Maan sisin ydin — koostumus, lämpötila ja löytöhistoria

Maan sisin ydin: rauta‑nikkeli‑koostumus, äärilämpötila (~5700 K), valtavat paineet ja Inge Lehmannin löytöhistoria — selkeä, faktapainotteinen katsaus ydintutkimukseen.

Sisempi ydin on maapallon keskipiste ja planeetan kuumin osa. Se on pääosin kiinteä pallo, jonka säde on seismologisten tutkimusten mukaan noin 1 220 km. Sen uskotaan koostuvan enimmäkseen rauta-nikkeliseoksesta, mutta tutkimukset viittaavat myös kevyempiin alkuaineisiin (esim. pii, rikki, happi tai vety) pienempinä pitoisuuksina, jotka alentavat tiheyttä verrattuna puhtaaseen rautaan. Sisemmän ytimen tiheys on arvioitu olevan noin 12,8–13,1 g/cm3.

Koostumus ja rakenne

Sisempää ydintä ympäröi nestemäinen ulompi ydin, ja näiden rajakohta (sisäisen ja ulkoisen ytimen välinen rajapinta) alkaa noin 5 150 kilometriä maan pinnasta. Sisempi ydin on siis erillinen, kiinteä osa, jonka materiaali on puristunut erittäin tiheään tilaan. Rautanikkeli-seoksen lisäksi mallinnukset ja laboratoriokokeet viittaavat siihen, että sisäinen ydin sisältää muutamia prosentteja kevyitä alkuaineita, mikä selittää sen tiheyden ja akustiset ominaisuudet.

Lämpötila ja paine

Sisimmän ytimen lämpötila on arviolta tuhansista kelvineistä useisiin tuhansiin kelvineihin; usein käytetty keskisarvo on noin 5 700 K (noin 5 400 °C), mutta arvioiden vaihteluväli on laaja (noin 4 500–7 000 K) riippuen mallista ja mittausmenetelmästä. Tarkkaa arvoa ei voida mitata suoraan, vaan se johdetaan seismisistä havainnoista, materiaalitieteellisistä kokeista (esim. iskuaaltokokeet) ja laskennallisista malleista.

Paine sisemmässä ytimessä on äärimmäinen: noin 3 000 000–3 600 000 ilmakehää (noin 330–360 gigapascaliin, GPa, verrattuna). Tällaisissa paineissa raudan sulamispiste nousee huomattavasti, mikä mahdollistaa rauta-nikkeliseoksen kiinteän olomuodon vaikka lämpötilat ovat hyvin korkeat.

Löytöhistoria ja seismologinen todentaminen

Sisäisen ytimen löysi Inge Lehmann vuonna 1929 seismologian avulla. Lehmann tutki suurta Uuden-Seelannin maanjäristystä. Maanjäristys aiheuttaa värähtelyjä, jotka liikkuvat maan sisällä. Lehmannin tutkimat värähtelyt näyttivät liikkuvan jonkin planeetan keskellä olevan kiinteän aineen läpi. Hän kutsui tätä sisäiseksi ytimeksi. Hän kirjoitti siitä monta vuotta, mutta sen olemassaolo todistettiin vasta vuonna 1970.

Lehmannin oivallus perustui siihen, että tiettyjen pitkien p-aaltojen (P-aaltojen) etenemiskäyttäytyminen poikkesi odotetusta, jos Maan ydin olisi kokonaan nestemäinen. Myöhemmät seismiset havainnot, laajemmat mittausverkostot ja parantunut analytiikka vahvistivat sisemmän ytimen olemassaolon ja paljastivat sen yksityiskohtaisempia piirteitä, kuten seismisen anizotropian (aaltojen nopeus riippuu suunnasta).

Toiminnot ja merkitys

Sisempi ydin on tärkeä osa Maan sisäistä termodynaamista järjestelmää. Kun ulompi, nestemäinen ydin jäähtyy ja sisempi ydin kasvaa vähitellen, kiinteytyminen vapauttaa latenttista lämpöä ja erottaa kevyempiä alkuaineita, mikä edistää ulkoisen ytimen konvektiota. Tämä konvektio yhdessä pyörimisliikkeen kanssa ylläpitää Maan magneettikenttää dynaamomekanismin kautta. Sisemmän ytimen käyttäytymisellä on siis suuri vaikutus planeetan magneettikentän pitkäaikaiseen vakauteen ja muutoksiin.

Seismologiset havainnot kertovat myös, että sisempi ydin ei ole täysin homogeeninen: siinä on kerroksellisuutta, mahdollinen sisempi "ydinydin" ja seismistä anizotropiaa, jonka mukaan p-aallot kulkevat hieman nopeammin pohjois–etelä-suuntaan kuin ekvatoriaalisuuntaan. On myös ehdotuksia siitä, että sisempi ydin pyörisi hieman nopeammin kuin maan vaippa (ns. superrotatio), mutta tämän nopeuden suuruus ja pysyvyys ovat edelleen tutkinnan kohteena.

Ikä ja kasvu

Sisimmän ytimen iän arviot vaihtelevat, mutta useimmat nykyiset tutkimukset asettavat sen syntymäajaksi noin 0,5–1,5 miljardia vuotta sitten. Sisempi ydin kasvaa hyvin hitaasti — nykyarvioiden mukaan kasvu on tyypillisesti millimetrejä tai muutamia millimetrejä vuodessa, mikä pitkällä aikavälillä vaikuttaa ulkoisen ytimen dynaamiseen käyttäytymiseen ja Maan magneettikenttään.

Yhteenvetona: sisempi ydin on pienehkö mutta fysikaalisesti ja geomagneettisesti merkittävä osa Maata — kiinteä, pääosin rauta-nikkelinen keskus, äärimmäisissä lämpötila- ja paineoloissa, löydetty seismologian avulla ja aktiivisesti tutkittu nykyaikaisilla mittaus- ja mallinnusmenetelmillä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on sisäinen ydin?

K: Mikä on sisäisen ytimen lämpötila?

K: Mikä on sisäytimen säde?

K: Mistä sisäisen ytimen uskotaan koostuvan?

K: Kuka löysi sisäisen ytimen ja miten?

Kysymys: Milloin sisäisen ytimen olemassaolo lopulta todistettiin?

K: Mikä on paine Maan sisäisessä ytimessä?

Hae kirjaimella