Millaista on Maan ytimessä?

29.03.2006

Tieteen suuret kysymykset, osa 2:

Teksti: Eeva Mäkelä

Kukaan ei ole käynyt lähelläkään maapallon ydintä - tutkimuksen kannalta
se on yhtä tavoittamaton kuin kaukainen galaksi. Jalkojesi alla velloo
4 000-asteinen rauta ja kiertävät miljoonien ampeerien sähkövirrat.
Kaikkein sisimpää saattaa löytyä koko planeetan vanhin osa.
Nykytutkijoilla on monta keinoa päätellä ytimen oloja,
mutta turhauttavia arvoituksia riittää.

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2006

Voisi kuvitella, että 6 370 kilometriä olisi meille avaruusajan ihmisille pelkkä pyrähdys. Onhan se alle kaksi sadasosaa etäisyydestämme Kuuhun. Matkustajat ärtyisivät, jos lentokoneen matka Helsingistä Dakariin tai New Delhiin tyssäisi jo ennen kuin olisi päästy Suomenlahden ylle. Suhteessa näin vaatimattomiksi ovat kuitenkin jääneet yrityksemme tunkeutua alaspäin kohti kotiplaneettamme ydintä.

Suomen syvin reikä Outokummussa porautui vaivaiset 2,5 kilometriä maankuoreen, eikä venäläisten maailmanennätysreikä Kuolassa kurottanut kuin kymmenisen kilometriä syvemmälle. Olemme siis taittaneet vajaat 0,2 prosenttia matkasta Maan keskipisteeseen. Aika onneton suoritus.

Luontokaan ei tarjoa ydinnäytteitä. Timanttipitoiset kimberliitit tulevat vain parinsadan kilometrin syvyydestä, eivätkä laavavirrat nouse ytimestä asti.

Siksi nykykäsityksemme ytimen rakenteesta ja oloista perustuvat epäsuoriin päätelmiin. Vinkkejä on saatu muun muassa maanjäristysaaltojen etenemisestä, rautameteoriittien koostumuksesta ja korkeapainelaboratorioiden kokeista (ks. laatikkoa Näin tutkitaan).

Ytimeen ehkä pääsisi sulattamalla

Miksi maapallon ytimen tutkiminen sitten on niin vaikeata, ja kuinka pääsisimme pintaa syvemmälle?
Pomppu avaruuteen on höyhensarjan ponnistus kivimassaan tunkeutumiseen nähden, muistuttaa planeettatutkimuksen professori David Stevenson Kalifornian teknisestä korkeakoulusta Caltechistä. Kiven läpi sinniteltäessä ener¬gian tarve on noin miljardikertainen verrattuna avaruusaluksen tarvitsemaan työntöön. Silti Maan ytimeen porautuminen ei hänen mielestään ole lainkaan mahdotonta - ainakaan teoriassa.

Keväällä 2003 tiedelehti Naturessa julkaistussa kirjoituksessaan Stevenson esittää "vaatimattomaksi" kutsumansa ehdotuksen: räjäytetään maankuoreen 300 metrin syvyinen repeämä ja valutetaan siitä satatuhatta tonnia sulaa rautaa kohti maapallon ydintä.

Rauta vajoaisi omalla painollaan noin viiden metrin sekuntivauhtia. Mukana olisi sondi, joka mittaisi lämpötilaa ja ympäröivän kiviaineksen koostumusta. Sulaan rautaan upotettu mittalaite saavuttaisi viikossa ytimen, ja saisimme ääniaaltojen välityksellä ensi käden raportin Maan keskipisteestä.

Stevensonin vision toteutumista odotellessa voi kerrata, mitä vielä vaatimattomammin keinoin on saatu selville.

Kairaustulos viittaa hurjaan kuumuuteen

Syvyyksiin porautuva havaitsee, että maankuoren lämpötila kohoaa ensimmäisten kymmenen kilometrin matkalla keskimäärin kolme astetta sadalla metrillä. Kaivoksissa tätä ilmiötä on mitattu ainakin 1700-luvun lopulta lähtien.

