In grote lijnen heeft de Aarde vier lagen: de vaste korst aan de buitenkant, de mantel en de kern – opgesplitst in de buitenkern en de binnenkern.
De korst
De korst is alles wat we kunnen zien en direct kunnen bestuderen. De korst, de dunste laag van de Aarde, is gemiddeld nog zo’n 40 km diep, variërend van 5-70 km (~3-44 mijl). Maar op de schaal van de planeet is dat minder dan de schil van een appel.
Er zijn twee soorten korst: continentale en oceanische korst. Oceanische korst kan worden gevonden op de bodem van de oceanen of onder de continentale korst; het is over het algemeen harder en dieper, bestaande uit dichtere gesteenten zoals basalt, terwijl de continentale korst granietachtige gesteenten en sedimenten bevat. De continentale korst is dikker op het land.
De korst is niet één star ding, maar het is opgedeeld in verschillende tektonische platen. Deze tektonische platen liggen niet stil, maar zijn ten opzichte van elkaar in beweging. Afhankelijk van de relatie en de geologische setting zijn er drie soorten tektonische plaatgrenzen: convergent (naar elkaar toe bewegend), divergent (van elkaar af bewegend) en transformant (zijwaarts bewegend).
Deze platen “drijven” op de zachte, plastische bovenmantel.
De mantel
De mantel strekt zich uit over 2.890 km en is daarmee de dikste laag van de Aarde. Hij maakt ongeveer 84% van het aardoppervlak uit. Alles wat we over de aardmantel weten, weten we indirect, want geen enkel menselijk onderzoek is erin geslaagd verder te gaan dan de korst. De meeste dingen die we over de aardmantel weten, weten we uit seismologisch onderzoek (waarover later meer).
De aardmantel wordt ook verdeeld in verschillende lagen, gebaseerd op seismologische eigenschappen. De bovenmantel strekt zich uit van het eindpunt van de korst tot ongeveer 670 km. Hoewel dit gebied als viskeus wordt beschouwd, kan men het ook beschouwen als gevormd uit gesteente – een gesteente dat peridotiet wordt genoemd om precies te zijn. Daaronder strekt de onderste mantel zich uit van 670 tot bijna 2900 kilometer onder het oppervlak.
In principe wordt nu wel aangenomen dat de mantel zich niet in een vaste toestand bevindt, maar veeleer in een toestand van voortdurende beweging. Er is een algemene convectieve circulatie, waarbij heet materiaal naar de oppervlakte stroomt en koeler materiaal dieper gaat. Algemeen wordt aangenomen dat deze convectie in feite de circulatie van de platentektoniek in de korst stuurt.
De meeste aardbevingen ontstaan aan het oppervlak, in de korst; als de platen eb en vloed zijn ontstaat er spanning, en als die spanning wegvalt of als er iets breekt heb je een aardbeving. Aardbevingen kunnen echter ook in de mantel plaatsvinden, en bij die druk kun je onmogelijk spreken van breuken en breuk. In subductiegebieden, waar het ene vlak onder het andere komt, zijn aardbevingen waargenomen tot op een diepte van 670 km. Het mechanisme rond deze aardbevingen is nog steeds niet goed begrepen, maar één van de theorieën is dat sommige mineralen van de ene toestand naar de andere verschuiven, waarbij hun volume verandert. Deze volumeverandering kan tot aardbevingen leiden.
Hoewel, we komen steeds dichter bij het begrijpen van de mantel – zelfs zonder er te komen. De laatste tijd zijn onderzoekers dicht in de buurt gekomen van het nabootsen van de hoge temperatuur/druk in de mantel, en computermodellen van hoog niveau onthullen ook enkele van zijn geheimen.
De kern
We spreken soms over de kern als één ding, hoewel de binnenkern en de buitenkern fundamenteel verschillend zijn – geen lagen van hetzelfde ding. De “vaste” binnenkern heeft een straal van ~1.220 km, terwijl de “vloeibare” buitenkern zich uitstrekt tot een straal van ~3.400 km.
