Vertragende afkoeling in aardmantel

Wat er diep in de aarde gebeurt, is nauwelijks zichtbaar voor de mens. Toch is het een sturende factor voor wat er aan het aardoppervlak plaatsvindt. Denk daarbij aan de oorsprong van aardbevingen en vulkanen. Binnen één van de diepe aardlagen, de aardmantel, is een enorme variatie te vinden. Die variatie zorgt voor een vertragend effect op de afkoeling van de aardmantel en dus de aarde. Op deze variaties promoveerde hij eind november aan de Universiteit van Utrecht.

De diepe aarde
De aarde heeft een diameter van ongeveer 12750 km en bestaat uit drie lagen: de aardkorst, de aardmantel en de aardkern. In verhouding tot een appel zijn de diktes te vergelijken met de appelschil (de aardkorst), het vruchtvlees (de aardmantel) en het klokhuis (de aardkern). De mantel en de kern zijn nog weer verder opgedeeld in een binnen- en buitenkern en een onder- en bovenmantel. De mantel beslaat het grootste deel van de aarde en het gesteente daarin kan langzaam stromen met een snelheid van enkele centimeters per jaar.


_{De opbouw van de aarde. De aardkorst waarop we leven stelt in verhouding niets voor. De binnenkern van de aarde is gestold en heeft de grootste dichtheid.}

De hypothese die Van Summeren in zijn promotieonderzoek heeft getest is dat de bewegingen in de diepe aarde niet alleen aangedreven worden door temperatuursveranderingen, maar mede bepaald worden door grootschalige veranderingen in de samenstelling van het mantelgesteente. Om dit te onderzoeken heeft hij de bewegingen in de mantel nagebootst met behulp van computerberekeningen. De uitkomsten zijn daarna vergeleken met observaties afkomstig uit andere vakgebieden zoals de geochemie, seismologie en zwaartekrachtmetingen.

Variaties in de aardmantel
Van Summeren vertelt: ‘De variaties in de aardmantel slaan op variaties in de chemische samenstelling (of compositie) van het gesteente. Dus bijvoorbeeld het verschil tussen zwaar, ijzerhoudend gesteente en lichter materiaal (bijvoorbeeld het mineraal perovskiet). Mijn onderzoek bevestigt dat deze variaties aannemelijk zijn in de diepe ondermantel (2000-2900 km) zoals al eerder werd gesuggereerd, maar ook in de ondiepe ondermantel (660-1200 km). Verschillende processen zoals bijvoorbeeld het zinken van oceanische aardkorst naar de diepe mantel hebben er mogelijk voor gezorgd dat in de diepe mantel grootschalige (duizenden km) variaties zijn ontstaan. Een andere mogelijkheid is dat bij het stollen van de vroege, vloeibare aarde er verschillende reservoirs zijn ontstaan met een andere samenstelling.’


_{Het temperatuurveld van een convectiemodel van de mantel (0-2900 km diepte). Blauw = koud, Rood = warm. Te zien zijn het naar beneden duiken van koude stromingen (vergelijkbaar met wegduikende aardkorst) en omhoogkomende, hete stromingen uit de diepe mantel. De dunne zwarte lijnen zijn de paden waarlangs materiaal stroomt. De dikke zwarte lijn stelt de overgang tussen boven- en ondermantel voor.}

De verschillen in massadichtheid die zo ontstaan beïnvloeden de stroming in de mantel. Een al lang bestaande vraag in de aardwetenschappen is in hoeverre stroming tussen de boven- en ondermantel van elkaar gescheiden zijn. Van Summeren concludeert uit zijn onderzoek dat de gelaagdheid van stroming tussen boven- en ondermantel beperkt is. Sterke gelaagdheid zou leiden tot grote verschillen in smelttemperaturen van verschillende magma’s, veel groter dan de waargenomen verschillen aan het aardoppervlak.


_{Van grijs/blauw naar rood verandert de samenstelling van het gesteente en daarmee neemt de dichtheid toe. In de diepe ondermantel (net boven de kern-mantel-grens) is te zien dat een reservoir met afwijkende samenstelling (geel-oranje-rode kleuren) 4.57 miljard jaar lang de convectiestroming kan overleven.}

Gevolgen voor de aarde
De variaties in temperatuur en samenstelling zorgen ervoor dat de aarde geen perfecte bol is maar een bol met depressies en hoogtes. De verschillen kunnen wel oplopen tot bijna 200 meter. Deze zijn waar te nemen door middel van zwaartekrachtmetingen die al eerder werden uitgevoerd.


_{De depressies en hoogten in de aarde door variaties in dichtheid van de aardmantel. Deze heuvels en dalen hebben overigens weinig te maken met bergen en oceanen.}

Daarnaast hebben samenstellingsvariaties in de aardmantel een belangrijk effect op de snelheid van afkoelen. Sinds haar ontstaan 4,57 miljard jaar geleden verliest de aarde haar warmte aan de atmosfeer. Het compleet afkoelen van de mantel en kern heeft een dramatisch effect op de gehele plaattektoniek. Die zal uiteindelijk tot stilstand komen. Ook zullen belangrijke kringlopen zoals de kool- en stikstofkringloop, kringlopen die belangrijk zijn voor het leven op aarde, grote gevolgen ondervinden.

Van Summeren stelt dat de afkoeling niet snel zal verlopen: ‘De afkoeling van de aarde gaat erg traag: een graad per 10 miljoen jaar voor de aardmantel is geen onredelijke schatting. De variaties in de diepe mantel hebben verder een vertragend effect op de afkoeling van de aardkern: ze liggen als het ware als een warme deken om de kern van de aarde en vertragen daarmee de afkoeling’. Voorlopig is het nog warm genoeg op aarde en hoeven we niet te vrezen voor een eeuwigdurende ijstijd. Bovendien, voor de mens zijn de effecten van de zon en het broeikaseffect veel belangrijker.

_{©Kennislink}