Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Als wenn der Kern aus Gummi wär’: Neue Erkenntnisse zum Inneren der Erde

25.02.2015

Woraus besteht der Erdkern, der einen Durchmesser von fast 7000 Kilometern hat und rund ein Drittel der Erdmasse ausmacht?

In der geowissenschaftlichen Forschung ist man sich heute darüber einig, dass Eisen – oder eine Legierung aus Eisen und Nickel – den Hauptbestandteil bildet. Doch deuten seismologische Messungen auf ungewöhnliche elastische Eigenschaften des festen inneren Erdkerns hin, deren Ursachen bislang rätselhaft waren.

Ein internationales Forschungsteam, an dem Wissenschaftler der Universität Bayreuth maßgeblich beteiligt waren, präsentiert jetzt in „Nature Geoscience“ eine Erklärung, die Licht in dieses Dunkel bringt: Aufgrund der extremen Drücke und Temperaturen im inneren Erdkern bilden Eisen- und Kohlenstoffatome hier eine stabile Legierung. Obwohl der Kohlenstoff dabei nur in geringen Mengen in das Eisen eindringt, verleiht er dieser Mischung eine geradezu gummiähnliche Elastizität.

Eisenkarbid, entstanden unter extrem hohen Drücken und Temperaturen

Die neue Erklärung für die auffälligen elastischen Eigenschaften des Erdkerns stützt sich auf Messungen an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF (engl.: European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble und am Bayerischen Geoinstitut (BGI). Hier haben Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, Dr. Catharine McCammon und Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia, in Kooperation mit weiteren Mitgliedern des BGI, extrem hohe Drücke und Temperaturen erzeugt, wie sie für die Verhältnisse im inneren Erdkern charakteristisch sind.

Dabei entstand aus Kohlenstoff- und Eisenatomen ein Eisenkarbid (Fe7C3), das sich von reinem Eisen klar unterscheidet. Scherwellen, die beispielsweise bei Erdbeben entstehen, kommen in dieser Legierung vergleichsweise langsam voran. Sie haben darin ungefähr die gleiche Geschwindigkeit wie im Erdkern. Zudem besitzt das Eisenkarbid eine fast ebenso hohe Poissonzahl wie der Erdkern.

Diese nach dem französischen Physiker Siméon Denis Poisson benannte Kennzahl bezieht sich auf das elastische Verhalten eines Materials unter Druck (genauer gesagt: auf die Querkontraktion). Sie bringt zum Ausdruck, wie sich ein Material, das einem Druck aus einer bestimmten Richtung ausgesetzt ist, nach den Seiten hin – also jeweils rechtwinklig zur Druckrichtung – ausdehnt.

Eine Erklärung für elastische Eigenschaften des festen inneren Erdkerns

Bereits frühere Forschungsarbeiten haben die Vermutung nahegelegt, dass das Eisen im inneren Erdkern mit leichteren chemischen Elementen durchmischt ist. Denn anders lassen sich die Ergebnisse seismologischer Messungen kaum in Einklang bringen mit den Temperaturverhältnissen im inneren Erdkern und mit der hohen Materialdichte, die Eisen unter hohem Druck aufweist.

Allerdings konnten vor allem zwei Phänomene bisher nicht zureichend erklärt werden: die auffällig hohe Poissonzahl des Erdkerns und die relativ geringe Geschwindigkeit von Scherwellen, die den Erdkern durchlaufen. „Genau diese beiden Phänomene sind aber bestens erklärbar, wenn man annimmt, dass Kohlenstoff das Eisen des Erdkerns modifiziert – und zwar aufgrund der extremen Drücke und Temperaturen im Erdinneren“, meint Prof. Dubrovinsky.

„In den Laboratorien des ESRF und des BGI haben wir mit sehr leistungsstarken Hochdrucktechnologien zeigen können: Das neue Eisenkarbid, das wir bei extremen Bedingungen synthetisiert und charakterisiert haben, hat elastische Eigenschaften, die sehr nahe an diejenigen elastischen Eigenschaften herankommen, die die Forschung dem inneren Erdkern zuschreibt. Einige dieser Messungen haben wir im BGI auf dem Bayreuther Campus konzipiert, wo wir ebenfalls über exzellente Kapazitäten für die Hochdruckforschung verfügen.“

