Jądro wewnętrzne jest stałe, choć jest gorętsze niż ciekłe jądro zewnętrzne
Stan skupienia nie zależy wyłącznie od temperatury. W kierunku centrum Ziemi temperatura rośnie, ale jeszcze szybciej zmieniają się warunki ciśnienia. Jądro zewnętrzne jest ciekłym stopem bogatym w żelazo, natomiast głębiej, w jądrze wewnętrznym, ciśnienie jest tak ogromne, że temperatura topnienia stopu staje się wyższa od rzeczywistej temperatury materiału. Żelazo może więc krzepnąć mimo ekstremalnego gorąca. To dlatego w centrum planety znajduje się stała kula zanurzona w ciekłym metalu — układ odwrotny do intuicji opartej na codziennym doświadczeniu z topieniem substancji przy stałym ciśnieniu.
Temperatura topnienia nie jest jedną stałą liczbą
Mówimy potocznie, że żelazo „topi się w określonej temperaturze”, ale taka wartość odnosi się do ustalonego ciśnienia. Zmiana ciśnienia przesuwa granicę między fazą stałą i ciekłą. W jądrze Ziemi wartości są miliony razy większe niż ciśnienie atmosferyczne, dlatego nie można używać temperatur topnienia z powierzchni. Aby określić stan materii, trzeba znać jednocześnie temperaturę, ciśnienie i skład stopu.
Dlaczego ciecz znajduje się nad ciałem stałym
Na granicy płaszcza i jądra metaliczny materiał jest wystarczająco gorący, by pozostawać ciekły przy panującym tam ciśnieniu. W stronę środka temperatura wzrasta, ale rośnie też ciśnienie, które podnosi temperaturę topnienia stopu żelaza. W pewnej głębokości krzywa rzeczywistej temperatury przecina krzywą topnienia. Poniżej tej granicy najbardziej stabilny jest stan stały — i tak powstaje jądro wewnętrzne. Stałość nie jest więc oznaką „zimnego środka”.
Skąd wiemy, gdzie leży granica
Sejsmologia wykrywa zmianę własności materiału na granicy jądra wewnętrznego. Fale P przechodzą przez oba rodzaje jądra, ale ich prędkość i drogi zmieniają się. Bardziej złożone fazy oraz słabe fale ścinające związane z konwersjami pozwalają badać stałość centralnej części. Eksperymenty z żelazem i jego stopami pod wysokim ciśnieniem oraz obliczenia mineralno-fizyczne sprawdzają, czy warunki topnienia są zgodne z modelami sejsmicznymi.
Jądro wewnętrzne rośnie w miarę chłodzenia planety
Ziemia bardzo powoli traci ciepło. Gdy temperatura jądra spada, kolejne porcje ciekłego stopu przy granicy jądra wewnętrznego krystalizują. Oznacza to, że stała część nie jest strukturą o niezmiennym rozmiarze od początku planety. Jej wzrost wpływa na skład i wyporność pozostającego płynu oraz na bilans energii napędzający konwekcję jądra zewnętrznego. Paradoks „gorące, ale stałe” jest więc częścią aktywnej ewolucji termicznej Ziemi.
Ciśnienie podnosi temperaturę topnienia żelaza
Stan skupienia nie zależy od temperatury w oderwaniu od ciśnienia. Wraz z głębokością temperatura jądra rośnie, ale ciśnienie rośnie jeszcze bardziej i zmienia krzywą topnienia stopu żelaza. W jądrze zewnętrznym temperatura znajduje się powyżej lokalnej temperatury topnienia, więc materiał jest ciekły. Głębiej, przy granicy jądra wewnętrznego, ogromne ciśnienie sprawia, że temperatura topnienia jest na tyle wysoka, iż stop zaczyna krystalizować mimo jeszcze wyższej temperatury bezwzględnej. To ten sam powód, dla którego podawanie jednej „temperatury topnienia żelaza” bez ciśnienia byłoby mylące.
Skład jądra przesuwa warunki krzepnięcia
Jądro nie jest zbudowane z idealnie czystego żelaza. Zawiera nikiel oraz lżejsze pierwiastki, które wpływają na gęstość i temperaturę topnienia stopu. Eksperymenty laboratoryjne próbują odtwarzać te warunki, ściskając i ogrzewając próbki żelaza oraz stopów do ciśnień zbliżonych do jądra. Wyniki zestawia się z sejsmicznie wyznaczoną gęstością i położeniem granicy między jądrem zewnętrznym a wewnętrznym. Dzięki temu stan skupienia centrum Ziemi staje się jednocześnie problemem sejsmologii, fizyki wysokich ciśnień i geochemii.
Granica jądra wewnętrznego jest miejscem ciągłej przemiany
W miarę bardzo powolnego chłodzenia Ziemi kolejne porcje płynnego stopu przy granicy jądra wewnętrznego osiągają warunki krystalizacji. Stała część centrum rośnie więc kosztem jądra zewnętrznego. Proces ten nie tylko zmienia rozmiar jądra wewnętrznego, lecz także uwalnia ciepło krystalizacji i wypiera lżejsze składniki do cieczy, co ma znaczenie dla konwekcji podtrzymującej geodynamo.