Nykymittaukset ovat peräisin syvärei’istä. Saksalaisten vuosina 1987-1994 yrittämä ennätyspo¬raus kilpistyi juuri kohoavaan lämpötilaan. Heidän kairanteränsä ylsi tavoitellun 12-14 kilometrin sijasta vain runsaaseen yhdeksään kilometriin, sillä syvemmällä lämpötila yllättäen saavutti huikean 270 celciusasteen lukeman.

Jos kuumenemistahti pysyisi samana, päätyisimme 6 370 kilometrin syvyydessä lähes 200 000-asteisena hohkaavaan ytimeen. Kyllähän tulivuoritoiminta vihjaa siihen, että lämpöä riittää, mutta tuskin planeettamme sisuksissa on sentään kuumempaa kuin Auringon pinnalla.

Järkevämpiä lämpötilan arvioita on saatu selvittämällä, mistä ydin koostuu ja missä olomuodossa se on: kiinteänä vai nesteenä.

Ainakin siellä on nestemäistä rautaa

Jotta ytimen aineista päästään esittämään valistunut arvaus, pitää tuntea planeettamme keskimääräinen tiheys eli massa tilavuusyksikköä kohti.

Tilavuus on helppo johtaa jo antiikin kreikkalaisten tuntemasta Maan ympärysmitasta.

Sen sijaan Maan "punnitusta" piti odottaa aina 1700-luvun lopulle asti, jolloin määriteltiin Newtonin painovoimalain gravitaatiovakio ja laskettiin tiheydeksi 5,5 g/cm³ - hämmentävän paljon maankuoren kiviaineksen keskimääräiseen tiheyteen, 2,75 g/cm³, nähden.

Ytimessä on siis jotakin kiveä painavampaa. Jos nykyteoria planeettojen synnystä pitää paikkansa, eli jos koko aurinkokunta syntyi samaan aikaan ja samoista raaka-aineista, vastaavaa ainetta kuin se, josta Maan ydin muodostui, löytyy rautameteoriiteista. Jo vuonna 1872 esitettiin rautameteoriittien perusteella, että Maan sisässä on suuria määriä nikkelipitoista rautaa, jonka tiheys maanpäällisissä oloissa on 7,9 g/cm³.

Ajatus ytimen rautaisuudesta sai lisävahvistusta maanjäristysaaltojen käyttäytymisestä. Vuonna 1889 seismografi Saksan Potsdamissa rekisteröi maapallon toisella puolella sattuneen maanjäristyksen värähtelyt. Seismiset aallot läpäisivät koko planeetan! Tämän oivalluksen innostamana perustettiin Saksaan Göttingeniin seisminen havainnointiasema ja järistysaaltoja alettiin käyttää maapallon rakenteen tutkimiseen.

Havaittiin, että seismisten aaltojen nopeus kasvaa aina 2 900 kilometrin syvyyteen asti. Aineen tiheys siis kasvaa kohti syvyyksiä, kuten oletettiin. Mutta sitten yhtäkkiä vikkelien P-aaltojen etenemisnopeus lähes puolittuu ja hitaammat S-aallot katoavat kokonaan. Ilmiö sai selityksen vuonna 1906, kun pääteltiin, että 2 900 kilometrin syvyydessä S-aaltojen matka tyssää nesteeseen. Tätä muutospintaa pidetään nyt vaipan ja ytimen rajana.

Yllättäen sisäydin paljastui kiinteäksi

Siinä se, arveltiin 1900-luvun alkupuolella. Mutta ydin ei ollut paljastanut vielä läheskään kaikkia salaisuuksiaan.
Vuonna 1929 Uudessa-Seelannissa sattui suuri maanjäristys. Tanskalainen seismologi Inge Lehmann kirjasi pahvikorteille samalla hetkellä rekisteröityjä seismografien nytkähdyksiä eri puolilta maailmaa. Hänen ällistyksekseen järistykseen olivat reagoineet sellaistenkin tutkimusasemien seismografit, joiden piti sijaita sen katvealueella. Tuloksissa ei vaikuttanut olevan mitään järkeä - paitsi jos P-aallot olivatkin muuttaneet kulkusuuntaansa vielä kerran ytimen sisällä.

