De kern van de aarde: wat ligt er in het centrum en hoe weten we dat?

Toen de baanbrekende sciencefictionschrijver Jules Verne in 1864 Reis naar het middelpunt van de Aarde schreef, wist hij waarschijnlijk dat zijn plot pure fantasie was. Verne’s personages kwamen maar een paar kilometer beneden, maar het idee dat iemand ook maar zou kunnen overwegen om naar de kern van de aarde te reizen, was al voor de Victoriaanse tijd verworpen.

In feite is zelfs vandaag de dag het verste dat we in de aarde hebben geboord ongeveer 12 km, terwijl de afstand tot het centrum meer dan 500 keer verder is, namelijk 6.370 km.

Dus hoe weten we wat er onder de aarde ligt? Uitzoeken wat zich in het hart van onze planeet bevindt, is een prachtige wetenschappelijke puzzel geweest.

Hoe weten we dat de Aarde rond is?

Het idee dat de Aarde een betekenisvol centrum heeft, gaat hand in hand met de vorm van de planeet als een bol, en we weten al heel lang dat we niet op een schijf leven.

Het is een mythe dat de middeleeuwers dachten dat de Aarde plat was – dit kwam in feite voort uit een mix van Victoriaanse anti-religieuze propaganda, en een verkeerde interpretatie van de gestileerde kaarten uit die tijd.

Het was meer dan 2200 jaar geleden dat de Griekse polymaat Eratosthenes de eerste afstandsmeting deed rond de aardbol, en sindsdien is het duidelijk dat de aarde een middelpunt moet hebben.

Dit betekent echter niet dat vroege filosofen over de Aarde dachten zoals wij vandaag de dag doen.

De oude Griekse natuurkunde zei dat de wereld bestond uit een reeks concentrische bollen van vier fundamentele elementen: aarde, water, lucht en, ten slotte, vuur.

In dit oudste wetenschappelijke beeld moest het centrum van de planeet vast zijn, want lucht kon zich niet binnen de bol aarde bevinden.

Het is duidelijk dat de aardbol niet volledig omgeven was door water, anders zou er geen droog land zijn, dus dacht men dat er een stukje aarde uitstak – wat betekende dat er maar één continent kon zijn.

De ontdekking van de Amerika’s was dan ook een van de eerste experimentele wetenschappelijke resultaten, die het idee van één continent ontkrachtte, en een belangrijke stap betekende op weg naar het overstijgen van het Oudgriekse wetenschappelijke denken.

Het idee dat de Aarde volledig hol zou zijn, of met uitgestrekte spelonken die tot het centrum reiken, zoals in Verne’s boek, is al sinds de oudheid populair in fictie en mythologie, en komt ook voor in pseudowetenschap en samenzweringstheorieën.

Het is echter niet duidelijk dat enige wetenschapper, behalve de astronoom Edmond Halley, die in 1692 een holle Aarde voorstelde om enkele ongewone kompasmetingen te verklaren, dit idee ooit serieus heeft genomen.

En in 1798 sloeg een Engelse wetenschapper en excentriekeling de laatste spijker in de doodskist van de ‘holle Aarde’-hypothese. Henry Cavendish, met een experiment om de planeet nauwkeurig te wegen.

Hoeveel weegt de Aarde?

Cavendish was een zonderlinge man, die alleen via briefjes met zijn bedienden communiceerde om ze niet persoonlijk te hoeven ontmoeten.

Ondanks zijn aristocratische achtergrond wijdde Cavendish zijn leven aan de wetenschap. Hij werkte zowel in de scheikunde als in de natuurkunde, en het beroemdst is zijn experiment om de dichtheid van de Aarde te berekenen.

Met behulp van een eenvoudige torsiebalans, die de hoeveelheid torsiekracht meet die wordt veroorzaakt door de aantrekkingskracht van twee grote ballen op een kleiner paar, kon Cavendish de zwakke aantrekkingskracht van de zwaartekracht tussen de twee paren ballen berekenen.

Door dit te vergelijken met de eigen zwaartekracht van de Aarde, kon hij de dichtheid van de planeet berekenen (en, omdat de grootte van de Aarde al bekend was, ook haar massa).

Maar het dichtheidscijfer toonde aan dat onze planeet grotendeels vast moet zijn, tenzij er zich ergens in de diepte extreem dichte onbekende materialen bevinden.

Hoe weten we wat er zich in de kern van de Aarde bevindt?

Heden ten dage hebben we het binnenste van de Aarde in drie segmenten verdeeld: de korst, die de buitenste laag is, tussen 5 km en 75 km dik, de mantel, die zich uitstrekt tot een diepte van ongeveer 2.900 km, met de dikte van de kern – het deel waarin we hier geïnteresseerd zijn – die zich uitstrekt tot ongeveer 3.500 km uit het centrum van de Aarde, met twee verschillende segmenten.