„Terra incognita“

Seine Kollegin Dr. Catharine McCammon am BGI, die ebenfalls an den Forschungsarbeiten in Grenoble und Bayreuth mitgewirkt hat, erinnert daran, wie wenig bisher über den Erdkern bekannt ist: „Dieser innerste Bereich unseres Planeten ist buchstäblich terra incognita und der empirischen Forschung schwerer zugänglich als beispielsweise der Mars. Im Detail wissen wir immer noch recht wenig darüber, welche Materialien im Erdkern lagern. Unsere neuen Forschungsergebnisse könnten die Annahme stützen, dass tief unter der Erdoberfläche ein Kohlenstoff-Reservoir lagert, das möglicherweise größer ist als bisher vermutet.“

Veröffentlichung:
C. Prescher et al., High Poisson’s ratio of Earth’s inner core explained by carbon alloying,
in: Nature Geoscience, 23 February 2015, DOI: 10.1038/ngeo2370

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921-55 3736 // E-Mail: Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de


Dr. Catharine McCammon
Bayerisches Geoinstitut
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921-55 3753 // E-Mail: catherine.mccammon@uni-bayreuth.de


Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Laboratorium für Kristallographie
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921-55 3880 oder 3881 // E-Mail: Natalia.Dubrovinskaia@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Satelliten erfassen Photosynthese mit hoher Auflösung
13.10.2017 | Max-Planck-Institut für Biogeochemie

nachricht Erforschung des grönländischen 79°-Nord-Gletschers
12.10.2017 | Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Im Focus: Smart sensors for efficient processes

Material defects in end products can quickly result in failures in many areas of industry, and have a massive impact on the safe use of their products. This is why, in the field of quality assurance, intelligent, nondestructive sensor systems play a key role. They allow testing components and parts in a rapid and cost-efficient manner without destroying the actual product or changing its surface. Experts from the Fraunhofer IZFP in Saarbrücken will be presenting two exhibits at the Blechexpo in Stuttgart from 7–10 November 2017 that allow fast, reliable, and automated characterization of materials and detection of defects (Hall 5, Booth 5306).

When quality testing uses time-consuming destructive test methods, it can result in enormous costs due to damaging or destroying the products. And given that...

Im Focus: Cold molecules on collision course

Using a new cooling technique MPQ scientists succeed at observing collisions in a dense beam of cold and slow dipolar molecules.

How do chemical reactions proceed at extremely low temperatures? The answer requires the investigation of molecular samples that are cold, dense, and slow at...

Im Focus: Kalte Moleküle auf Kollisionskurs

Mit einer neuen Kühlmethode gelingt Wissenschaftlern am MPQ die Beobachtung von Stößen in einem dichten Strahl aus kalten und langsamen dipolaren Molekülen.

Wie verlaufen chemische Reaktionen bei extrem tiefen Temperaturen? Um diese Frage zu beantworten, benötigt man molekulare Proben, die gleichzeitig kalt, dicht...

Im Focus: Astronomen entdecken ungewöhnliche spindelförmige Galaxien

Galaxien als majestätische, rotierende Sternscheiben? Nicht bei den spindelförmigen Galaxien, die von Athanasia Tsatsi (Max-Planck-Institut für Astronomie) und ihren Kollegen untersucht wurden. Mit Hilfe der CALIFA-Umfrage fanden die Astronomen heraus, dass diese schlanken Galaxien, die sich um ihre Längsachse drehen, weitaus häufiger sind als bisher angenommen. Mit den neuen Daten konnten die Astronomen außerdem ein Modell dafür entwickeln, wie die spindelförmigen Galaxien aus einer speziellen Art von Verschmelzung zweier Spiralgalaxien entstehen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Wenn die meisten Menschen an Galaxien denken, dürften sie an majestätische Spiralgalaxien wie die unserer Heimatgalaxie denken, der Milchstraße: Milliarden von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

bionection 2017 erstmals in Thüringen: Biotech-Spitzenforschung trifft in Jena auf Weltmarktführer

13.10.2017 | Veranstaltungen

Tagung „Energieeffiziente Abluftreinigung“ zeigt, wie man durch Luftreinhaltemaßnahmen profitieren kann

13.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

ESO-Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen-Quelle

16.10.2017 | Physik Astronomie

Was läuft schief beim Noonan-Syndrom? – Grundlagen der neuronalen Fehlfunktion entdeckt

16.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Gewebe mit Hilfe von Stammzellen regenerieren

16.10.2017 | Förderungen Preise