Op het afgelegen Kola-schiereiland in het noordwesten van Rusland, temidden van de roestende ruïnes van een verlaten wetenschappelijk onderzoeksstation, bevindt zich het diepste gat ter wereld. Nu afgedekt en verzegeld met een gelaste metalen plaat, is het Kola Superdiepe Boorgat, zoals het wordt genoemd, een overblijfsel van een grotendeels vergeten race uit de Koude Oorlog die niet naar de sterren, maar naar het binnenste van de Aarde was gericht.
Een team Sovjet-wetenschappers begon in het voorjaar van 1970 op Kola te boren, met als doel zo ver mogelijk in de aardkorst door te dringen als hun technologie mogelijk zou maken. Vier jaar voordat de Russen zich een weg baanden in de aardkorst van Kola, hadden de Verenigde Staten hun eigen programma voor diepe boringen opgegeven: Project Mohole, een poging om enkele kilometers door de bodem van de Stille Oceaan te boren en een monster van de onderliggende aardmantel te nemen. Mohole haalde zijn doel bij lange na niet en bereikte een diepte van slechts 601 voet na vijf jaar boren onder meer dan 11.000 voet water.
De Sovjets waren volhardender. Hun werk op Kola ging 24 jaar door – het project overleefde de Sovjet-Unie zelf. Voordat het boren in 1994 werd beëindigd, stuitte het team op een laag van 2,7 miljard jaar oud gesteente, bijna een miljard jaar ouder dan de Vishnu schist aan de basis van de Grand Canyon. De temperaturen op de bodem van het Kola-gat bedroegen meer dan 300 graden Fahrenheit; het gesteente was zo plastisch dat het gat zich begon af te sluiten telkens als de boor werd teruggetrokken.
Terwijl de onderzoekers bij Kola geduldig naar beneden boorden, stuurden hun tegenhangers in de ruimtewedloop tientallen vaartuigen de hemel in: tot aan de maan, Mars en verder. In het begin van de jaren negentig, toen de Kola-activiteiten begonnen te stagneren, was het Voyager-ruimteschip al voorbij de baan van Pluto gekomen. En de diepte van het Kola-gat na 24 jaar boren? Ongeveer 7,6 mijl – dieper dan een omgekeerde Mount Everest en ongeveer halverwege de mantel, maar nog steeds een minuscule afstand, gezien de diameter van de aarde van 7.918 mijl. Als de aarde zo groot was als een appel, zou het Kola-gat niet eens door de schil heen breken.
Alle mijnen op aarde, alle tunnels, grotten en afgronden, alle zeeën, en al het leven bestaat binnen of bovenop de dunne schil van de rotsige korst van onze planeet, die in verhouding veel dunner is dan een eierschaal. Het immense, diepe binnenste van de aarde – de mantel en de kern – is nooit rechtstreeks onderzocht, en dat zal waarschijnlijk ook nooit gebeuren. Alles wat we weten over de aardmantel, die ongeveer 15 mijl onder het aardoppervlak begint, en over de kern van de aarde, 1800 mijl onder ons, is op afstand verzameld.
Terwijl ons begrip van de rest van het heelal bijna dagelijks toeneemt, vordert de kennis van het inwendige van onze eigen wereld veel langzamer. “De ruimte in gaan is gewoon veel gemakkelijker dan over eenzelfde afstand naar beneden gaan,” zegt David Stevenson, een geofysicus aan het California Institute of Technology. “Van 5 kilometer naar 10 is veel moeilijker dan van 0 naar 5.
Wat wetenschappers wel weten is dat het leven aan het aardoppervlak diepgaand wordt beïnvloed door wat er op ontoegankelijke diepten gebeurt. De hitte van de binnenkern van de aarde, die zo heet is als het oppervlak van de zon, doet een buitenkern van gesmolten ijzer en nikkel kolken, waardoor een magnetisch veld ontstaat dat dodelijke kosmische en zonnestraling van de planeet weert. Om een idee te krijgen van hoe de aarde er zonder haar beschermende magnetische schild uit zou kunnen zien, hoeven we alleen maar te kijken naar de levenloze oppervlakken van werelden met een zwak magnetisch veld, zoals Mars en Venus.