Inge Lehmann esitti hypoteesin kiinteästä sisemmästä ytimestä, mutta kukaan ei ensin tahtonut ottaa ajatusta tosissaan.

Lopulta vuonna 1938 yhdysvaltalainen seismologi, maanjäristysten voimakkuusasteikosta tuttu Charles Richter määritti sisemmän ytimen halkaisijan, ja kiinteän sisäytimen olemassaolosta tuli vallitseva käsitys.
Viime vuosina menetelmien tarkennuttua - enää tietoja ei tallenneta kaurapuuropakkauksissa säilytettäville pahvikorteille - sisäytimestä on löydetty yhä uusia hämmentäviä piirteitä.

Nykytietämyksen mukaan ydin koostuu raudasta, johon on sekoittunut hiukan nikkeliä ja mahdollisesti ripaus raskaampia metalleja, kuten kultaa ja platinaa. Pelkästään metallinen ydin olisi kuitenkin liian painava. Siksi oletetaan, että 10-15 prosenttia ytimestä on kevyempiä aineita. Vahvoja ehdokkaita ovat rikki, happi, pii ja typpi sekä uusimpina kandidaatteina ultrakorkeassa paineessa esiintyvät hiilen ja vedyn muodot.

Lämpöarvio saatiin laboratoriokokeista

Ytimen aineesta ja sen rakenteesta on siis saatu jonkinmoinen käsitys. Maanpinnalta katsoen on kuitenkin vaikea arvioida täsmällisesti, mitä raudalle tapahtuu 2 900 kilometriä paksun kivipatjan alla - 3,6 miljoonaa kertaa kovemmassa paineessa.

Siksi ytimen lämpötila-arviot tarkentuivat vasta 1900-luvun viimeisinä vuosikymmeninä, kun tutkijat pääsivät lämmittämään timanttiseen puristimeen ahdistettua rautahitusta infrapunalaserilla nykyaikaisessa korkean paineen laboratoriossa.

Tulosten perusteella maapallon ulkoytimessä velloo 3 200-4 000-asteinen rautasula. Kiinteän sisäytimen arvellaan hohkaavan vielä kuumempana, 4 300 celsiusasteessa.

Kiinteän aineen kovempi kuumuus ehkä tuntuu epäloogiselta mutta selittyy paineen kasvulla keskustaa kohti. Yli 5 000 kilometriä paksun kivi- ja metallipatjan alla raudan sulattamiseen vaaditaan enemmän kuin 4 000 celciusastetta.

Kuumat virtaukset liikuttavat mantereita

Kun alla on kuumaa, miksei kamara polttele varpaitamme? Ytimen lämpö ei juuri pääse vapautumaan johtumalla, sillä kivikerroksessa se etenisi arviolta 400 kilometriä viidessä miljardissa vuodessa. Kivinen maankuori on erinomainen eriste.

Hiukan tehokkaammin ytimen energiaa vapautuu ympäristöön konvektiossa eli kuumenneen kivimassan virtauksissa. Ydin kuumentaa ympäröiviä kiinteitä kivikerroksia kuin liesi vesikattilaa ja saa ne liikkeelle. Tosin näinkin ytimen lämmön nouseminen lähelle pintaa kestää miljoonia vuosia.

Nousevat ja laskevat konvektiovirtaukset liikuttavat maankuoren laattoja myllertämällä niiden alla olevaa vaippaa. Merenpohjan keskiselänteillä syntyy uutta maankuorta, ja laattojen kolareiden tuloksena nousee vuorijonoja. Ei siis voi väittää, ettei sisäinen hehku lainkaan näkyisi ja tuntuisi. Dramaattisimmillaan se näyttäytyy silloin, kun maa järisee tai tulivuori purkautuu.

Ytimen virtaus tuottaa magneettikentän

Myös ytimessä jyllää konvektiovirtaus. Ulomman ytimen rautainen sula virtailee sisemmän ytimen ja sitä viileämmän kivisen vaipan välissä. Maapallon pyöriminen hämmentää virtailua, ja siihen vaikuttaa myös kiinteän ytimen kieppuminen.

