Potongan melintang Bumi dalam tampilan luar angkasa. Elemen gambar ini disediakan oleh NASA. (© rost9 – stock.adobe.com)
Sekitar 2.890 kilometer di bawah kaki kita terdapat bola logam cair raksasa: inti planet kita. Ilmuwan seperti saya menggunakan gelombang seismik yang dihasilkan oleh gempa bumi sebagai semacam ultrasound untuk “melihat” bentuk dan struktur inti tersebut.
Dengan menggunakan cara baru dalam mempelajari gelombang ini, kolega saya Xiaolong Ma dan saya telah membuat penemuan yang mengejutkan: terdapat wilayah inti yang besar berbentuk donat di sekitar Khatulistiwa, setebal beberapa ratus kilometer, tempat gelombang seismik bergerak sekitar 2% lebih lambat daripada di bagian inti lainnya.
Kami pikir wilayah ini mengandung lebih banyak unsur yang lebih ringan seperti silikon dan oksigen, dan mungkin memainkan peran penting dalam arus besar logam cair yang mengalir melalui inti yang menghasilkan medan magnet Bumi. Hasil kami dipublikasikan di Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
'Gelombang korelasi koda'
Kebanyakan studi tentang gelombang seismik yang diciptakan oleh gempa bumi mengamati muka gelombang besar awal yang bergerak mengelilingi dunia dalam waktu sekitar satu jam setelah gempa.
Kami menyadari bahwa kami dapat mempelajari sesuatu yang baru dengan mengamati bagian gelombang yang lebih lambat dan lebih redup, yang dikenal sebagai koda – bagian yang mengakhiri sebuah karya musik. Secara khusus, kami mengamati seberapa mirip koda yang terekam di detektor seismik yang berbeda, beberapa jam setelah dimulai.
Secara matematis, kesamaan ini diukur dengan sesuatu yang disebut korelasi. Secara keseluruhan, kami menyebut kesamaan ini di bagian akhir gelombang gempa bumi sebagai “medan gelombang korelasi-koda.”
Dengan mengamati medan gelombang korelasi-koda, kami mendeteksi sinyal-sinyal kecil yang berasal dari beberapa gelombang yang bergema yang tidak akan kami lihat. Dengan memahami jalur yang diambil gelombang-gelombang yang bergema ini dan mencocokkannya dengan sinyal-sinyal di medan gelombang korelasi-koda, kami menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menempuh perjalanan melalui planet ini.
Kami kemudian membandingkan apa yang kami lihat di detektor seismik yang lebih dekat ke kutub dengan hasil dari yang lebih dekat ke Khatulistiwa. Secara keseluruhan, gelombang yang terdeteksi lebih dekat ke kutub bergerak lebih cepat daripada yang dekat dengan Khatulistiwa.
Kami mencoba banyak model dan simulasi komputer tentang kondisi apa di inti yang dapat menghasilkan hasil ini. Pada akhirnya, kami menemukan bahwa pasti ada torus – wilayah berbentuk donat – di inti luar di sekitar Khatulistiwa, tempat gelombang bergerak lebih lambat.
Ahli seismologi belum pernah mendeteksi wilayah ini sebelumnya. Namun, dengan menggunakan medan gelombang korelasi koda, kita dapat “melihat” inti luar secara lebih rinci dan lebih merata.
Penelitian sebelumnya menyimpulkan bahwa gelombang bergerak lebih lambat di mana-mana di sekitar “langit-langit” inti luar. Namun, kami telah menunjukkan dalam penelitian ini bahwa wilayah dengan kecepatan rendah hanya berada di dekat Khatulistiwa.
Inti luar dan geodinamika
Inti luar Bumi memiliki radius sekitar 3.480 km, yang membuatnya sedikit lebih besar dari planet Mars. Inti luar Bumi sebagian besar terdiri dari besi dan nikel, dengan beberapa jejak unsur yang lebih ringan seperti silikon, oksigen, sulfur, hidrogen, dan karbon.
Bagian bawah inti luar lebih panas daripada bagian atas, dan perbedaan suhu membuat logam cair bergerak seperti air dalam panci yang mendidih di atas kompor. Proses ini disebut konveksi termal, dan kami pikir gerakan konstan ini berarti semua material di inti luar tercampur dengan baik dan seragam.
Namun, jika di mana-mana di inti luar terdapat material yang sama, gelombang seismik seharusnya bergerak dengan kecepatan yang hampir sama di mana-mana. Jadi, mengapa gelombang ini melambat di wilayah berbentuk donat yang kami temukan?
Kami pikir pasti ada konsentrasi unsur-unsur ringan yang lebih tinggi di wilayah ini. Unsur-unsur ini mungkin dilepaskan dari inti dalam Bumi yang padat ke inti luar, di mana daya apungnya menciptakan lebih banyak konveksi.
Mengapa unsur-unsur yang lebih ringan lebih banyak terbentuk di wilayah donat khatulistiwa? Para ilmuwan berpendapat hal ini dapat dijelaskan jika lebih banyak panas yang ditransfer dari inti luar ke mantel berbatu di atasnya di wilayah ini.
Ada pula proses berskala planet lain yang bekerja di inti luar. Rotasi Bumi dan inti dalam padat yang kecil membuat cairan inti luar mengatur dirinya sendiri dalam pusaran vertikal panjang yang mengalir ke arah utara-selatan, seperti pusaran air raksasa.
Pergerakan turbulen logam cair dalam pusaran ini menciptakan “geodinamika” yang bertanggung jawab untuk menciptakan dan mempertahankan medan magnet Bumi. Medan magnet ini melindungi planet ini dari angin dan radiasi matahari yang berbahaya, sehingga memungkinkan adanya kehidupan di permukaannya.
Pandangan yang lebih rinci tentang susunan inti luar – termasuk unsur-unsur ringan yang baru ditemukan dalam bentuk donat – akan membantu kita lebih memahami medan magnet Bumi. Secara khusus, bagaimana medan tersebut mengubah intensitas dan arahnya seiring waktu sangat penting bagi kehidupan di Bumi dan potensi kelayakhunian planet dan eksoplanet.