In het hart van de kern bevindt zich een zeer hete, maar nog steeds solide nikkel-ijzer bol met een straal van ongeveer 1.200 km. Bij ongeveer 5.400°C is deze binnenkern qua temperatuur vergelijkbaar met het oppervlak van de zon. De rest is de vloeibare buitenkern van de Aarde, gemaakt van hoofdzakelijk nikkel-ijzer, met vergelijkbare temperaturen, heter naar het centrum toe.

Maar hoe kunnen we zulke details weten over een locatie die zo ontoegankelijk is?

Gezien het feit dat het bijna onmogelijk is om ooit binnen een straal van duizend kilometer van de kern te komen, is al onze kennis indirect en afhankelijk van seismologie – de wetenschap van aardbevingen.

Na een beving reizen seismische golven door de aarde, waarbij hun vorm en richting veranderen afhankelijk van de materialen waar ze doorheen gaan. Geofysici hebben deze informatie gebruikt om af te leiden wat zich in de kern van de aarde bevindt. Hun seismometers, apparaten om dergelijke golven te meten, zijn het equivalent van telescopen om het inwendige van de aarde te onderzoeken.

Lees meer over de aardkern:

• Wat gebeurt er als de aardkern afkoelt?
• Het magnetisch veld van de aarde keert vaker om – nu weten we waarom
• Zouden we een robotsonde naar de aardkern kunnen sturen?
• Heeft de maan een gesmolten kern?

In het begin van de 20e eeuw suggereerden de stijgende temperaturen naarmate we dieper in de aarde groeven, gecombineerd met de analyse van aardgolven door seismologen, dat het binnenste van onze planeet op zijn minst gedeeltelijk gesmolten was – heet genoeg om rots en metaal in vloeistof om te zetten.

En de belangrijkste ontdekkingen werden gedaan door twee wetenschappers die, beschamend, zelfs nooit voor een Nobelprijs werden genomineerd: De Britse geoloog Richard Oldham en de Deense seismologe Inge Lehmann.

Wat kunnen golven ons vertellen over de structuur van de aarde?

Denk je aan een golf, dan denk je waarschijnlijk aan een oppervlaktegolf, zoals je die op zee ziet. Maar veel golven – bijvoorbeeld geluid – bewegen zich door het lichaam van een materie.

Hoewel de seismische golven die bij een aardbeving schade veroorzaken, die zijn welke zich aan de oppervlakte bewegen, zijn er ook twee soorten ‘lichaamsgolven’ die zich door de aarde bewegen. P-golven (‘P’ staat voor ‘primary’) zijn longitudinale golven, net als geluid.

Zij vibreren in de richting van de beweging, waardoor de aarde bij het passeren ervan wordt samengeperst en uitzet.

P-golven verplaatsen zich snel – ongeveer 5 km per seconde in een gesteente als graniet, en tot 14 km per seconde in de dichtste delen van de mantel.

Het tweede type lichaamsgolf, S-golven (‘S’ staat voor ‘secundair’), zijn langzamere, transversale golven, die van links naar rechts bewegen. In tegenstelling tot P-golven kunnen zij niet door een vloeistof reizen, en daarom zijn deze twee soorten golven van essentieel belang gebleken om ons te helpen de kern van de aarde te begrijpen.

Stelt u zich een enorme aardbeving voor. Golven beginnen zich door de aarde te bewegen.

De P-golven schieten vooruit, terwijl de S-golven er met ongeveer de helft van de snelheid achteraan volgen. Beide soorten golven worden overal op aarde gedetecteerd door seismometers, die worden gebruikt om trillingen in de grond te meten.

Maar waar de golven door de kern gaan om een ver weg gelegen meetstation te bereiken, is er een zogenaamde schaduwzone. Als je vanaf het epicentrum van de beving ongeveer 104° rond de omtrek van de aarde reist, verdwijnen de golven. Maar vanaf 140° verschijnen de P-golven weer, zonder begeleidende S-golven.

Al in 1906 realiseerde Richard Oldham zich de implicaties van deze vreemde schaduw. Oldham werkte het grootste deel van zijn carrière voor de Geological Survey of India, vaak in de Himalaya.