De planetaire architectuur die voor het beschermende veld van de aarde zorgt, wordt al tientallen jaren in grote lijnen begrepen: een vaste ijzeren binnenkern ter grootte van de maan, omgeven door een 400 mijl dikke buitenkern van vloeibaar ijzer en nikkel, met daarboven 800 mijl vaste mantel, bekroond door een korst van langzaam ronddrijvende tektonische platen. Maar als het om het centrum van de planeet gaat, is deze blauwdruk nog zeer onvolledig.
Voor een glimp van hoe de Aarde eruit zou kunnen zien zonder haar beschermende magnetische schild, hoeven we alleen maar te kijken naar het levenloze oppervlak van een wereld als Venus.
“Op dit moment is er een probleem met ons begrip van de kern van de aarde,” zegt Stevenson, “en dat is iets dat pas het laatste jaar of twee jaar naar voren is gekomen. Het is een ernstig probleem. We begrijpen niet hoe het magnetisch veld van de aarde miljarden jaren heeft kunnen bestaan. We weten dat de aarde gedurende het grootste deel van haar geschiedenis een magnetisch veld heeft gehad. We weten niet hoe de aarde dat heeft gedaan.
Een bescheiden voorstel
Op een warme zomerochtend ontmoette ik Stevenson in zijn Caltech-kantoor in Pasadena. Hij was gekleed op het weer, droeg een korte broek, sandalen en een overhemd met korte mouwen. We spraken een tijdje over hoe de oppervlakken van Mars en andere planeten, ondanks het feit dat ze tientallen of honderden miljoenen kilometers ver weg zijn, veel toegankelijker zijn dan de kern van de aarde.
“Natuurlijk is het universum boven de aarde grotendeels transparant! Je hebt dus de prachtige mogelijkheid om fotonen te gebruiken om je iets te vertellen over de rest van het heelal,” zegt hij. “Maar dat kun je niet binnenin de aarde doen. Dus de methoden die we hebben om in het binnenste van de aarde te kijken, zijn eigenlijk heel beperkt.”
Elf jaar geleden publiceerde Stevenson een artikel in het tijdschrift Nature waarin hij een wild plan schetste om enkele van die beperkingen te omzeilen. Zijn artikel, “Mission to Earth’s core – a modest proposal,” beschreef een manier om een kleine sonde rechtstreeks naar het middelpunt van de aarde te sturen. De titel van het artikel was een knipoog naar Jonathan Swifts satirische essay uit 1729, “A Modest Proposal”, waarin de draak werd gestoken met het harde Britse beleid in Ierland door voor te stellen dat de Ieren hun armoede moesten verlichten door hun kinderen als vlees aan de Engelse adel te verkopen. Net als Swift pleitte Stevenson niet voor de feitelijke haalbaarheid van zijn idee; het stuk was een gedachte-experiment, een oefening om te laten zien hoeveel moeite het zou kosten om diep in de planeet te peilen.
De eerste stap in Stevensons reis naar het middelpunt van de aarde: Een thermonucleair wapen laten ontploffen om een scheur van enkele honderden meters diep in het aardoppervlak te maken. Vervolgens 110.000 ton gesmolten ijzer in de scheur gieten. (Stevenson vertelde me dat hij nu denkt dat 110.000 ton een onderschatting is. Aan de andere kant is een nucleaire explosie misschien niet nodig – een miljoen ton conventionele explosieven zou kunnen volstaan). Gesmolten ijzer, dat ongeveer twee keer zo dicht is als de omringende mantel, zou de scheur naar beneden voortplanten, helemaal tot in de kern. De scheur achter de neerdalende klodder ijzer zou zichzelf snel dichten onder druk van het omringende gesteente, zodat er geen risico zou zijn dat de scheur zich op catastrofale wijze zou uitbreiden en de planeet wijd open zou splijten. Samen met het zinkende ijzer zou een hittebestendige sonde ter grootte van een voetbal worden meegevoerd. Stevenson schatte dat het gesmolten ijzer en de sonde zich met een snelheid van ongeveer 10 km/h zouden verplaatsen en de kern in een week zouden bereiken.
