkel essentieel

Gelukkig zit er ook nikkel in de aardkern – tot bijna 20 procent van de totale massa. Maar hoe draagt nikkel precies bij aan het ontstaan van het aardmagneetveld? De onderzoekers onderzochten dit door grootschalige computersimulaties te runnen. Ze namen daar ook imperfecties en onregelmatigheden van de aardkern in op.

Ze kwamen tot het volgende inzicht. Nikkel gedraagt zich onder extreme druk heel anders dan ijzer. Het kan warmte veel minder goed geleiden (de elektronen kaatsen te veel alle kanten op) dan zijn buurmetaal en dus is het nodig dat er convectiestromen ontstaan om de elektronen te begeleiden. Het lijkt er dus sterk op dat nikkel essentieel is voor het opwekken van het aardmagneetveld.

Theorieën moeten aangepast

“Dit is een geheel nieuwe ontdekking”, zegt geofysicus Cor Langereis (Universiteit Utrecht). “Theorieën over de geodynamo zullen nu moeten worden aangepast om te kunnen verklaren hoe de aarde haar magneetveld in stand kan houden.”

“Het is deze auteurs gelukt om de berekeningen van interacties van ijzer en nikkel onder extreme druk en temperatuur met de snelste computers en slimme aannames te bepalen”, vervolgt Langereis. “Ze tonen overtuigend aan dat vooral de eigenschappen van nikkel ervoor zorgen dat convectie – en daarmee de geodynamo – in stand wordt gehouden.”

Nuttige simulaties

De geavanceerde simulatiemethoden zijn niet alleen van belang voor het beter begrijpen van de aardkern en het ontstaan van het aardmagneetveld. Ze kunnen ook nuttig zijn voor het ontwikkelen van nieuwe toepassingen binnen de chemie, biologie, industrie en technologie, zo denken de onderzoekers.

Bronnen: Nature Communications, Universiteit van Wenen via EurekAlert!

Beeld: 123rf