แกนโลกชั้นในยังเป็นของแข็งแม้อุณหภูมิใกล้เคียงผิวดวงอาทิตย์

โลหะที่ร้อนจนแทบละลายแต่ยังคงรูปเป็นของแข็ง

ใจกลางโลกอยู่ลึกลงไปประมาณ 6,371 กิโลเมตร ใต้ชั้นหินทุกชั้น ใต้มหาสมุทร และใต้พื้นทวีปที่มนุษย์อาศัยอยู่ บริเวณนั้นมีอุณหภูมิสูงระดับหลายพันองศาเซลเซียส ค่าประมาณของแกนโลกชั้นในอยู่ราว 5,000–6,000 องศาเซลเซียส ใกล้เคียงกับชั้นโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ที่มีค่าประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส

ฟังดูเหมือนเหล็กกับนิกเกิลควรละลายกลายเป็นมหาสมุทรโลหะ แต่โครงสร้างของโลกแบ่งแกนกลางออกเป็นสองส่วน แกนกลางชั้นนอกเป็นของเหลว ส่วนแกนกลางชั้นในยังเป็นของแข็ง รูปร่างโดยรวมคล้ายลูกบอลโลหะขนาดใหญ่ที่จมอยู่กลางโลก ความขัดแย้งระหว่างความร้อนกับสถานะของแข็งจึงเปิดประตูไปสู่ฟิสิกส์สุดขั้ว

ความดันจากมวลโลกกดทับจนโลหะเปลี่ยนจุดหลอมเหลว

สาเหตุสำคัญไม่ได้มาจากแรงดันบรรยากาศในความหมายของอากาศรอบพื้นผิว แต่เกิดจากน้ำหนักของสสารทั้งหมดที่วางซ้อนกันเหนือแกนโลก หิน แมนเทิล และชั้นแกนโลกส่วนบนรวมกันเป็นมวลมหาศาล ยิ่งลึกลงไป แรงกดจากทุกทิศทางยิ่งเพิ่มขึ้น บริเวณศูนย์กลางโลกจึงมีความดันระดับหลายล้านเท่าของความดันอากาศบนพื้นผิว

เมื่อความดันสูง อะตอมเหล็กจะอยู่ใกล้กันมากขึ้น การทำให้โครงผลึกแตกออกจากตำแหน่งเดิมจึงต้องใช้พลังงานมากกว่าเดิม จุดหลอมเหลวของเหล็กและโลหะผสมในแกนโลกจึงเลื่อนสูงขึ้นตามความดัน แม้อุณหภูมิจะร้อนมาก แต่ความร้อนยังไม่มากพอจะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวของโครงผลึกในแกนกลางชั้นในได้

ภาพเปรียบเทียบง่าย ๆ คือหม้อแรงดัน น้ำภายในรับอุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียสก่อนเดือด เพราะความดันภายในเพิ่มขึ้น แกนโลกซับซ้อนกว่าอย่างมาก แต่หลักพื้นฐานคล้ายกัน ความดันสามารถเลื่อนเส้นแบ่งระหว่างของแข็งกับของเหลว

แกนโลกไม่ได้เป็นเหล็กบริสุทธิ์ทั้งก้อน

คำว่าเหล็กและนิกเกิลช่วยให้เห็นภาพองค์ประกอบหลัก แต่แกนโลกมีโลหะผสมและธาตุเบาอื่นร่วมอยู่ด้วย เช่น กำมะถัน ออกซิเจน ซิลิกอน และคาร์บอน ส่วนผสมเหล่านี้มีผลต่อความหนาแน่น จุดหลอมเหลว และการไหลตัวของแกนกลางชั้นนอก

แกนกลางชั้นในมีแรงกดสูงกว่าแกนกลางชั้นนอก จึงรักษาโครงสร้างของแข็งเอาไว้ได้ แม้อุณหภูมิจะสูงขึ้นเมื่อเข้าใกล้ศูนย์กลาง อะตอมยังสั่นจากพลังงานความร้อน เพียงแต่ตำแหน่งเฉลี่ยยังเรียงตัวเป็นโครงผลึกและไม่ไหลผ่านกันเหมือนของเหลว

บริเวณรอยต่อระหว่างแกนชั้นในกับแกนชั้นนอกมีอุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบทางเคมีเปลี่ยนไปพร้อมกัน โลหะบางส่วนสามารถแข็งตัวบนแกนชั้นใน ขณะที่ส่วนอื่นยังคงเป็นของเหลว กระบวนการนี้ช่วยขับเคลื่อนการหมุนเวียนของโลหะเหลวในชั้นนอก