De sonde zou gegevens registreren over de temperatuur, de druk en de samenstelling van het gesteente waar hij doorheen gaat. Omdat radiogolven niet in vast gesteente kunnen doordringen, zou de sonde trillen, waardoor de gegevens in een reeks kleine seismische golven worden overgebracht. Een uiterst gevoelige seismometer op het aardoppervlak zou de signalen ontvangen.
Het ligt binnen het bereik van de huidige technologie om een sonde te bouwen die onderdompeling in gesmolten ijzer kan overleven en om de gegevens te verzamelen, maar hoe zit het met de rest van het plan? Zou een versie van Stevensons idee kunnen werken?
“Het specifieke plan dat ik heb voorgesteld is waarschijnlijk onpraktisch,” vertelt hij, vooral vanwege de enorme hoeveelheden gesmolten ijzer die nodig zouden zijn. “Maar het was fysiek niet belachelijk. Technisch was het misschien belachelijk, maar in termen van natuurkundige principes overtrad ik geen enkele natuurkundige wet. Ik liet zien dat je in een wereld zonder zorgen over hoeveel geld je zou uitgeven, zou kunnen overwegen om te doen wat ik beschreef.”
Het voorstellen van een realistische missie was niet het punt van het artikel, zegt Stevenson. Hij wilde de nadruk leggen op de grenzen van wat bekend kan worden door theorieën over het inwendige van de aarde te construeren vanuit onze positie aan het oppervlak van de planeet. “Ik wilde de mensen eraan herinneren dat de geschiedenis van het onderzoek naar planeten ons heeft verteld hoe belangrijk het is om daarheen te gaan. Keer op keer hebben we bij aankomst op een planeet dingen geleerd die we niet hadden vermoed door van veraf naar die planeet te kijken. Ik geloof heel sterk in dit aspect van de wetenschap.
“Het gevaar bestaat dat we ons begrip van een aspect van het heelal gaan compartimenteren door tegen onszelf te zeggen: ‘OK, we weten dat we er niet heen kunnen, dus gaan we dit uitgebreide verhaal opbouwen van wat er daar is, gebaseerd op waarnemingen op afstand.’ En dit is wat we doen voor de Aarde,” gaat Stevenson verder. “We weten niet eens of het materiaal dat direct aan de kern grenst geheel vast is of gedeeltelijk vast. We weten niet wat de aard is van de grens tussen de kern en de mantel. Er zijn een heleboel vragen die alleen nauwkeurig kunnen worden beantwoord door daarheen te gaan.”
Op zoek naar het centrum
Bij gebrek aan directe toegang tot alles wat zich verder dan een paar kilometer onder het aardoppervlak bevindt, zijn Stevenson en andere geofysici gedwongen om te vertrouwen op indirecte methoden, althans vooralsnog. Gefundeerd giswerk – en niet-zo-gefundeerd giswerk – heeft een lange geschiedenis in de geologie. Terwijl Kepler, Galileo en anderen in de 17e eeuw de grondslagen legden voor de moderne astronomie, bleef de studie van de aarde zelf een middeleeuwse wetenschap, verstrikt in mythes en fantastische fantasieën.