Kaikki tämä myllerrys saa sähköä johtavan sulan pyörteilemään niin, että syntyy miljardien ampeerien sähkövirtoja. Ne puolestaan tuottavat Maan magneettikentän. Ytimen uskotaan siis toimivan kuin valtava dynamo, ja ajatusta kutsutaankin geodynamoteoriaksi. Se muotoutui 1900-luvun alkupuoliskolla.
Viime vuosina geodynamoteorialle on saatu kokeellisia todisteita. Latviassa ja Saksassa on laboratoriossa synnytetty sulan metallin avulla magneettikenttiä.

Kaoottisuus siirtää magneettinapoja

Maapallon magneettikenttä on jatkuvassa muutostilassa. Sadan viime vuoden aikana pohjoinen magneettinapa on siirtynyt kiihtyvällä vauhdilla kohti luodetta - viime vuosina 40 kilometriä vuodessa. Lisäksi pohjoinen ja eteläinen magneettinapa vaihtavat ajoittain paikkaa. Tämä tiedetään kallioperään jähmettyneiden magneettisten mineraalien kiteytymissuunnista, jotka eivät aina vastaa nykyisen kentän suuntaa.

Voidakseen seurata näiden ilmiöiden kehittymistä satojentuhansien vuosien kuluessa ja aprikoida muutosten syitä tutkijoiden pitää mallintaa niitä matemaattisesti. Ensimmäisen geodynamon toimintaa ristiriidattomasti kuvaavan tietokonesimulaation loi geofyysikko Gary Glatzmaier kollegoineen Kalifornian yliopistossa vuonna 1995.

Tutkimustensa perusteella Glatzmaier veikkaa, että avain magneettikentän heilahteluihin löytyy ulkoytimen ja vaipan rajapinnalta. Ailahtelut lämmön johtumisessa rajan yli vaikuttavat ulkoytimen lämpötalouteen, ja nämä muutokset heijastuvat magneettikenttään. Ulommassa ytimessä poreilee kaoottinen keitos.

Kaoottiselta vaikuttaa myös sisäytimen pyörintä. Vuonna 1996 Xiadong Song ja Paul Richards yhdysvaltalaisesta Columbian yliopistosta vahvistivat simulaation pohjalta esitetyn väitteen, jonka mukaan sisäydin pyörähtää omassa tahdissaan. Viimevuotisten tarkistuneiden arvioiden mukaan se kiepahtaa akselinsa ympäri keskimäärin 0,5 astetta nopeammin kuin muu maapallo. Mallinnuksen perusteella arvellaan, että sisäytimen kiiruhtaminen johtuu magneettisesta kytköksestä. Se yhdistää sisäytimen sellaisiin ulkoytimen virtauksiin, jotka ovat Maan pyörimisen suuntaisia.

Tätä vauhtia sisäydin ohittaa pinnan asukit kierroksella 900 vuodessa. Kaiken lisäksi sisäytimen kierrosakseli on 10 astetta kallellaan Maan akseliin nähden.

Lämpö perua Maan syntyajoilta

Kuumuus, jonka ansiosta ydin virtaa ja kieppuu, on pääosin peräisin aurinkokunnan syntyajoilta. Planeettojen muodostuessa niiden kiertoradoilla kuljeksi kaikenkokoista tavaraa. Niistä pieni Maa-alkiokin sai lisää massaa, ja samalla törmäysten lämpö sulatti planeetan rakennusaineet tasaiseksi magmapuuroksi.

Vähitellen tiheyksiltään erilaiset aineet alkoivat erottua omiksi kerroksikseen. Magmamerissä rautapisarat ilmeisesti erkanivat muusta sulasta ja vajosivat syntymässä olevan planeetan ytimeen, jolloin kevyemmät kiviset ainekset jäivät pintakerroksiin. Kun törmäykset sitten harventuivat ja loppuivat, Maa alkoi jäähtyä.
Ytimessä hidas jäähtyminen jatkuu edelleen. Sen myötä sulasta ulommasta ytimestä kerrostuu koko ajan lisää rautaa kiinteän sisemmän ytimen ympärille. Kiinteä rautapallo siis kasvaa. Samalla jähmettymisestä vapautuu energiaa yhtä paljon kuin saman rautamäärän sulattamiseen tarvitaan.

