Das Erdinnere ist heiß, steht unter immensem Druck und ist schneebedeckt. Neue Forschungsergebnisse könnten den Wissenschaftlern helfen, die Kräfte, die auf den gesamten Planeten wirken, besser zu verstehen.
Der Schnee besteht aus winzigen Eisenpartikeln – viel schwerer als jede Schneeflocke auf der Erdoberfläche – die vom geschmolzenen äußeren Kern fallen und sich auf dem inneren Kern auftürmen, wodurch bis zu 320 km dicke Haufen entstehen, die den inneren Kern bedecken. Das Bild mag wie ein außerirdisches Winterwunderland klingen, aber die Wissenschaftler, die die Forschung geleitet haben, sagten, es ist vergleichbar mit der Entstehung von Gestein im Inneren von Vulkanen.
“Der metallische Kern der Erde funktioniert wie eine Magmakammer, die wir eher aus der Kruste kennen”, sagt Jung-Fu Lin, Professor an der Jackson School of Geosciences an der University of Texas in Austin und Mitautor der Studie.
Youjun Zhang, ein außerordentlicher Professor an der Universität Sichuan in China, leitete die Studie. Zu den weiteren Co-Autoren gehören der Student Peter Nelson, der an der Jackson School graduiert ist, und Nick Dygert, ein Assistenzprofessor der University of Tennessee, der die Studie während eines Postdoc-Stipendiums an der Jackson School durchgeführt hat.
Da der Erdkern nicht beprobt werden kann, untersuchen Wissenschaftler ihn, indem sie Signale von seismischen Wellen aufzeichnen und analysieren, während sie die Erde durchqueren. Allerdings haben die Abweichungen zwischen den jüngsten Daten über seismische Wellen und den Werten, die aufgrund des aktuellen Modells des Erdkerns zu erwarten wären, Fragen aufgeworfen. Die Wellen bewegen sich langsamer als erwartet, wenn sie die Basis des äußeren Kerns durchqueren und schneller als erwartet, wenn sie die östliche Hemisphäre des oberen inneren Kerns durchqueren.
Die Studie schlägt den eisernen schneebedeckten Kern als Erklärung für diese Abweichungen vor. Der Wissenschaftler S.I. Braginkskii vermutete Anfang der 60er Jahre, dass zwischen dem inneren und äußeren Kern eine Schlammschicht existiert, aber das vorherrschende Wissen über die Hitze- und Druckbedingungen in der Kernumgebung hat diese Theorie zunichte gemacht. Neue Daten aus Experimenten an kernähnlichen Materialien, die von Zhang durchgeführt und aus der neueren wissenschaftlichen Literatur zusammengetragen wurden, ergaben jedoch, dass eine Kristallisation möglich ist und dass etwa 15% des untersten äußeren Kerns aus eisenbasierten Kristallen bestehen könnten, die schließlich in den flüssigen äußeren Kern fallen und sich auf dem festen inneren Kern absetzen.
“Es ist eine bizarre Sache, darüber nachzudenken”, sagte Dygert. “Man hat Kristalle im äußeren Kern, die über mehrere hundert Kilometer auf den inneren Kern herunterfallen.”
Die Forscher weisen auf die angesammelte Schneedecke als Ursache der seismischen Aberrationen hin. Die schlickerartige Zusammensetzung verlangsamt die seismischen Wellen. Die Variation der Schneehaufengröße – in der östlichen Hemisphäre dünner und im Westen dicker – erklärt die Geschwindigkeitsänderung.
“Die innere Kerngrenze ist keine einfache und glatte Oberfläche, was die Wärmeleitung und die Konvektionen des Kerns beeinflussen kann”.
sagte Zhang.
Das Paper vergleicht den Prozess des Schneiens von Eisenpartikeln mit einem Prozess, der auch im Inneren von Magmakammern, die näher an der Erdoberfläche liegen, stattfindet. Dabei kristallisieren Mineralen aus der Schmelze aus und verkleben miteinander. In den Magmakammern entsteht durch die Verdichtung der Minerale das so genannte “Kumulativgestein”. Im Erdkern trägt die Verdichtung des Eisens zum Wachstum des inneren Kerns und zum Schrumpfen des äußeren Kerns bei.
Angesichts des Einflusses des Kerns auf Phänomene, die den gesamten Planeten betreffen – von der Erzeugung seines Magnetfeldes bis hin zur Abstrahlung der Wärme, die die Bewegung der tektonischen Platten antreibt – könnte ein besseres Verständnis der Zusammensetzung und des Verhaltens des Kerns helfen, die Funktionsweise dieser größeren Prozesse zu verstehen.
Bruce Buffet, ein Professor für Geowissenschaften an der Universität von Kalifornien, Berkley, der das Innere des Planeten untersucht und nicht an der Studie beteiligt war, sagte, dass die Forschung sich mit langjährigen Fragen über das Erdinnere auseinandersetzt und sogar dazu beitragen könnte, mehr über die Entstehung des Erdkerns zu erfahren.
“Wenn wir die Modellvorhersagen mit den anomalen Beobachtungen in Beziehung setzen, können wir Rückschlüsse auf die mögliche Zusammensetzung des flüssigen Kerns ziehen und diese Informationen vielleicht mit den Bedingungen verbinden, die zum Zeitpunkt der Entstehung des Planeten herrschten”, sagte er. “Die Ausgangsbedingung ist ein wichtiger Faktor dafür, dass die Erde der Planet geworden ist, den wir kennen.”
Bruce Buffett
Veröffentlichung: Youjun Zhang et al, Fe Alloy Slurry and a Compacting Cumulate Pile Across Earth’s Inner‐Core Boundary, Journal of Geophysical Research: Solid Earth (2019). DOI: 10.1029/2019JB017792
Quelle: off. Pm der University of Texas at Austin
Titelbildunterschrift: Eine vereinfachte Grafik des Erdinneren, wie es die neue Forschung beschreibt. Die weißen und schwarzen Schichten stellen eine Schlammschicht mit Eisenkristallen dar. Die Eisenkristalle bilden sich in der Schlammschicht des äußeren Kerns (weiß). Diese Kristalle “schneien” bis zum inneren Kern, wo sie sich anhäufen und zu einer darüber liegenden Schicht verdichten (schwarz). Die verdichtete Schicht ist auf der westlichen Hemisphäre des inneren Kerns (W) dicker als auf der östlichen Hemisphäre (E). (Ill.: Universität von Texas an der Austin/Jackson School of Geosciences)
Pia Gaupels
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