Wacht, als we niet naar de mantel konden gaan, hoe zouden we dan kunnen weten dat de ene vast is en de andere niet? Welnu, zoals voorheen is het antwoord hetzelfde: seismische golven (we zijn er bijna).
De binnenkern
De temperaturen en drukken van de binnenkern zijn absoluut extreem, bij ongeveer 5.400 °C (9.800 °F) en 330 tot 360 gigapascal (3.300.000 tot 3.600.000 atm).
In het algemeen wordt aangenomen dat de binnenkern zeer langzaam groeit – naarmate de kern afkoelt, stolt meer van de buitenkern en wordt een deel van de binnenkern. Men denkt dat de afkoelsnelheid zeer laag is, ongeveer 100 graden Celsius per miljard jaar. Maar zelfs deze langzame groei wordt geacht van grote invloed te zijn op de opwekking van het aardmagnetisch veld door dynamo-werking in de vloeibare buitenkern.
Het is nogal interessant dat de binnenkern asymmetrisch lijkt te zijn op de oost-westlijn. Er is een model dat deze asymmetrie verklaart met smelten aan de ene kant en kristallisatie aan de andere kant. Deze anomalie beïnvloedt waarschijnlijk ook het magnetisch veld van de aarde, waardoor een asymmetrie ontstaat aan de kristalliserende kant.
De buitenkern
De buitenkern is een vloeistof met een lage viscositeit (ongeveer tien maal de viscositeit van vloeibare metalen aan het oppervlak) – “vloeibaar” is een nogal oneigenlijke term. Omdat hij een zeer lage viscositeit heeft, is hij gemakkelijk vervormbaar en kneedbaar. Het is de plaats van hevige convectie. Het wordt ook verondersteld te lijden onder zeer hevige convectiestromen – hé, en raad eens ? Het karnen van de buitenkern en zijn relatieve beweging is verantwoordelijk voor het magnetisch veld van de aarde.
Het heetste deel van de buitenkern is in feite heter dan de binnenkern; de temperaturen kunnen 6.000° Celsius (10.800° Fahrenheit) bereiken – even heet als het oppervlak van de zon.
Hoe we de aardlagen kennen
We kunnen maar een heel klein gedeelte van de aardkorst zien, die zelf maar een klein gedeelte van onze planeet is – dus hoe kunnen we al deze dingen weten?
Welnu, de beste bron van informatie die we hebben zijn seismische golven. Wanneer een aardbeving plaatsvindt, komen er drukgolven vrij die zich vervolgens over de hele planeet verspreiden. Deze golven dragen informatie met zich mee van de lagen waar ze doorheen gaan, waaronder de aardmantel en de kern. Door de voortplanting van golven door de aarde te bestuderen, kunnen wij meer te weten komen over de fysische eigenschappen van het inwendige van de aarde. Sommige golven planten zich bijvoorbeeld alleen voort door vaste media, terwijl andere zich door zowel vaste als vloeibare media voortplanten – zo kunnen zij aantonen of een bepaalde laag al dan niet vast is. Seismische golven bemonsteren smalle stukken van het inwendige van de aarde, zodat wij ook de informatie die zij dragen kunnen isoleren; door verscheidene aardbevingen te analyseren die op verscheidene seismische stations zijn opgenomen, kunnen wij een CAT-scan-achtige analyse van een gebied maken.
Golven buigen en weerkaatsen op grond van de eigenschappen van de omgeving waar zij doorheen gaan, en de snelheid van de golf wordt ook beïnvloed door de omgeving.
Daarnaast hebben moderne simulaties in het lab laten zien hoe mineralen zich waarschijnlijk gedragen bij die temperaturen en drukken, en we hebben ook indirecte gravitatie- en magnetische informatie, alsmede studies over magma en kristallen die aan de oppervlakte zijn gevonden – maar het grootste deel van de informatie komt van de wereldwijde seismologie. Het is gewoon verbazingwekkend dat we, zonder er ook maar in de buurt te komen, zoveel kunnen weten over de lagen van de Aarde.