Alle schoolkinderen weten dat planeet Aarde is verdeeld in drie (of vier) grote lagen: de korst, de mantel en de kern. Dit is over het algemeen waar, hoewel deze generalisatie geen rekening houdt met verschillende extra lagen die door wetenschappers zijn geïdentificeerd, waaronder bijvoorbeeld de overgangslaag binnen de mantel.
In een studie die op 15 februari 2019 werd gepubliceerd, gebruikten geofysicus Jessica Irving en masterstudent Wenbo Wu van Princeton University, in samenwerking met Sidao Ni van het Geodetic and Geophysical Institute in China, gegevens verkregen uit de krachtige aardbeving van 1994 in Bolivia om de bergen te vinden. en andere topografische kenmerken op het oppervlak van de overgangszone diep in de mantel. Deze laag, die zich 660 kilometer onder de grond bevindt, scheidt de bovenste en onderste mantel (zonder een formele naam voor deze laag noemden de onderzoekers het simpelweg de ‘660 kilometergrens’).
Om zo diep onder de grond te kunnen ‘kijken’, gebruikten wetenschappers de krachtigste golven ter wereld, veroorzaakt door sterke aardbevingen. "Je hebt een sterke, diepe aardbeving nodig om de planeet te doen schudden", zegt Jessica Irving, assistent-professor in de geowetenschappen.
Grote aardbevingen zijn veel krachtiger dan gewone aardbevingen; de energie ervan neemt dertigvoudig toe met elke extra stap op de schaal van Richter. Irving haalt zijn beste gegevens uit aardbevingen met een magnitude van 30 en hoger, omdat de seismische golven die door zulke grote aardbevingen worden uitgezonden zich in verschillende richtingen verspreiden en door de kern naar de andere kant van de planeet en terug kunnen reizen. Voor dit onderzoek waren de belangrijkste gegevens afkomstig van seismische golven die werden geregistreerd bij een aardbeving met een kracht van 7.0 op de schaal van Richter (de op een na diepste aardbeving ooit gemeten door geologen) die Bolivia in 8.3 op zijn grondvesten deed schudden.
“Aardbevingen van deze omvang komen niet vaak voor. We hebben het grote geluk dat er nu over de hele wereld veel meer seismometers zijn geïnstalleerd dan twintig jaar geleden. Ook de seismologie is de afgelopen twintig jaar enorm veranderd, dankzij nieuwe instrumenten en computerkracht.
Seismologen en datawetenschappers gebruiken supercomputers, zoals de Tiger-clustersupercomputer van Princeton, om het complexe gedrag van verstrooiende seismische golven diep onder de grond te simuleren.
Technologieën zijn gebaseerd op de fundamentele eigenschappen van golven: hun vermogen om te worden gereflecteerd en gebroken. Net zoals lichtgolven kunnen weerkaatsen (reflecteren) op een spiegel of kunnen buigen (breken) wanneer ze door een prisma gaan, reizen seismische golven door homogene rotsen, maar worden ze gereflecteerd of gebroken wanneer ze op hun pad ruwe oppervlakken tegenkomen.
"We weten dat bijna alle objecten een oneffen oppervlak hebben en daarom licht kunnen verstrooien", zegt Wenbo Wu, de hoofdauteur van het onderzoek, die onlangs een doctoraat in de geologie behaalde en momenteel een postdoctorale fellowship volgt aan het California Institute of Technology. “Dankzij dit feit kunnen we deze objecten ‘zien’ – verstrooiende golven dragen informatie over de ruwheid van de oppervlakken die ze op hun pad tegenkomen. In deze studie hebben we gekeken naar verstrooiende seismische golven die diep in de aarde reizen om de ‘ruwheid’ van de gevonden grens van 660 kilometer te bepalen.
De onderzoekers waren verrast door hoe ‘ruw’ deze grens is – nog meer dan de oppervlaktelaag waarop we leven. "Met andere woorden, deze ondergrondse laag heeft een topografie die complexer is dan die van de Rocky Mountains of het Appalachian bergsysteem," zei Wu. Hun statistische model was niet in staat de exacte hoogte van deze ondergrondse bergen te bepalen, maar de kans is groot dat ze veel hoger zijn dan wat dan ook op het aardoppervlak. Wetenschappers merkten ook dat de grens van 660 kilometer ook ongelijk verdeeld is. Op dezelfde manier waarop de landlaag in sommige delen gladde oceaanoppervlakken heeft en in andere delen enorme bergen, heeft de grens van 660 km ook ruwe zones en gladde lagen op het oppervlak. De onderzoekers keken ook naar de ondergrondse lagen op een diepte van 410 kilometer en naar de top van de middelste mantel, maar konden in deze oppervlakken geen vergelijkbare ruwheid vinden.
