Ist der Erdkern unausgeglichen? Etwas Seltsames passiert auf unserem Planeten

Ein Schnitt aus dem Untergrund zeigt, dass der feste, feste innere Kern (rot) langsam wächst, indem der äußere Kern aus flüssigem Eisen (orange) erstarrt. Durch den inneren Erdkern zwischen Nord- und Südpol (blaue Pfeile) wandern seismische Wellen schneller als durch den Äquator (grüner Pfeil). Die Forscher schließen daraus, dass dieser Unterschied der seismischen Wellengeschwindigkeit mit der Richtung (Anisotropie) aus einer bevorzugten Ausrichtung der sich entwickelnden Kristalle – hexagonal gepackten Eisen-Nickel-Legierungen, die selbst anisotrop sind – parallel zur Rotationsachse der Erde resultiert. Bildnachweis: Zeichnung von Daniel Frost

Ein Modell, das zeigt, wie der innere Kern der Erde zu festem Eisen erstarrte, deutet darauf hin, dass er möglicherweise nur 500 Millionen Jahre alt ist.

Aus unbekannten Gründen wächst der feste Eisenkern der Erde schneller als die andere Seite, und zwar seit er vor mehr als einer halben Milliarde Jahren aus geschmolzenem Eisen zu erstarren begann, so eine neue Studie von Erdbeben-Seismologen. Universität von Kalifornien, Berkeley.

Das schnellere Wachstum unter der Bandasee in Indonesien ließ den Kern nicht aus dem Gleichgewicht. Die Schwerkraft verteilt gleichmäßig neues Wachstum – Eisenkristalle, die sich bilden, wenn geschmolzenes Eisen abkühlt –, um einen kugelförmigen inneren Kern zu erhalten, der im Radius mit einer Geschwindigkeit von 1 Millimeter pro Jahr wächst.

Aber das verstärkte Wachstum auf der einen Seite deutet darauf hin, dass etwas im äußeren Erdkern oder Erdmantel unter Indonesien die Wärme schneller aus dem inneren Kern entfernt als auf der anderen Seite, unter Brasilien. Eine schnellere Abkühlung auf einer Seite würde die Kristallisation von Eisen und das Wachstum des inneren Kerns auf dieser Seite beschleunigen.

Dies hat Auswirkungen auf das Erdmagnetfeld und seine Geschichte, denn Konvektion im äußeren Kern, angetrieben durch die Freisetzung von Wärme aus dem inneren Kern, treibt heute den Dynamo an, der das Magnetfeld erzeugt, das uns vor gefährlichen Partikeln der Sonne schützt.

Ein neues Modell für Seismologen der University of California, Berkeley, legt nahe, dass der innere Erdkern auf ihrer östlichen (linken) Seite schneller wächst als auf ihrer westlichen Seite. Die Schwerkraft gleicht das asymmetrische Wachstum aus, indem sie Eisenkristalle in Richtung der Nord- und Südpole (Pfeile) schiebt. Dadurch wird die Längsachse der Eisenkristalle tendenziell entlang der Rotationsachse des Planeten ausgerichtet (gestrichelte Linie), was die unterschiedlichen Laufzeiten seismischer Wellen durch den inneren Kern erklärt. Bildnachweis: Lasplace nautische Zeichnung

„Wir geben ziemlich lockere Grenzen für das Alter des inneren Kerns an – zwischen einer halben Milliarde und 1,5 Milliarden Jahren -, die bei der Diskussion darüber nützlich sein könnten, wie das Magnetfeld erzeugt wurde, bevor der feste innere Kern existierte“, sagte er. Barbara Romanovich, UC Berkeley Graduate School Professorin im Department of Earth and Planetary Sciences und emeritierte Direktorin des Berkeley Seismological Laboratory (BSL). „Wir wissen, dass das Magnetfeld bereits vor etwa 3 Milliarden Jahren bestand, also müssen damals andere Prozesse die Konvektion im äußeren Kern angetrieben haben.“

Das junge Alter des inneren Kerns zu Beginn der Erdgeschichte kann bedeuten, dass die Siedewärme des flüssigen Kerns von leichten Elementen stammt, die sich vom Eisen dissoziieren, und nicht von der Kristallisation von Eisen, die wir heute sehen.

„Die Debatte über das Alter des inneren Kerns wird schon seit längerer Zeit geführt“, sagt Daniel Frost, stellvertretender Projektwissenschaftler an der BSL, „die Komplexität ist: Wenn der innere Kern erst seit 1,5 Milliarden Jahren existieren kann, Basierend auf dem, was wir darüber wissen, wie es Wärme verliert und wie heiß es wird, ist es Woher kam das uralte Magnetfeld? Daraus entstand die Idee von geschmolzenen Lichtelementen, die dann erstarren.“

eisernes eisen

Das asymmetrische Wachstum des inneren Kerns erklärt ein drei Jahrzehnte altes Rätsel – dass kristallisiertes Eisen im Kern bevorzugt entlang der Erdrotationsachse ausgerichtet erscheint, mehr im Westen als im Osten, während man erwarten würde, dass Kristalle zufällig sind.