Een kaart die in 1664 werd gepubliceerd door de jezuïetengeleerde Athanasius Kircher toont een spelonkachtige aarde vol kamers – sommige gevuld met lucht, sommige met water, sommige met vuur. De hel bevond zich in het brandende centrum van de aarde; het vagevuur lag iets verder weg. Vlammende leidingen verwarmden hete bronnen, voedden vulkanen en kwelden de verdoemden. Wat zijn gebreken als theoreticus ook waren, Kircher was geen leunstoel geleerde. Hij liet zich eens door een assistent in de actieve en rokende krater van de Vesuvius zakken om de temperatuur te meten.
Zelfs de beste astronomen van die tijd struikelden toen zij hun aandacht op de aarde richtten. In een in 1692 gepubliceerd artikel betoogde Edmond Halley, later beroemd geworden door het in kaart brengen van de baan van zijn gelijknamige komeet, dat de aarde grotendeels hol was, bestaande uit drie concentrische schillen die rond een kern draaiden. Hij schatte dat de buitenste schil – de schil waarop wij leven – 500 mijl dik was (Halley baseerde zijn berekeningen op een foutief resultaat van Isaac Newton betreffende de relatieve massa’s van de maan en de aarde, waardoor Halley de massa van de aarde schromelijk onderschatte). Atmosferen van gloeiend gas scheidden de schillen, die elk hun eigen magnetische polen hadden. Halley dacht dat de binnenste schillen zelfs bewoond konden zijn en verlicht werden door onderaardse zonnen.
Een gedetailleerd beeld van de structuur van de Aarde ontstond pas na de uitvinding van de tijdregistrerende seismograaf in 1875. De eerste seismograaf van Noord-Amerika werd aan het eind van de 19e eeuw geïnstalleerd in het Lick Observatory bij San Jose, Californië; hij registreerde de aardbeving van San Francisco in 1906. Aan het begin van de 20e eeuw stelde een wereldwijd netwerk van instrumenten onderzoekers in staat seismische golven te registreren die van de ene kant van de planeet naar de andere waren gereisd.
Een aardbeving krachtig genoeg om gevoeld te worden, komt ongeveer eens in de 30 minuten ergens ter wereld voor. Bij elke aardbeving komt een verscheidenheid aan seismische golven vrij. Naast de golven die het aardoppervlak vervormen en zoveel verwoesting aanrichten, brengen aardbevingen nog twee andere soorten seismische energie voort die door het lichaam van de hele planeet kaatsen. Primaire golven, of P-golven, drukken de lagen gesteente of vloeistof samen waar ze doorheen gaan. Zij bewegen zich met een snelheid van meer dan 16.000 voet per seconde door graniet. Secundaire golven, of S-golven, trekken gesteenten uit elkaar als ze door de planeet golven, waardoor wat wetenschappers afschuifkrachten noemen ontstaan. Zij reizen met ongeveer de helft van de snelheid van P-golven en zijn het tweede type golf dat seismografen bereiken, vandaar hun naam.
Secundaire golven bewegen alleen door vaste stoffen; afschuifkrachten bestaan niet in vloeistoffen (omdat vloeistoffen niet uit elkaar kunnen worden gescheurd). De snelheid en het traject van beide soorten golven variëren naar gelang van de dichtheid en de elasticiteit van de materialen waarmee zij in aanraking komen. Wanneer de golven een grens bereiken tussen regio’s die verschillen in dichtheid of andere eigenschappen, worden zij afgebogen van hun traject. Door dit soort gegevens van seismische golven te analyseren, kunnen wetenschappers de gesteenten en metalen identificeren waaruit de aardmantel en -kern bestaan.