Uutta lämpöä voi tulla myös radioaktiivisten aineiden hajoamisesta: ytimessä arvellaan olevan radioaktiivista kaliumia. Sandiegolainen geofyysikko J. Marvin Herndon jopa hellii ajatusta maapallon sisäisestä valtavasta uraanireaktorista, mutta hänen ideansa ei ole saavuttanut laajaa kannatusta.

Sisin ydin ehkä Kuun sukua

Kaikkein sisimmässä ytimessä saattaa olla vielä yksi muisto planeettamme syntyhistoriasta.

Tutkijoita on pitkään askarruttanut, miksi maanjäristyksen kimmoaallot läpäisevät ytimen nopeammin pohjois-etelä- kuin itä-länsi-suunnassa. Jostakin syystä sisäydin ilmeisesti on rakenteeltaan epätasainen.

Selitystä on haettu tutkimalla raudan käyttäytymistä korkeapainelaboratorioissa mahdollisimman ydinmäisissä oloissa. Niissä rauta pakkaantuu tiiviiksi kiteiksi, ja kiteiden voimakas suuntautuneisuus voi vaikuttaa järistysaaltojen vauhtiin.

Toisen, täydentävän selityksen tarjoavat yhdysvaltalaisen Harvardin yliopiston Miaki Ishii ja Adam Dziewonski. He uskovat, että sisäytimen keskellä on 600-kilometrinen sisin ydin. Ajatusta tukee se, että muut tutkijat ovat havainneet sisäytimessä kerrosrakenteita. Sisin ydin saattaa olla planeettamme vanhin muuttumaton osa, Dziewonski arvelee ja viittaa teoriaan Kuun synnystä.

Uskotaan nimittäin, että noin 4,5 miljardia vuotta sitten sattui viimeinen suuri rysäys, jossa alku-Maahan iskeytyi Marsin kokoinen kappale. Kolari höyrysti Maan pintakerrokset ja sinkosi kiviainesta Maata kiertävälle radalle Kuun aineksiksi. Maan painovoima kuitenkin pidätti törmääjästä vapautuneen painavan metallin, joka vajosi sulana kohti Maan keskipistettä ja kertyi jo aiemmin muodostuneen ytimen ympärille.

Teorian mukaan Maan ydin olisi siis kehittynyt kahdessa vaiheessa ja saanut toisessa vaiheessa taivaallisen rautalisän. Näin selittyisi se, miksi Maa on naapureitaan tiheämpi järkäle ja miksi Kuussa on niin vähän rautaa.

Nyt ydintä läpivalaistaan monin keinoin

Tiedoissa riittää yhä tarkentamista, mutta onneksi keinotkin paranevat. Viime vuosina Maan ytimen toiminnasta on tietokoneiden tehostuttua luotu yhä todenmukaisempia matemaattisia malleja. Lisäksi tietokonelaskennalla vanhoistakin seismisistä havainnoista on saatu lisätietoja ytimen hienorakenteesta.

Entistä tarkempia tuloksia lupaa moderni seisminen tomografia. Siinä kymmenet eri puolille maapalloa sijoitetut anturit vastaanottavat maanjäristysaaltoja samaan aikaan. Kun anturiverkon tallenteita sitten käsitellään tietokoneessa, Maan sisärakenteesta saadaan kolmiulotteinen kuva samaan tapaan kuin lääketieteellisessä tomografiassa ihmisen elimistä.

Ytimen magneettikentän yksityiskohdista saadaan puolestaan tomografiatietoa magneettikenttää mittailevien satelliittien avulla. Myös uusia hankkeita on vireillä.

- Uusilla satelliiteilla varmistunee se, kuinka paljon ytimessä on jo kääntynyttä magneettikenttää ja onko kääntyminen vahvistumassa vai heikkenemässä, arvioi Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikkö Heikki Nevanlinna.

Uutta apuvälinettä ytimen tutkimiseen kaavaillaan myös neutrii¬nomittauksista. Parhaillaan kansainvälinen tutkimusryhmä mittaa Japanissa sijaitsevalla neutriinoilmaisimella Maan sisäistä radioaktiivisuutta. Neutriinot, joita syntyy radioaktiivisessa hajoamisessa, kiitävät vaivatta planeetan läpi.