Beweise für diese Ausrichtung liefern Messungen der Latenz von seismischen Wellen von Erdbeben durch den inneren Kern. Seismische Wellen breiten sich in Richtung der Nord-Süd-Rotationsachse schneller aus als entlang des Äquators, eine Asymmetrie, die Geologen den asymmetrischen Eisenkristallen zuschreiben, deren lange Achsen vorzugsweise entlang der Erdachse ausgerichtet sind.

Wenn der Kern aus massivem kristallinem Eisen besteht, wie sind die Eisenkristalle vorzugsweise in eine Richtung orientiert?

Um die Beobachtungen zu erklären, erstellten Frost und Kollegen Maren Lasplace von der Universität Nantes in Frankreich und Brian Chandler und Romanovich von der University of California, Berkeley, ein Computermodell des Kristallwachstums im inneren Kern, das geodynamische Wachstumsmodelle und Mineralophysik des Eisens. Bei hohem Druck und hoher Temperatur.

„Das einfachste Modell schien etwas ungewöhnlich – dass der innere Kern asymmetrisch ist“, sagte Frost. Die Westseite sieht bis zur Mitte anders aus als die Ostseite, und nicht nur an der Spitze des inneren Kerns, wie einige vorgeschlagen haben. Wir können es nur erklären, dass eine Seite schneller wächst als die andere.“

Das Modell beschreibt, wie ein asymmetrisches Wachstum – im Osten etwa 60 % höher als im Westen – die Eisenkristalle bevorzugt entlang der Spinachse mit größerer Ausrichtung im Westen als im Osten ausrichten kann, und erklärt den Unterschied in der seismischen Wellengeschwindigkeit über der innere Kern.

„Was wir in diesem Papier vorschlagen, ist ein Nichtgleichgewichtsmodell der Festkörperkonvektion im inneren Kern, das seismische Beobachtungen mit plausiblen geodynamischen Randbedingungen in Einklang bringt“, sagte Romanovich.

Frost, Romanovich und ihre Kollegen werden in der dieswöchigen Ausgabe des Journals über ihre Ergebnisse berichten natürliche Geowissenschaften.

Erdinnere durch seismische Wellen

Der Untergrund besteht aus Schichten wie eine Zwiebel. Der feste innere Eisen-Nickel-Kern – der heutige Radius von 1.200 Kilometern (745 Meilen) oder etwa drei Viertel der Größe des Mondes – ist von einem flüssigen äußeren Kern aus geschmolzenem Eisen-Nickel mit einer Dicke von etwa 2.400 Kilometern (1.500 Meilen) umgeben. Der äußere Kern ist von einer 2.900 Kilometer dicken Decke aus heißem Gestein umgeben und an der Oberfläche von einer dünnen, kühlen Gesteinskruste bedeckt.

Konvektion tritt sowohl im äußeren Kern auf, der langsam siedet, wenn Wärme von kristallisiertem Eisen aus dem inneren Kern entweicht, als auch im Mantel, wo heißeres Gestein nach oben wandert, um diese Hitze vom Zentrum des Planeten an die Oberfläche zu transportieren. Die starke Siedebewegung im äußeren Kern des flüssigen Eisens erzeugt das Erdmagnetfeld.

Nach Frosts Computermodell, das er mit Hilfe von Lasbleis entwickelt hat, verteilt die Schwerkraft beim Wachsen von Eisenkristallen die Ost-West-Überwucherung innerhalb des inneren Kerns neu. Diese Bewegung der Kristalle innerhalb des relativ weichen Festkörpers des inneren Kerns – der bei diesen hohen Drücken nahe am Schmelzpunkt von Eisen liegt – richtet das Kristallgitter im Westen stärker als im Osten entlang der Rotationsachse der Erde aus.

Das Modell sagt die neuen Beobachtungen der Forscher zu den Zeiten seismischer Wellen, die durch den inneren Kern wandern, richtig voraus: Die Anisotropie oder der Unterschied der Laufzeiten parallel und senkrecht zur Spinachse nimmt mit der Tiefe zu und wird durch die stärkere Varianz nach Westen ausgeglichen der Erde. Die Rotationsachse beträgt etwa 400 Kilometer (250 Meilen).

Das Wachstumsmodell des inneren Kerns bietet auch Grenzen für das Nickel-Eisen-Verhältnis im Zentrum der Erde, sagte Frost. Sein Modell reproduziert seismische Beobachtungen nicht genau, es sei denn, Nickel macht zwischen 4% und 8% des inneren Kerns aus – ungefähr der gleiche Prozentsatz, der in metallischen Meteoriten gefunden wurde, von denen einst angenommen wurde, dass sie die Kerne von Zwergplaneten in unserem Sonnensystem waren. Das Modell sagt den Geologen auch, wie viskos der innere Kern oder die Flüssigkeit ist.

„Wir vermuten, dass die Viskosität des inneren Kerns relativ groß ist und ein interessanter Eingangsparameter für Geodynamiker ist, die Dynamoprozesse im äußeren Kern untersuchen“, sagte Romanovich.

Referenz: „The Dynamic History of the Inner Core Constrained by seismic Variation“ Von Daniel A. Frost, Marin Lasplace, Brian Chandler und Barbara Romanovich, 3. Juni 2021, hier verfügbar. natürliche Geowissenschaften.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w

Frost und Romanowicz wurden durch Zuschüsse der National Science Foundation (EAR-1135452, EAR-1829283) unterstützt.