Tot ver in de 20e eeuw geloofden de meeste wetenschappers dat de aarde een vloeibare ijzeren kern had. Het bewijs leek duidelijk: seismische kaarten van het inwendige van de Aarde toonden een afwezigheid van S-golven in het centrum van de Aarde, vermoedelijk omdat de golven een vloeibare zone raakten waar ze niet doorheen konden reizen. Seismische studies onthulden ook dat alle aardbevingen een P-golf “schaduwzone” op het aardoppervlak veroorzaakten waar de primaire golven niet aankwamen op sommige seismische stations; de plaats van de P-golf schaduwzone varieerde met het punt van oorsprong van de aardbeving. Om de schaduwzone te verklaren, redeneerden wetenschappers dat de veronderstelde vloeibare kern van de aarde de P-golven van hun verwachte baan afbuigde, zodat ze niet in alle seismografische stations zouden worden geregistreerd. De eerste aanwijzing dat de aarde daadwerkelijk een vaste ijzeren kern onder een vloeibare laag had, kwam in 1929, nadat een aardbeving met een kracht van 7,8 magnitude Nieuw-Zeeland door elkaar had geschud. Zulke grote aardschokken leveren een schat aan gegevens op, en onderzoekers over de hele wereld bestudeerden de opnames van de seismografen in de nasleep van de beving. Maar slechts één wetenschapper merkte iets ongewoons op. Inge Lehmann, een Deense seismologe, maakte nauwgezette aantekeningen over de seismische activiteit, waaronder de aankomsttijd van P-golven, op verschillende seismografische stations. (Lehmann hield haar aantekeningen bij op kaarten die ze bewaarde in lege havermoutdozen.) Ze vond P-golven in wat schaduwzones van P-golven hadden moeten zijn. Als de kern van de aarde volledig vloeibaar was, zouden P-golven moeten zijn afgebogen van de schaduwzones. In een artikel dat zij in 1936 publiceerde, stelde zij dat de afwijkende P-golven moeten zijn afgebogen door een dichtere structuur in de vloeibare kern, waardoor zij in de schaduwzones terecht zijn gekomen. Lehmann concludeerde dat de aarde een vaste binnenkern moest hebben. Pas in 1970 werden de instrumenten gevoelig genoeg om onomstotelijk aan te tonen dat zij gelijk had. Lehmann, die haar laatste wetenschappelijke artikel publiceerde toen ze 98 jaar oud was, overleed in 1993 op 104-jarige leeftijd.
De brandende, kolkende motor van de aarde
Met de ontdekking van de aard van de binnenkern, waren de basiscomponenten van de samenstelling van de aarde – en zelfs de evolutie van de planeet vanuit haar gesmolten oorsprong – op hun plaats. Althans, zo leek het tot voor kort. Nieuw onderzoek heeft een fout in ons begrip van de kern aan het licht gebracht – meer bepaald over de manier waarop warmte-energie uit de kern en door de bovenliggende mantel stroomt. Het probleem doet belangrijke vragen rijzen over de leeftijd van de binnenkern, en over hoe de aarde haar magnetisch veld genereert, een fenomeen dat van cruciaal belang is voor het bestaan van leven.
Op basis van radioactieve dateringen van oude gesteenten schatten wetenschappers dat de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar geleden is gevormd. Toen de gesmolten proto-aarde afkoelde, verhardde de buitenste laag tot een dunne korst. Ook de aardmantel werd in de loop van de tijd hard, hoewel zelfs nu de temperatuur in de onderste mantel ongeveer 4.000 F bedraagt.
De binnenkern, die ooit geheel vloeibaar was, wordt langzaam van binnenuit hard, waarbij de diameter volgens sommige schattingen met ongeveer een halve millimeter per jaar toeneemt. Het smeltpunt van ijzer is hoger bij hogere druk, en toen de planeet afkoelde, verhinderden de extreme drukken in het centrum van de Aarde uiteindelijk dat het ijzer daar vloeibaar bleef. Ondanks de zonachtige temperaturen begon de binnenkern te stollen, en die is sindsdien blijven groeien. Onder iets minder druk is de buitenkern – een 1.400 mijl diepe oceaan van ijzer en nikkel met een temperatuur van 8.000 graden – nog steeds heet genoeg om vloeibaar te zijn. “Het zou door je handen stromen als water,” zegt Bruce Buffett, een geofysicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley.