Lees meer over aardbevingen:

• Kunnen dieren ons helpen aardbevingen te voorspellen?
• Hoe stop je een aardbeving?
• Hoe ziet een aardbeving van magnitude 10 eruit?
• Vlakke platen in verband met mega-aardbevingen

Toen hij in 1903 met pensioen ging in het Verenigd Koninkrijk, maakte hij gebruik van de gegevens die hij in de voorgaande jaren had verzameld om het inwendige van de Aarde te peilen. Hij realiseerde zich dat het waargenomen P-golf en S-golf gedrag verklaard kon worden als het centrum van de Aarde vloeibaar was.

In zo’n geval zouden P-golven door de vloeistof worden gebroken, buigen zoals licht doet wanneer het van water naar lucht beweegt, en een kenmerkende schaduw achterlaten. S-golven daarentegen zouden volledig door een vloeibare kern worden tegengehouden.

Oldhams doorbraak leidde tot een algemeen aanvaard beeld van een gesmolten kern, maar 30 jaar later realiseerde Inge Lehmann zich dat Oldhams idee te eenvoudig was.

De breking van de P-golven door de dichte vloeistof in het centrum van de Aarde zou een totale schaduw moeten hebben veroorzaakt.

In feite toonden metingen, verricht met de gevoeligere seismometers die in Lehmann’s tijd beschikbaar waren, aan dat zwakke P-golven nog steeds in de schaduwzone aankwamen.

Door gegevens te bestuderen die door de planeet gingen na een aardbeving in Nieuw-Zeeland in 1929, stelde Lehmann voor dat deze golven werden weerkaatst op de grens tussen een binnenste vaste kern en de buitenste vloeistof.

Hun resultaten, gepubliceerd in 1936, werden twee jaar later bevestigd door Beno Gutenberg en Charles Richter, die de effecten van een vaste kern nauwkeurig modelleerden.

Directe metingen van deze weerkaatste seismische golven kwamen uiteindelijk in 1970.

Waar is de kern van de Aarde van gemaakt?

Verder onderzoek pikte nog subtielere golven op die, door hun vertraagde aankomst, de vloeibare buitenkern als P-golven moesten hebben doorkruist, alvorens in de binnenkern te worden omgezet in transversale S-golven, en vervolgens weer terug naar P-golven op de weg naar buiten.

Deze ontdekking, die pas in 2005 werd bevestigd, was een verder bewijs van de vaste kern.

Zelfs is de precieze aard van de binnenkern onderwerp van aanzienlijke discussie. Temperaturen, bijvoorbeeld, kunnen alleen worden berekend uit experimentele studies van hoe materialen smelten en stollen onder druk.

In feite komt de veronderstelling dat de kern hoofdzakelijk uit ijzer en nikkel bestaat voort uit een combinatie van de frequentie waarmee verschillende elementen voorkomen in onze lokale regio van de Melkweg, en ons begrip van hoe onze planeet is gevormd.

Onder de immense druk in het centrum van de aarde – meer dan drie miljoen keer de atmosferische druk – kunnen materialen zich heel anders gedragen dan onder normale omstandigheden.

Hoewel de meest voor de hand liggende kanshebber voor de binnenkern een vaste nikkel-ijzerlegering is, is het mogelijk dat een extreem dicht plasma – de toestand van materie die in een ster wordt aangetroffen – vergelijkbare eigenschappen heeft. Een van de moeilijkheden hierbij is te weten hoe materialen zich in dergelijke extreme omgevingen gedragen.

Ter plaatse van de diamanten aambeeldcel.

In dit opmerkelijke apparaat worden de punten van twee diamanten, met een doorsnede van slechts een fractie van een millimeter, samengeperst.

Een kracht uitoefenen op een klein oppervlak levert meer druk op dan op een groot oppervlak – daarom is het veel pijnlijker op een naaldhak te worden getrapt dan op een platte zool.

Het diamanten aambeeld creëert een druk tot tweemaal die van de aardkern, en verwarming wordt toegepast met lasers.

Wanneer metalen monsters worden geplet en verhit tot kernachtige condities, suggereren de resultaten een kristallijne vaste stof in het centrum van de Aarde.

Realistisch gezien, zullen we nooit in de buurt van de kern van de Aarde komen.

De niveaus van hitte, druk en radioactiviteit (een van de belangrijkste bronnen van interne verhitting) zijn zo hoog dat zelfs als we door meer dan 6.000 km rots en metaal zouden kunnen boren, een sonde niet zou kunnen overleven.

Vergeleken met het bereiken van de kern, is reizen naar de buitenste delen van het zonnestelsel triviaal.

Maar de eigen trillingen van onze planeet, geproduceerd door aardbevingen en geïnterpreteerd door wetenschappers zo ingenieus als Inge Lehmann, geven ons de middelen om met onze geest te verkennen waar we nooit persoonlijk zullen komen.

• Dit artikel verscheen voor het eerst in nummer 304 van BBC Focus