Dünyanın iç yapısına ilişkin hemen hemen tüm veriler, sismik dalgaların yayılmasıyla ilgili gözlemlerden elde ediliyor. Zamanında, hızlarındaki değişikliklere yönelik analiz, gezegenin, yerin kabuğundan başlayarak, yaklaşık 2 bin 900 kilometre derinlikte yerleşen çekirdeğe kadar, birkaç konsantrik katmandan oluştuğunu ortaya çıkardı.

Jeofizik gözlemlerde kullanılan cisim dalgaları, yayılma yönü boyunca elastik mekanik titreşimlerin meydana geldiği P dalgaları (boyuna dalgalar) ve dik titreşimli S dalgaları (enine dalgalar) olarak ikiye ayrılıyor. Her bir sismik dürtü, her iki dalgayı aynı anda başlatıyor, ancak bu dalgalar, farklı yoğunluklara sahip ortamların sınırlarında farklı şekilde kırılıyorlar. P dalgaları her türlü materyallerden geçebiliyorken, kayma dalgaları olarak da adlandırılan S dalgaları yalnızca katı materyallerde yayılıyor.

Danimarkalı jeofizikçi Inge Lehmann, 1936 yılında, Dünya'nın çekirdeğinin homojen olmadığını, erimiş olan dış ve katı olan iç kabuk olmak üzere iki kabuktan oluştuğunu öne sürdü. Müteakıp çalışmalar, yüzeyden yaklaşık 5 bin 100 kilometre derinlikteki çekirdekte iki ortam arasında gerçekten bir sınır olduğunu doğruladı. Bu bilgi, kayma dalgalarının söndüğü sıvı dış çekirdeğinin kalınlığını belirleme fırsatını sağladı. Böylece iç çekirdeğin yarıçapı yaklaşık 1300 kilometre olarak belirlendi. Lakin, bu çekirdeğin faz yapısı ile ilgili uzun bir süre kesin bir görüş yoktu.

İç çekirdeğin gizemi

Bir yandan, boyuna dalgaların kırılma ve yansımasının doğası, iç çekirdeğin çoğunlukla katı olduğuna işaret ediyordu. Ayrıca, bu derinliklerde, yaklaşık 3 milyon 800 bin bar olan basınçlarda maddenin farklı halde olabileceğini hayal etmek pek mümkün değil. Ancak bu tahmini doğrulamak için kayma dalgalarının yayılmasını tespit etmek gerekiyordu. Bu da çok büyük bir problemdi. Zira bu tür dalgalar, dış çekirdeğin sıvı halindeki kabuğunun içinden neredeyse hiç geçemiyor.

Dünya katmanlarındaki farklı türden dalgaları işaretlemek için harfler kullanılıyor: P, dünya mantosundaki boyuna dalgalar; S, mantodaki kayma dalgalar; K, dış çekirdekteki boyuna dalgalar; I, iç çekirdekteki boyuna dalgalar; J, iç çekirdekteki kayma dalgalar.

Belirli sismik dürtüyle başlayan ve çeşitli kabuklardan geçerek çıkışta sismograflar tarafından tespit edilen dalgalara belirli kodlar veriliyor. Örneğin, mantoda ve dış çekirdekte aynı anda boyuna, iç çekirdekte ise enine titreşim tespit edildiyse buna PKJKP kodu, iç kabukta titreşim tespit edilmezse PKIKP kodu veriliyor.

Bilim insanlarının ilk hedefi, PKJKP dalgalarının içinde J dalgasını bulmaktı. Bunu ilk kez 2018’de başardılar. Avustralya Ulusal Üniversitesi'nden jeofizikçiler Hrvoje Tkalcic ve Thanh-Son Pham, süper zayıf dalgaları tespit etmek için özel bir teknik olan korelasyon dalga alanları yöntemini kullandılar. Bu yöntemin temelinde, aynı depremden yayılan ve gezegenin zıt bölgelerine yerleştirilen iki sismograf tarafından tespit edilen doğrudan ve yansıyan sinyalleri karşılaştırma ilkesi yatıyor.

Bununla birlikte, Avustralyalı uzmanlar bilerek sismogramların ilk 3 saatini göz ardı ederek böylece kuvvetli dalga sinyallerini araştırmanın dışında tutuyorlardı ve sadece depremden sonraki 3 ilâ 10 saat aralığını dikkate alıyorlardı. Bu yöntem sayesinde, Dünya’nın iç çekirdeğindeki enine dalgaların hızı belirlenebildi: dış çekirdekle sınırda saniyede 3.42 km ve merkezde saniyede 3.58 km.