หลักฐานไม่ได้มาจากการเจาะลงไปถึงแกนโลก

มนุษย์ยังเจาะหลุมได้เพียงระดับเปลือกโลก จึงใช้คลื่นไหวสะเทือนจากแผ่นดินไหวเป็นเครื่องมือสำรวจ คลื่นพีเดินทางผ่านของแข็งและของเหลวได้ ส่วนคลื่นเอสเดินทางผ่านของเหลวไม่ได้ เมื่อคลื่นเปลี่ยนความเร็ว หักเห หรือหายไปในบางบริเวณ รูปแบบนั้นจะเผยให้เห็นขอบเขตของแกนกลางแต่ละชั้น

การเดินทางของคลื่นพีผ่านแกนโลกชั้นในสนับสนุนแนวคิดว่าแกนส่วนนี้มีพฤติกรรมแบบของแข็ง ขณะที่การหายไปของคลื่นเอสในแกนกลางชั้นนอกแสดงว่าบริเวณนั้นเป็นของเหลว ข้อมูลจากแผ่นดินไหวหลายทวีปและการคำนวณแบบจำลองจึงประกอบกันเป็นภาพโครงสร้างโลก แม้ไม่มีเครื่องมือใดเดินทางลงไปถึงสถานที่จริง

โลหะเหลวในแกนกลางชั้นนอกหมุนเวียนตามการหมุนของโลกและความแตกต่างของอุณหภูมิ การเคลื่อนที่ของโลหะนำไฟฟ้าสร้างกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ สนามนี้ช่วยเบี่ยงเบนอนุภาคพลังงานจากดวงอาทิตย์

แกนกลางชั้นในแข็งแต่ยังมีการเคลื่อนไหว

คำว่าแข็งในธรณีฟิสิกส์ไม่ได้แปลว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลง แกนโลกชั้นในค่อย ๆ เติบโตจากการแข็งตัวของโลหะเหลวที่ขอบด้านนอก การขยายตัวในระดับเล็กมากและการถ่ายเทความร้อนส่งผลต่อการไหลเวียนของแกนกลางชั้นนอก กระบวนการเหล่านี้เกิดช้ามากเมื่อเทียบกับอายุมนุษย์ แต่มีความสำคัญต่อสนามแม่เหล็กโลก

แกนโลกชั้นในอาจหมุนด้วยอัตราแตกต่างจากพื้นผิวเล็กน้อย งานวิจัยใช้คลื่นไหวสะเทือนและแบบจำลองการหมุนเพื่อติดตามความเปลี่ยนแปลง รายละเอียดบางส่วนยังมีข้อถกเถียง เพราะการวัดจากระยะไกลต้องอาศัยข้อมูลทางอ้อม แต่ภาพใหญ่สอดคล้องกันว่าแกนโลกเป็นระบบโลหะหลายชั้นที่ร้อน หนาแน่น และเคลื่อนตัวตลอดเวลา

ความร้อนไม่ได้เป็นตัวกำหนดสถานะเพียงอย่างเดียว

บนพื้นผิวโลก การตัดสินว่าเหล็กเป็นของแข็งหรือของเหลวมักดูจากอุณหภูมิเป็นหลัก เพราะความดันเปลี่ยนไม่มาก แต่ในศูนย์กลางโลกต้องพิจารณาอุณหภูมิและความดันพร้อมกัน อุณหภูมิสูงพยายามทำให้โครงผลึกคลายตัว ส่วนความดันสูงพยายามบีบอะตอมให้อยู่รวมกัน ความสมดุลระหว่างสองปัจจัยนี้ทำให้แกนกลางชั้นในยังรักษาสถานะของแข็งได้

เรื่องนี้จึงไม่ได้แปลว่าแกนโลกเย็นกว่าผิวดวงอาทิตย์เสมอไป และไม่ได้หมายความว่าโลหะทั้งแกนกลางเป็นก้อนแข็งทั้งหมด ค่าประมาณอุณหภูมิของแกนโลกชั้นในกับชั้นโฟโตสเฟียร์มีช่วงใกล้เคียงกัน แต่สภาพทางกายภาพแตกต่างกันสิ้นเชิง แกนโลกอยู่ภายใต้แรงกดจากมวลของดาวเคราะห์ ส่วนชั้นสว่างของดวงอาทิตย์เป็นพลาสมาร้อน

ภาพของเหล็กที่ร้อนระดับผิวดวงอาทิตย์แต่ยังแข็งอยู่กลางโลกจึงเป็นผลจากกฎเดียวกันภายใต้เงื่อนไขสุดขั้ว ความร้อนกำหนดพลังงานของอะตอม ความดันกำหนดระยะห่างและจุดหลอมเหลว และแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวช่วยให้มนุษย์มองเห็นโครงสร้างที่ไม่มีใครเดินทางไปสัมผัสโดยตรง