"Ze ontdekten dat de grens van 660 kilometer net zo complex is als de oppervlaktelaag", zegt seismoloog Christina Hauser, een assistent-professor aan het Tokyo Institute of Technology, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het gebruiken van de seismische golven die door krachtige aardbevingen worden veroorzaakt om een hoogteverschil van 3 kilometer te vinden op een terrein dat zich 660 kilometer diep onder de grond bevindt, is een onvoorstelbare prestatie... Hun ontdekkingen betekenen dat we in de toekomst met behulp van meer geavanceerde seismische instrumenten in staat zullen zijn om voorheen onbekende, subtiele signalen te detecteren, die ons nieuwe eigenschappen van de binnenste lagen van onze planeet zullen onthullen.”
Seismoloog Jessica Irving, universitair docent geofysica, heeft twee meteorieten uit de collectie van Princeton University in handen die ijzer bevatten en waarvan wordt aangenomen dat ze deel uitmaken van de planeet Aarde.
Foto gemaakt door Denis Appelwhite.
Wat betekent dit
Het bestaan van ruwe oppervlakken langs de 660 kilometer lange grens is belangrijk om te begrijpen hoe onze planeet zich vormt en functioneert. Deze laag verdeelt de mantel, die ongeveer 84 procent van het volume van onze planeet uitmaakt, in bovenste en onderste delen. Jarenlang hebben geologen gedebatteerd over het belang van deze grens. In het bijzonder bestudeerden ze hoe warmte door de mantel wordt getransporteerd - en of verwarmde rotsen zich verplaatsen van de Gutenberg-grens (de laag die de mantel scheidt van de kern op een diepte van 2900 kilometer) naar de top van de mantel, of dat deze beweging wordt onderbroken op de 660 kilometergrens. Sommige geochemische en mineralogische gegevens suggereren dat de bovenste en onderste lagen van de mantel verschillende chemische samenstellingen hebben, wat het idee ondersteunt dat de twee lagen thermisch of fysiek niet mengbaar zijn. Andere waarnemingen suggereren dat de bovenste en onderste lagen van de mantel geen chemisch verschil vertonen, wat aanleiding geeft tot het debat over de zogenaamde ‘goed gemengde mantel’, waarbij beide lagen van de mantel deelnemen aan een aangrenzende warmte-uitwisselingscyclus.
"Onze studie biedt nieuwe inzichten in dit debat", zei Wenbo Wu. De gegevens uit dit onderzoek suggereren dat beide partijen gedeeltelijk gelijk kunnen hebben. De gladdere lagen van de grens van 660 km zijn mogelijk gevormd als gevolg van grondige, verticale menging, terwijl de ruwere, bergachtige zones zich kunnen hebben gevormd waar de vermenging van de bovenste en onderste mantel niet zo soepel verliep.
Bovendien werd door onderzoekswetenschappers op grote, middelgrote en kleine schaal de "ruwheid" van de laag op de gevonden grens gedetecteerd, wat in theorie zou kunnen worden veroorzaakt door thermische afwijkingen of chemische heterogeniteit. Maar vanwege de manier waarop warmte in de mantel wordt getransporteerd, legt Wu uit, zou elke kleinschalige thermische anomalie binnen een paar miljoen jaar worden gladgestreken. Alleen chemische heterogeniteit kan dus de ruwheid van deze laag verklaren.
Wat zou zo’n significante chemische heterogeniteit kunnen veroorzaken? Bijvoorbeeld het verschijnen van gesteenten in de lagen van de mantel die tot de aardkorst behoorden en daar gedurende vele miljoenen jaren naartoe zijn verplaatst. Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over het lot van platen op de zeebodem die in de mantel worden geduwd door subductiezones die tegen elkaar botsen rond de Stille Oceaan en andere delen van de wereld. Weibo Wu en Jessica Irving suggereren dat overblijfselen van deze platen zich nu boven of onder de grens van 660 kilometer kunnen bevinden.
“Veel mensen geloven dat het behoorlijk moeilijk is om de interne structuur van de planeet en de veranderingen ervan in de afgelopen 4.5 miljard jaar te bestuderen met behulp van alleen seismische golfgegevens. ‘Maar dit is verre van waar!’ zei Irving. ‘Dit onderzoek heeft ons nieuwe informatie gegeven over het lot van oude tektonische platen die gedurende vele miljarden jaren in de mantel zijn afgedaald.’
Ten slotte voegde Irving eraan toe: “Ik denk dat seismologie het meest interessant is als het ons helpt de interne structuur van onze planeet in ruimte en tijd te begrijpen.”
Van de auteur van de vertaling: Ik heb altijd al eens willen proberen een populair-wetenschappelijk artikel uit het Engels naar het Russisch te vertalen, maar ik had dit niet verwacht voor zover het is gecompliceerd. Veel respect voor degenen die regelmatig en efficiënt artikelen over Habré vertalen. Om een tekst professioneel te vertalen, moet je niet alleen Engels kennen, maar ook het onderwerp zelf begrijpen door bronnen van derden te bestuderen. Voeg een beetje “gag” toe om het natuurlijker te laten klinken, maar overdrijf het ook niet, om het artikel niet te bederven. Heel erg bedankt voor het lezen :)
Bron: www.habr.com