Bu değerler, saf demir veya alaşımlarından oluşan katı bir gövdede olması gerekenden biraz daha düşük çıktı. Bilim insanları buna açıklama getirmek için birkaç tahmin geliştirdi. Her şeyden önce, iç çekirdeğin tamamen katı olmadığı ve altın veya platin gibi bazı metaller gibi belirli bir plastikliğe sahip olduğu tahmini yürütüldü. Gözlemlenen parametreler ayrıca demir, silikon ve karbon alaşımına da işaret ediyor.

J dalgalarının düşük hızı aynı zamanda, iç çekirdek içinde, katı maddenin kristalleri arasındaki boşlukta erimiş maddenin varlığıyla açıklanabilir.

Üçüncü seçenek de mümkün: iç çekirdek heterojen yapıya sahip. Sınırındaki ve merkezinde, sismik dalgaların gösterdiği hızlardaki fark buna işaret ediyor.

Pinpon yöntemi

Tkalcic ve Pham, yeni araştırma için, son on yılda yaşanan ve şiddeti 6 veya üstü olan 200 depremi seçti. Uzmanlar, PKIKP gibi dalgalara odaklandı. Özel bir program sayesinde, gezegenin her yerindeki çok sayıda sensörden elde edilen veriler işlenerek sismik olayların her biri için, Dünya’nın tüm yüzeyini kaplayan dalga alanlarının görüntüleri oluşturuldu. Buna küresel korelogramlar deniyor.

Geliştirilen sinyal güçlendirme yöntemi, sismik dalgaların rotalarını ve hızlarını benzeri görülmemiş ayrıntılarla yeniden oluşturmayı mümkün kıldı. Bazı durumlarda, 5 reverb’e (dalgaların yer yüzeyinden yansıyarak yeniden dünyanın içinden geçmesi) varan yankılama tespit edilebildi.

Thanh-Son Pham, “Bu, oraya buraya zıplayan bir pinpon topu gibi” dedi.

Her reverb, dünyanın bir ucundan diğerine ulaşmak için yaklaşık 20 dakika alıyor ve her reberb’de sinyal giderek zayıflıyor. Eskiden bu türden en fazla bir ‘yansıma’ tespit edilebiliyordu.

Mini çekirdeğin keşfedilmesi

Elde edilen veriler, gezegenin tam merkezinde yaklaşık 1300 kilometre çapında sıcak ve yoğun bir metal topun varlığını ortaya koydu. Bu top, tüm iç çekirdek olduğu gibi, muhtemelen küçük bir nikel katkılı kristal demirden oluşuyor.

“Çekirdecik” içinden geçen dalgaların yavaşlama doğasının, onu çevreleyen kabuktaki tabloya benzememesi dikkat çekiyor. Bilim insanlarının görüşüne göre bunun nedeni, demir atomlarının paketlenmesinin özellikleri veya farklı sıcaklık ve basınçlarda, büyüyen kristallerin baskın yönelimi.

Tkalcic, “Merkez kısımdaki demir kristalleri muhtemelen dış tabakadakinden farklı” diye kaydetti.

Farklılıklar, iç çekirdeğin her iki bölgesini oluşturan demir-nikel alaşımının anizotropi seviyesinde gözlemleniyor. Tespit edilmesi, sismik dalgaların mini çekirdeğe farklı açılardan girerken hızlarındaki değişikliklere yönelik analiz sayesinde mümkün oldu. Zira bazı durumlarda dalgalar yavaşlarken bazı durumlarda da tam aksine hızlanıyordu.

Dünyanın merkezindeki metal top, toplam hacminin en fazla yüzde birini oluştursa da bu keşif, dünyanın evrim sürecini anlamak için son derece önemli.

Tkalcic, “İç çekirdek bir zaman kapsülü gibi. Bu fosil kayıt, Dünya’nın geçmişine götüren kapıyı açıyor” ifadesini kullandı.

Jeolojik tarihin en erken aşamasında, çekirdeğin kristal yapısında önemli bir yeniden düzenlemeye yol açan bir tür küresel olayın meydana geldiği artık ortada. Bu, Dünya'nın, karmaşık yaşam formlarının gelişimini mümkün kılan manyetik alanının ortaya çıkmasında önemli bir rol oynamış olabilir.