Alle lagen van de aarde, van kern tot korst, zijn in constante beweging, veroorzaakt door de warmtestroom. Warmte verplaatst zich door het binnenste van de aarde op twee fundamenteel verschillende manieren: convectie en geleiding. Convectie ontstaat wanneer warmte van onderaf beweging veroorzaakt in de lagen erboven – verhit materiaal stijgt op, daalt dan weer als het afkoelt, om vervolgens weer te worden verhit. Convectie is wat een pot kokende soep doet koken. Diep in het binnenste van de aarde veroorzaken convectie van rotsachtige mineralen in de mantel en warmteverlies uit de afkoelende vaste binnenkern convectie in de vloeibare buitenkern.
Warmte baant zich ook een weg door de aarde via geleiding – de overdracht van thermische energie door moleculen binnen een materiaal van hetere gebieden naar koudere – zonder enige beweging te veroorzaken. Om het voorbeeld van de soep aan te houden: warmte wordt geleid via de bodem van de metalen pan. Het metaal in de pot beweegt niet; het geeft alleen warmte door aan de inhoud van de pot. Hetzelfde geldt voor het inwendige van de aarde: naast convectiestromen die verhit materiaal door de buitenste kern en mantel verplaatsen, wordt warmte ook door vloeistoffen en vaste stoffen geleid zonder dat deze gaan roeren.
Onderzoekers weten al tientallen jaren dat het langzame, convectieve klotsen van vloeibaar ijzer in de buitenste kern, geholpen door de rotatie van de aarde, het magnetische veld van de planeet genereert. Terwijl het gesmolten ijzer stroomt, creëert het elektrische stromen, die plaatselijke magnetische velden opwekken. Deze velden leiden op hun beurt weer tot meer elektrische stromen, een effect dat resulteert in een zichzelf in stand houdende cyclus die een geodynamo wordt genoemd. Bewijsmateriaal uit oude gesteenten toont aan dat de geodynamo van de aarde al minstens 3,5 miljard jaar draait. (Wanneer gesteenten worden gevormd, vormen hun magnetische mineralen een lijn met het aardse veld, en die oriëntatie blijft behouden wanneer de gesteenten stollen, waardoor geofysici een in steen geschreven verslag hebben van het magnetische verleden van de planeet.)
Maar hier ligt het fundamentele probleem met ons begrip van de geodynamo: Hij kan niet werken zoals geofysici lang hebben geloofd. Twee jaar geleden ontdekte een team van wetenschappers van twee Britse universiteiten dat vloeibaar ijzer, bij de temperaturen en drukken die in de buitenkern worden aangetroffen, veel meer warmte naar de mantel geleidt dan iemand voor mogelijk had gehouden. “Eerdere schattingen waren veel te laag,” zegt Dario Alfè, een geofysicus aan het University College London, die meewerkte aan het nieuwe onderzoek. “De geleidbaarheid is twee of drie keer zo hoog als men tot nu toe dacht: Als vloeibaar ijzer zo snel warmte naar de mantel geleidt, zou er niet genoeg warmte in de buitenkern overblijven om de oceaan van vloeibaar ijzer om te woelen. Met andere woorden, er zou geen warmte-gedreven convectie in de buitenkern zijn. Als een pot soep op deze manier warmte naar de omringende lucht zou geleiden, zou de convectie nooit op gang komen en zou de soep nooit koken. “Dit is een groot probleem,” zegt Alfè, “want convectie is wat de geodynamo aandrijft. Zonder convectie zou er geen geodynamo zijn.”
Alfè en zijn collega’s gebruikten supercomputers om een “eerste beginselen”-berekening uit te voeren van de warmtestroom in vloeibaar ijzer in de kern van de aarde. Met eerste beginselen bedoelen ze dat ze een reeks complexe vergelijkingen hebben opgelost die de atomaire toestanden van ijzer bepalen. Zij maakten geen schattingen of extrapolaties van laboratoriumexperimenten – zij pasten de wetten van de fundamentele kwantummechanica toe om de eigenschappen van ijzer bij extreme druk en temperatuur af te leiden. De Britse onderzoekers hebben verscheidene jaren besteed aan het ontwikkelen van de wiskundige technieken die in de vergelijkingen worden gebruikt; pas in de afgelopen jaren zijn computers krachtig genoeg geworden om ze op te lossen.