Käsitys koostumuksesta muuttuu vielä

Tätä nykyä avainasemassa ytimen tutkimuksessa ovat kuitenkin korkean paineen laboratoriot, korostaa Helsingin yliopiston geofysiikan professori Lauri J. Pesonen. Niissä voi kokeellisesti tarkistaa oletuksia ytimen koostumuksesta ja sen aineiden rakenteesta sekä ytimen ja vaipan rajan tapahtumista.

- Korkean paineen tutkimus on jo tuonut rajuja yllätyksiä mineraalien uusista muodoista, Pesonen kertoo. - Rikin, hapen ja hiilen roolia tutkitaan, ja uskon, että käsitys ytimen koostumuksesta tulee muuttumaan.
Tulevaisuuden kuumista kysymyksistä polttavimpina Pesonen pitää neutriinotutkimuksen lisäksi ytimen roolia magneettikentän ylläpidossa, ytimen pyörähdysliikkeen ymmärtämistä sekä tapahtumia ytimen ja vaipan rajapinnalla.

Alan tutkimusta herätellään Suomessakin. - Tulevaisuudensuunnitelmissamme on monitieteisen korkeapainetutkimuslaboratorion perustaminen, muotoilee professori Keijo Hämäläinen Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksesta. - Kumpulan kampuksella on merkittävä geotieteellinen osaamiskeskittymä. Voimme yhdistää fysiikan ja kemian perustutkimuksen moderneinta osaamista geologian vaikeimpiin ongelmiin, kuten maapallon ytimen tutkimukseen.

Ydinmatka jää toistaiseksi utopiaksi

Ytimen epäsuora tutkailu siis jatkuu. Alussa mainittu David Stevensonin idea matkasta Maan keskipisteeseen jää toistaiseksi utopiaksi. Ajatus kaatuu käytännön toteutukseen: meiltä puuttuu tarvittava tekniikka.
Tällainen tekninen ongelma on kuitenkin vaatimaton tähänastisiin avaruuden tutkimushankkeisiin verrattuna, Stevenson kirjoittaa Naturessa.

Myöhemmässä Geotimes-lehden haastattelussa hän korostaa, että Nature-artikkelin tarkoituksena oli huumorin varjolla ravistella tiedeyhteisöä ja herättää keskustelua.

Katsotaan, kuinka käy. Onhan tähtitieteellisten yksiköiden kertaluokkaan verrattuna turhauttavaa todeta, että olemme vain 6 370 kilometrin päässä täydestä varmuudesta siitä, mitä jalkojemme alla piilee.

Eeva Mäkelä on Saksassa asuva filosofian tohtori, geologi ja vapaa toimittaja.

Näin tutkitaan

- Seismisistä aalloista on saatu pääosa nykytiedoistamme maapallon ytimestä. Maanjäristyksen aiheuttama kimmoinen aaltoliike etenee järistyskeskuksesta kaikkiin suuntiin, mutta aaltojen etenemisnopeus muuttuu tiheyksiltään erilaisten aineiden rajapinnoilla. Aallot myös heijastuvat ja taittuvat. Maan rakennetta selvitetään seuraamalla kahden erityyppisen perusaallon etenemisnopeuksia ja reittejä Maan läpi. Primaarit eli P-aallot ovat nopeampia kuin sekundaarit S-aallot, eivätkä S-aallot etene nesteissä. Aaltojen perusteella on määritetty maapallon sisäisten kerrosten rajapintoja ja myös kerrosten rakennetta.

- Meteoriitit antavat käsityksen siitä, mistä ydin koostuu. Rautameteoriitti on tavallaan kuin näyte Maan ytimestä, jos oletetaan, että aurinkokunnassa kaikki on koostunut samoista rakennusaineista ja että teoria sulan rautapitoisen aineksen vajoamisesta ytimeen maapallon syntyaikoina pitää paikkansa. Meteoriittien avulla voi myös selvittää ytimen syntymistä ja alkumaapallon raskaiden ja kevyiden aineiden erkanemista.

- Painovoimakentän vaihtelut sekä Maan laajeneminen päivätasaajalla ja vaappuminen kiertoradalla kertovat aineen jakautumisesta Maan sisuksissa.

