Ilmuwan hampir memecahkan misteri inti bumi

Jauh di bawah kaki kita, pada kedalaman yang mencengangkan lebih dari 5.100 km, terdapat inti bumi — bola besi dan nikel padat yang memainkan peran penting dalam membentuk kondisi yang kita alami di permukaan. Bahkan, tanpanya, kita tidak mungkin ada.

Namun, terlepas dari signifikansinya, masih menjadi teka-teki bagaimana ia terbentuk dan berkembang. Kita bahkan tidak tahu berapa usianya. Untungnya, fisika mineral membawa kita lebih dekat untuk memecahkan misteri tersebut.

Inti bumi bertanggung jawab atas medan magnet bumi, yang berfungsi seperti perisai, melindungi kita dari radiasi matahari yang berbahaya. Medan magnet ini mungkin penting dalam menciptakan kondisi yang memungkinkan kehidupan berkembang miliaran tahun yang lalu.

Inti bumi dulunya cair, tetapi berubah menjadi padat seiring waktu. Saat Bumi mendingin secara bertahap, inti bumi mengembang ke luar karena cairan kaya zat besi di sekitarnya “membeku”. Meski begitu, suhunya masih sangat panas, setidaknya 5.000 Kelvin (K) (4726,85°C).

Proses pembekuan ini melepaskan unsur-unsur, seperti oksigen dan karbon, yang tidak cocok berada dalam benda padat yang panas. Proses ini menciptakan cairan panas dan mengapung di dasar inti luar. Cairan tersebut naik ke inti luar yang cair dan bercampur dengannya, yang menciptakan arus listrik (melalui “aksi dinamo”), yang menghasilkan medan magnet kita.

Pernahkah Anda bertanya-tanya apa yang membuat cahaya utara menari-nari di langit? Anda dapat berterima kasih kepada inti bumi.

Kristalisasi samar

Untuk memahami bagaimana medan magnet bumi telah berevolusi sepanjang sejarahnya, ahli geofisika menggunakan model yang mensimulasikan keadaan termal inti dan mantel.

Model-model ini membantu kita memahami bagaimana panas didistribusikan dan dipindahkan di dalam Bumi. Model-model ini berasumsi bahwa inti padat pertama kali muncul ketika cairan mendingin hingga mencapai titik lelehnya, dengan menganggapnya sebagai waktu ketika cairan mulai membeku. Masalahnya, model ini tidak secara akurat mencerminkan proses pembekuan.

Oleh karena itu, para ilmuwan telah meneliti proses “supercooling”. Supercooling terjadi ketika cairan didinginkan di bawah titik bekunya tanpa berubah menjadi padat. Hal ini terjadi pada air di atmosfer, terkadang mencapai -30°C sebelum membentuk hujan es, dan juga pada besi di inti Bumi.

Perhitungan menunjukkan bahwa pendinginan super hingga 1.000K sebenarnya diperlukan untuk membekukan besi murni di inti Bumi. Mengingat konduktivitas inti menyiratkan bahwa inti mendingin pada kecepatan 100-200K per miliar tahun, ini menghadirkan tantangan yang signifikan. Tingkat pendinginan super ini menyiratkan bahwa inti harus berada di bawah titik lelehnya selama keseluruhan sejarahnya (berusia 1.000 hingga 500 juta tahun), yang menghadirkan komplikasi tambahan.

Karena kita tidak dapat mengakses inti bumi secara fisik — manusia hanya mengebor 12 km ke dalam Bumi — kita hampir sepenuhnya bergantung pada seismologi untuk memahami bagian dalam planet kita. Inti bumi ditemukan pada tahun 1936, dan ukurannya (sekitar 20% dari jari-jari Bumi) merupakan salah satu sifat Bumi bagian dalam yang paling terkendali. Kami menggunakan informasi ini untuk memperkirakan suhu inti bumi, dengan asumsi bahwa batas antara padat dan cair merupakan perpotongan titik leleh dan suhu inti.

Asumsi ini juga membantu kita memperkirakan tingkat pendinginan berlebih maksimum yang dapat terjadi sebelum inti dalam mulai terbentuk dari gabungan inti dalam dan luar. Jika inti membeku relatif baru-baru ini, keadaan termal saat ini pada batas inti dalam-inti luar menunjukkan seberapa jauh inti gabungan mungkin berada di bawah titik lelehnya ketika inti dalam pertama kali mulai membeku. Ini menunjukkan bahwa, paling banyak, inti dapat mengalami pendinginan berlebih sekitar 400K.

Ini setidaknya dua kali lipat dari yang diizinkan seismologi. Jika inti bumi didinginkan hingga 1.000K sebelum membeku, inti bumi bagian dalam seharusnya jauh lebih besar daripada yang diamati. Atau, jika 1.000K diperlukan untuk pembekuan dan tidak pernah tercapai, inti bumi bagian dalam seharusnya tidak ada sama sekali. Jelas, tidak ada skenario yang akurat, jadi apa penjelasannya?

Ahli fisika mineral telah menguji besi murni dan campuran lainnya untuk menentukan seberapa banyak pendinginan yang dibutuhkan untuk memulai pembentukan inti dalam. Meskipun penelitian ini belum memberikan jawaban pasti, ada kemajuan yang menjanjikan.

Misalnya, kita telah mempelajari bahwa struktur kristal yang tak terduga dan keberadaan karbon dapat memengaruhi pendinginan berlebih. Temuan ini menunjukkan bahwa kimia atau struktur tertentu yang sebelumnya tidak dipertimbangkan mungkin tidak memerlukan pendinginan berlebih yang tidak masuk akal. Jika inti dapat membeku pada suhu pendinginan berlebih kurang dari 400K, hal itu dapat menjelaskan keberadaan inti bagian dalam seperti yang kita lihat saat ini.

Implikasi dari tidak memahami pembentukan inti dalam sangatlah luas. Perkiraan sebelumnya tentang usia inti dalam berkisar antara 500 hingga 1.000 juta tahun. Namun, perkiraan ini tidak memperhitungkan masalah pendinginan super. Bahkan pendinginan super sederhana sebesar 100K dapat berarti inti dalam beberapa ratus juta tahun lebih muda dari yang diperkirakan sebelumnya.

Memahami tanda-tanda pembentukan inti dalam catatan batuan paleomagnetik — arsip medan magnet Bumi — sangat penting bagi mereka yang mempelajari dampak radiasi matahari pada kepunahan massal.

Sampai kita lebih memahami sejarah medan magnet, kita tidak dapat sepenuhnya menentukan perannya dalam munculnya kondisi layak huni dan kehidupan.