“Het was spannend en beangstigend omdat we waarden vonden die heel anders waren dan wat mensen tot nu toe gebruikten,” zegt Alfè over de ontdekking. “Het eerste wat je denkt is: ‘Hier wil ik me niet in vergissen’. “
Geen inslagen, geen magnetisch veld, geen leven?
Het werk heeft een brede acceptatie gekregen sinds de publicatie in Nature twee jaar geleden, vooral omdat hun berekeningen op basis van de eerste beginselen nu enige experimentele ondersteuning hebben gekregen. Een team van Japanse onderzoekers heeft onlangs ontdekt dat kleine ijzermonsters, wanneer zij in het laboratorium onder hoge druk worden gezet, dezelfde warmteoverdrachtseigenschappen vertonen als Alfè en zijn collega’s hadden voorspeld. Stevenson, de geofysicus van Caltech, zegt dat de nieuwe waarden voor het geleidingsvermogen van vloeibaar ijzer waarschijnlijk de tand des tijds zullen doorstaan. “Het is mogelijk dat de getallen iets naar beneden gaan, maar het zou me verbazen als ze helemaal tot de conventionele waarde zouden dalen,” zegt hij.
Hoe zijn de nieuwe bevindingen dan te rijmen met het onbetwistbare bestaan van het magnetische veld van de planeet? Stevenson en andere onderzoekers hebben eerder een tweede mechanisme naast warmtestroom voorgesteld dat de vereiste convectie in de buitenkern zou kunnen produceren. De binnenkern bestaat weliswaar bijna geheel uit zuiver ijzer, maar bevat vermoedelijk sporen van lichtere elementen, voornamelijk zuurstof en silicium. Wanneer het ijzer in de binnenkern afkoelt en stolt, zo veronderstellen de onderzoekers, zouden sommige van die lichte elementen naar buiten worden geperst, zoals het zout dat uit ijskristallen wordt geperst wanneer zeewater bevriest. Die lichte elementen zouden dan opstijgen in de vloeibare buitenkern, waardoor convectiestromen zouden ontstaan. Deze zogenaamde samengestelde convectie zou een andere manier zijn om de geodynamo aan te drijven.
Maar samengestelde convectie zou alleen werken als er al een binnenkern was gevormd. In een zuiver vloeibare kern zouden de lichte elementen gelijkmatig over de vloeistof verdeeld zijn, zodat er geen convectie door de samenstelling zou zijn. Gezien de snelheid waarmee de aardkern nu afkoelt en stolt, is het waarschijnlijk dat de binnenkern zich relatief kort geleden heeft gevormd, misschien binnen de afgelopen miljard jaar.
Veel van de botsingsenergie van de oerbotsingen zou in hitte zijn omgezet, waardoor het binnenste van de Aarde vloeibaar werd.
Hoe heeft de geodynamo minstens een paar miljard jaar kunnen functioneren voordat de binnenkern bestond? “Het probleem ligt eigenlijk in het verleden van de aarde, niet in het heden, zegt Alfè. “Dit is waar nieuwe hypotheses hun intrede doen. Sommige mensen zeggen dat de aarde in het verleden misschien veel heter was.”
Als de jonge aarde meer warmte bevatte dan de huidige theorieën aangeven, zou er genoeg over kunnen zijn geweest om de vereiste convectie op gang te brengen, zelfs gezien de nieuwe bevindingen over het hogere geleidingsvermogen van vloeibaar ijzer. Wat kan voor die extra warmte gezorgd hebben? Een van de belangrijkste verklaringen zou de verbeelding van zelfs de meest inventieve middeleeuwse kaartenmakers hebben gesaboteerd: Door oerbotsingen tussen de jonge aarde en andere protoplaneten werd materiaal uit de mantel in de kern gedreven, waardoor de geodynamica van de aarde op gang kwam.
