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Dienstag, 06.12.2016
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Diskrepanz im Erdkern

Widersprüchliche Werte zur Wärmeleitfähigkeit werfen Fragen zum Geodynamo auf

Seit wann gibt es den inneren, festen Erdkern? Und seit wann existiert das Erdmagnetfeld? Zwei Experimente verschiedener Forschergruppen liefern dazu im Fachmagazin "Nature" widersprüchliche Ergebnisse. Während die einen für das Kerneisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit ermittelten, was für einen alten Geodynamo spricht, kommen die anderen auf deutlich abweichende Werte.
Querschnitt durch die Erde, kombiniert mit den Feldlinien des Erdmagnetfelds

Querschnitt durch die Erde, kombiniert mit den Feldlinien des Erdmagnetfelds

Das lebenswichtige Magnetfeld der Erde entsteht durch die Wechselwirkung von Strömungen des flüssigen äußeren Eisenkerns mit dem festen inneren Kern. Temperaturunterschiede zwischen Kern und Mantel treiben die Konvektion im flüssigen Erdkern an und bilden so den Motor für diesen Geodynamo. Daraus folgt, dass der Dynamo erst angelaufen sein kann, als der innere Erdkern fest wurde – und wann das geschah, hängt vor allem von der Wärmeleitfähigkeit des Eisens im Kern ab.

Widerspruch von Alter und Leitfähigkeit


Das Problem dabei: Wie gut Eisen unter den extremen Bedingungen des Erdkerns die Wärme leitet, lässt sich nicht direkt messen. Bisher mussten Forscher daher vor allem auf theoretische Berechnungen zurückgreifen, aber deren Ergebnisse sind widersprüchlich und lassen sich teilweise nur schwer mit geologischen Beobachtungen vereinbaren.

So ermittelten einige Forscher eine hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 150 Watt pro Meter pro Kelvin für das Kerneisen. Wenn das jedoch stimmt, hätte der Geodynamo erst vor etwa einer Milliarde Jahren anlaufen dürfen. Die Existenz des Erdmagnetfelds lässt sich jedoch anhand von altem Gestein mindestens 3,4 Milliarden Jahre zurückverfolgen.


Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wurde das Eisen in einer Diamantstempelzelle auf Kernbedingungen komprimiert und erhitzt.

Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wurde das Eisen in einer Diamantstempelzelle auf Kernbedingungen komprimiert und erhitzt.

Eisenfolie in der Stempelzelle


Um diesen Widerspruch aufzulösen, haben Zuzana Konôpková vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg und ihre Kollegen in einem Hochdruck-Experiment die Wärmeleitfähigkeit von Eisen unter Kernbedingungen gemessen. "Wir pressten eine dünne Eisenfolie in der Diamantstempelzelle mit einem Druck von 130 Gigapascal zusammen", erläutert Konôpková.

Gleichzeitig wurde das Eisen durch zwei Infrarotlaser auf bis zu 2.700 Grad Celsius aufgeheizt – was den Bedingungen im Kern entspricht. Mit einem dritten Laser erzeugten die Forscher dann einen winzigen Hitzepunkt an einer Seite der Eisenfolie. "Die folgende Temperaturentwicklung beobachteten wir von beiden Seiten der Folie mit einer optischen Streifenkamera", so Konôpková. Dadurch ließ sich die Wärmeleitfähigkeit des Eisens unter diesen Extrembedingungen bestimmen.

Kern doch älter als gedacht?


Das Ergebnis: "Wir haben sehr niedrige Werte von 18 bis 44 Watt pro Meter pro Kelvin (W/m/K) für die Wärmeleitfähigkeit gemessen", berichtet Konôpková. Diese Werte seien in guter Übereinstimmung mit Messungen des Widerstands von Eisen unter Kernbedingungen, widersprächen aber den theoretischen Berechnungen deutlich.

Sollte sich die niedrige Wärmleitfähigkeit des Kerneisens bestätigen, könnte dies bedeuten, dass der innere Erdkern weitaus früher entstand, als es erst vor kurzem Forscher auf Basis von Modellen und einem Experiment ermittelt hatten. Der feste Erdkern und der irdische Geodynamo könnten dann schon in der Frühzeit der Erde bestanden haben.

Widerspruch aus Japan


Dummerweise jedoch hat ein ähnliches Experiment nahezu zur gleichen Zeit deutlich andere Werte ergeben. Das Forscherteam um Kenji Ohta vom Tokyo Institute of Technology ermittelten in ihrem Hochdruck-Versuch den elektrischen Widerstand von Eisen unter den Bedingungen des Erdkerns. Aus ihren Ergebnissen leiten sie eine Wärmeleitfähigkeit des Kerneisens von 90 W/m/K ab, wie sie nun in einem parallel erscheinenden Artikel in "Nature" berichten.

Damit gibt es nun zwar experimentelle Ergebnisse für diesen so entscheidenden Wert – aber diese sind genauso widersprüchlich wie die theoretischen Modelle und Berechnungen. "Der Teufel steckt hier im Detail", betont David Dobson vom University College London in einem begleitenden Kommentar. "Diese Diskrepanz bedeutet einen großen Unterschied dafür, wann der innere Kern sich bildete und die Erde damit ein stabiles magnetisches Feld erhielt."

Das schützende Magnetfeld der Erde könnte demnach bereits vor gut drei Milliarden entstanden sein, oder aber erst vor 700 Millionen Jahren. Welches Szenario stimmt, werden nun wohl noch weitere Experimente und Modele ergründen müssen. (Nature, 2016; doi: 10.1038/nature18009; doi: 10.1038/nature17957)
(DESY, Carnegie Institution, Nature, 02.06.2016 - NPO)
 
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