- Magneettikentän muutokset antavat epäsuoraa tietoa ytimen tapahtumista. Nykytilannetta seurataan satelliittimittauksin. Muinaisia muutoksia jäljitetään tutkimalla kivien ja sedimenttien magneettisia mineraaleja.

- Tietokonesimulaatioita tehdään matemaattisilla malleilla, jotka jäljittelevät Maan uumenien fysikaalisia ilmiöitä. Uusien supertietokoneiden laskukapasiteetin ansiosta mallit vastaavat todellisuutta yhä tarkemmin. Esimerkiksi Maan magneettikentän muutosten syitä selvitellään laskemalla, miten rautasula virtailee ulkoytimessä.

- Korkean paineen laboratorioissa tutkitaan esimerkiksi, mistä aineista ydin voi koostua ja millaisessa muodossa aineet siellä ovat. Näin selvitetään ytimen ja koko maapallon syntyä.

- Neutriinoilmaisimilla havainnoidaan radioaktiivisessa hajoamisessa Maan sisässä syntyneitä neutriinoja. Tästä toivotaan apua ytimen rakenteen kartoitukseen.

Näin tieto tarkentui

1600 englantilainen William Gilbert esittää, että Maa on suuri magneetti.
1687 englantilainen Isaac Newton julkaisee gravitaatiolain muttei esitä kokeellista tarkkaa arvoa gravitaatiovakiolle.
1699 englantilainen Edmund Halley tekee ensimmäinen magneettisen tutkimuksen. Halleyn mukaan Maan sisus koostuu sisäkkäisistä magneettisista kehistä, joista jotkin pyörivät epätahtiin toisten kanssa.
1749 saksalainen Gottfried Wilhelm Leibniz selittää, että Maa oli aluksi sula ja kivet syntyivät jäähtymisen myötä.
1765 ranskalainen Jean Jacques D’Ortous de Mairan päättelee, että Maalla on sisäinen lämmönlähde.
1798 englantilainen Henry Cavendish määrittelee gravitaatiovakion sekä "punnitsee" maapallon ja laskee sen tiheyden. Tiheys, 5,5 kertaa veden tiheys, on suurempi kuin kiven, joten ytimen pitää koostua sitä tiheämmästä aineesta.
1832 saksalainen Paul Erman mittaa Maan magneettikentän.
Saksalaisen Alexander von Humboldtin aloitteesta aletaan perustaa maailmanlaajuista magneettisten observatorioiden verkostoa. Helsinkiin vuonna 1838 perustettu observatorio on nykyiseltä nimeltään Ilmatieteen laitos.
1872 saksalainen Carl Rammelsberg toteaa meteoriittien perusteella, että Maan ytimessä on rautaa.
1889 saksalainen Ernst von Rebeur-Paschwitz havaitsee, että seismiset aallot läpäisevät maapallon.
1900-luvun alussa Emil Wiechertin ryhmä Saksan Göttingenissä parantaa seismografia ja alkaa tutkia maapallon rakennetta seismologisin menetelmin. Wiechertiä pidetään seismologian isänä.
1904 uusiseelantilainen Ernest Rutherford esittää, että radioaktiivisuus kuumentaa Maan sisuksen. Radioaktiivisuuden avulla määritetään Maan ikä.
1906 brittiläinen Richard Dixon Oldham ehdottaa, että Maalla on nestemäinen ydin.
1906 ranskalainen Bernhard Brunhes löytää kiviä, joihin on tallentunut napaisuudeltaan nykyiseen nähden vastakkainen magneettikenttä. Hän päättelee, että Maan magneettikenttä on joskus kääntynyt.
1912 saksalainen Beno Gutenberg laskee, että vaipan ja ytimen rajapinta on 2 900 kilometrin syvyydessä.
1936 tanskalainen Inge Lehmann julkaisee tutkimusartikkelin sisemmän ytimen löytymisestä.
1939 saksalais-amerikkalainen Walter Maurice Elsasser ehdottaa, että Maan magneettikentän tuottaa nestemäisen rautaytimen virtailu. Häntä pidetään geodynamoteorian isänä.