Het idee dat een lichaam ter grootte van Mars ruwweg 4,5 miljard jaar geleden op de aarde is gebotst, werd voor het eerst geopperd in de jaren zeventig, in een poging om de griezelige gelijkenis van maanrotsen met aardse rotsen te verklaren. Maanrotsen zijn in dat opzicht uniek. Meteorieten, bijvoorbeeld, hebben chemische en elementaire profielen die hen duidelijk als buitenaards markeren. “Maar gesteenten van de maan en de aarde zien er identiek uit,” zegt Buffett.
Was die voorraad overtollige warmte er niet geweest, dan was de geodynamo van de aarde misschien nooit begonnen. En zonder een beschermend magnetisch veld rond de planeet zou de zonnestraling de atmosfeer van de aarde hebben gestript en het oppervlak hebben gebombardeerd, wat kennelijk ook het lot van Mars was. Het is mogelijk dat verschillende schijnbaar ongelijksoortige fenomenen essentieel waren om van de aarde een bewoonbare wereld te maken: de vorming van de maan, het planetaire magnetische veld, plaattektoniek en de aanwezigheid van water. Zonder de botsing waardoor de maan is ontstaan, zou er niet genoeg warmte zijn geweest om convectie in de kern van de aarde op gang te brengen en het magnetisch veld aan te drijven. Zonder water zou de aardkorst te sterk zijn gebleven om in tektonische platen te worden gebroken; en zonder een tektonisch gebroken korst zou er te veel hitte in de aarde zijn opgesloten. Zonder dat de aarde had kunnen afkoelen, zou er geen convectie en geleiding zijn geweest.
“Hebben deze dingen met elkaar te maken, of zijn het gewoon gelukkige toevalligheden?” vraagt Buffett. “We weten het niet zeker. Deze overeenkomsten zijn intrigerend. Je kunt naar Venus kijken: geen platentektoniek, geen water, geen magnetisch veld. Hoe meer je hiernaar kijkt en erover nadenkt, hoe meer je denkt dat het geen toeval kan zijn. De gedachte dat al deze dingen met elkaar te maken kunnen hebben, is wonderbaarlijk.”
Is de aarde dan uniek? Is er voor leven meer nodig dan zuurstof, water en geschikte temperaturen? Zijn een toevallige botsing in de oertijd en een maan ook nodig, samen met een kolkende vloeibare kern? Hoe herhaalbaar kunnen de omstandigheden zijn waaruit onze wereld is ontstaan, met een korst vol leven, afgeschermd van een vijandige kosmos door een 3,5 miljard jaar oude interne motor van hitte en ijzer?
“Het is nog steeds niet duidelijk hoe ongewoon ons zonnestelsel is,” zegt Stevenson. “Het is zeker duidelijk dat planeten extreem veel voorkomen – daar bestaat absoluut geen twijfel over. Maar de vorming van planeten is geen deterministisch proces. Het is een chaotisch proces dat een verscheidenheid aan uitkomsten kent. Alleen al in ons zonnestelsel zijn er opvallende verschillen tussen de Aarde en Venus. Ik denk dat het een kwestie van toeval is, hoe het spel zich heeft afgespeeld, hoe de dobbelstenen zijn geworpen.”
De antwoorden komen misschien als we meer te weten komen over het soort werelden dat om andere sterren draait, zegt Stevenson. Misschien lijkt een handjevol van die werelden op de onze, of misschien wel duizenden. En misschien wonen er wel bewoners op een dunne, veranderlijke korst, die boren, bevingen in de gaten houden, theorieën opbouwen, proberen te begrijpen wat er onder hen ligt en zich afvragen of hun wereld wonderbaarlijk of alledaags is.