En studie utförd av forskare vid Oxfords universitet, Leeds universitet och University College London har identifierat en ny begränsning för kemin i jordens kärna genom att visa hur den kunde kristallisera för miljontals år sedan. Studien är publicerad i Nature Communications.
Forskarna visade att kärnan skulle behöva bestå av 3,8 % kol för att den skulle ha börjat kristallisera. Detta resultat indikerar att kol kan vara mer förekommande i jordens kärna än man tidigare trott, och att detta element kan ha spelat en viktig roll i hur den frös, vilket ger en sällsynt inblick i de processer som sker i hjärtat av vår planet.
Jordens inre kärna, den fasta järnrika massan i mitten av vår planet, växer långsamt när den omgivande smälta yttre kärnan kyls och fryser. Men denna process har varit en källa till debatt bland forskare i årtionden.
Bildandet av den inre kärnan handlar inte bara om att bestämma när kärnan kyldes till sin fryspunkt, utan involverar istället kristalliseringsprocessen, som beror på dess exakta kemiska sammansättning. Precis som vattendroppar i moln, som kan kylas till -30 °C innan de bildar hagel, måste smält järn överkylas (kylas till under sin smältpunkt) innan det kan frysa.
Tidigare beräkningar har visat att en överkylning på 800–1 000 °C skulle krävas för att initiera frysningen av kärnan om den bestod av rent järn.
Om kärnan överkyldes i denna utsträckning skulle dock den inre kärnan växa kraftigt och jordens magnetfält skulle sluta fungera, vilket forskare har visat. Men inget av dessa scenarier har inträffat under vår planets historia. Istället tror forskarna att kärnan i det förflutna inte kan ha kylts ned till mer än cirka 250 °C under dess smältpunkt.
Tvärsnitt av jorden som visar manteln, den yttre kärnan och den inre kärnan. Konvektion i den yttre kärnan producerar jordens geomagnetiska fält. Egenskaperna hos jordens järnrika kärna är nyckeln till att förstå vår planets inre, från dess temperatur till hur den genererar det globala magnetfältet. Kärnans exakta kemiska sammansättning är fortfarande okänd, men ny forskning tyder på att den process som utlöste frysningen av den fasta inre kärnan från den omgivande flytande yttre kärnan kan avslöja dess sammansättning och kasta ljus över dess mystiska egenskaper. Källa: Dr Alfred Wilson
Denna nya forskning syftade till att förstå hur den inre kärnan existerar som den observeras idag med så begränsad underkylning i det förflutna. Utan direkt tillgång till jordens inre behövde forskarteamet förlita sig på datorsimuleringar av frysningsprocessen.
De tittade på förekomsten av andra element, särskilt kisel, svavel, syre och kol, och hur dessa kan påverka frysningsprocessen.
”Var och en av dessa element finns i den överliggande manteln och kan därför ha lösts upp i kärnan under jordens historia”, förklarade medförfattaren Andrew Walker (docent vid institutionen för geovetenskap, Oxfords universitet).
”Detta skulle kunna förklara varför vi har en fast inre kärna med relativt liten underkylning på detta djup. Förekomsten av ett eller flera av dessa grundämnen kan också förklara varför kärnan är mindre tät än rent järn, en viktig observation från seismologin.”
Med hjälp av datorsimuleringar i atomskala av cirka 100 000 atomer vid superkylda temperaturer och tryck motsvarande dem i den inre kärnan, spårade forskarteamet hur ofta små kristalliknande kluster av atomer bildades från en vätska. Dessa ”nukleationshändelser” är de första stegen mot frysning.
Det de fann var överraskande: kisel och svavel, element som ofta antas finnas i kärnan, bromsar faktiskt frysningsprocessen. Med andra ord skulle det krävas mer superkylning för att börja bilda den inre kärnan om dessa element var rikligt förekommande i den delen av jorden.
Å andra sidan fann de att kol bidrog till att påskynda frysningen i simuleringen.
Teckning av järn- och kolatomer som nukleerar för att bilda fasta ämnen som kan initiera tillväxten av jordens fasta inre kärna. Författarna använde simuleringar på atomnivå för att identifiera fasta ämnen som bildas i superkylda vätskor. De fann att kolatomer kan påskynda denna process, kanske tillräckligt för att utlösa frysningen av jordens fasta inre kärna. Källa: Dr. Alfred Wilson
I studien testade forskarna hur mycket superkylning som skulle krävas för att frysa den inre kärnan om 2,4 % av kärnans massa bestod av kol. Resultatet: cirka 420 °C, fortfarande för högt, men det resultat som hittills ligger närmast genomförbarhet.
Men när de extrapolerade sina resultat till ett fall där 3,8 % av kärnans massa består av kol, sjönk den erforderliga superkylningen till 266 °C. Detta är den enda kända sammansättningen som kan förklara både kärnbildningen och den observerade storleken på den inre kärnan.
Detta resultat indikerar att kol kan vara mer förekommande i jordens kärna än man tidigare trott, och att utan detta element skulle bildandet av en fast inre kärna kanske aldrig ha skett.
Experimenten visar också att frysning av den inre kärnan var möjlig med precis rätt kemiska sammansättning, och till skillnad från vatten när det bildar hagel, skedde detta utan ”kärnbildningsfrön”, små partiklar som hjälper till att initiera frysningen. Detta är avgörande, eftersom alla kandidater för kärnbildningsfrön i kärnan har smält eller lösts upp när de testats i tidigare simuleringar.
Huvudförfattaren Dr Alfred Wilson (School of Earth and Environment, University of Leeds) sa: ”Det är spännande att se hur processer på atomnivå styr vår planets grundläggande struktur och dynamik. Genom att studera hur jordens inre kärna bildades lär vi oss inte bara om vår planets förflutna. Vi får en sällsynt inblick i kemin i en region som vi aldrig kan hoppas nå direkt och lär oss om hur den kan förändras i framtiden.”
Forskare har i årtionden debatterat när den inre kärnan började stelna, där vissa hävdar att den är mycket gammal (med en frysning som började för mer än två miljarder år sedan) och andra föreslår en mycket yngre ålder (mindre än en halv miljard år). Med denna nya information om kärnans kolhalt är vi ett steg närmare att begränsa dess kemi och fysikaliska egenskaper, och därmed hur den utvecklats.
Mer information: Begränsning av jordens kärnsammansättning från kärnbildning i den inre kärnan, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62841-4
