Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Entdeckung der Langsamkeit im Erdinneren

29.07.2005


Forscher der Universitäten Jena und Bayreuth belegen in aktueller "Science"-Publikation über Diffusionsprozesse im unteren Erdmantel, dass diese Zone heterogener ist als bisher angenommen



Es sind Extremereignisse wie Vulkanausbrüche, Erd- oder Seebeben, die uns gewahr werden lassen, dass sich tief unter unseren Füßen etwas regt. Unsere Ozeane und Kontinente ruhen auf riesigen Platten, die sich einige Zentimeter im Jahr bewegen. An bestimmten Stellen schiebt sich eine Platte unter die andere, taucht in das Erdinnere ab und wird dort bei hohem Druck und Temperaturen quasi recycelt. Bisher hatte man angenommen, dass sich die chemischen Zusammensetzungen der abtauchenden Erdplatten und des umgebenden Mantelgesteins rasch angleichen. "Es war eine gängige Hypothese, dass der untere Erdmantel chemisch relativ homogen ist", sagt Prof. Dr. Falko Langenhorst. Der Mineraloge von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Geowissenschaftler der Universität Bayreuth konnten nun zeigen, dass sich der Stoffaustausch im Erdmantel jedoch extrem langsam vollzieht. "Demzufolge ist diese Mantelzone, die etwa 670 km unter der Erdoberfläche beginnt und bis zu einer Tiefe von 2.900 km reicht, vermutlich heterogener als bisher gedacht", sagt Langenhorst. Er und seine Bayreuther Kollegen haben nun erstmals in Experimenten nachvollzogen, wie schnell sich die Elemente im unteren Mantel vermischen können. Sie ermittelten die Diffusionskoeffizienten von Silikat-Perovskit für verschieden hohe Drücke und Temperaturen. Der untere Erdmantel besteht zu 80 % aus Perovskit, dem häufigsten Mineral der Erde. Die Ergebnisse der Diffusionsexperimente werden in der renommierten Zeitschrift "Science" publiziert und sind gestern (28.07.) in Science Express online veröffentlicht worden.



Um zum Ziel zu gelangen waren aufwendige Hochdruckexperimente nötig, die Dr. Christian Holzapfel, Prof. Dr. David Rubie und Dr. Daniel Frost aus Bayreuth durchführten. Prof. Langenhorst und Dr. Holzapfel bestimmten dann den Elementaustausch im Nanometerbereich mit dem Transmissionselektronenmikroskop. Um die Vorgänge im Erdinneren zu simulieren, waren je zwei zylinderförmige Proben von Silikat-Perovskit mit verschiedenen Konzentrationen von Eisen und Magnesium aneinandergelegt und bis zu 24 Stunden Drücken von 22 bis 26 Gigapascal und Temperaturen zwischen 1.973 und 2.273 Kelvin ausgesetzt worden. "Dabei kommt es zum Ausgleich des Konzentrationsunterschiedes. Denn durch die Brownsche Molekularbewegung bewegen sich die Teilchen, in unserem Falle die Eisen- und Magnesiumionen im Perovskit, von der höheren zur niedrigeren Konzentration", erklärt Langenhorst das zugrundeliegende Prinzip.

Als die Forscher die Diffusionsprofile untersuchten, stellten sie fest, dass der Bereich, in dem die Eisen- und Magnesiumkonzentrationen begonnen hatten, sich einander anzugleichen, nur zwischen 150 bis 1.500 Nanometer groß war. Das bedeutet, dass der Diffusionsprozess trotz hoher Temperaturen, die ihn eigentlich beschleunigen sollten, extrem langsam vonstatten geht, so das Fazit der Wissenschaftler. "Aus der Länge des Profils, das man erhält, wenn die Proben höchstens einen Tag den Extrembedingungen ausgesetzt sind, lässt sich abschätzen, über welche Entfernungen der Diffusionsprozess in geologischen Zeiträumen in der Natur wirklich abläuft", erklärt Langenhorst. Nach den Messungen der Forscher findet in 4,5 Milliarden Jahren, so alt ist unsere Erde, nur ein Austausch im Maßstab von wenigen Metern statt.

Neben der Entdeckung der Langsamkeit des Prozesses machen die Autoren der "Science"-Publikation auch Aussagen darüber, warum die Homogenisierung in der Silikat-Perovskit-Schicht so langsam abläuft. Wie bei allen Prozessen ist der langsamste Reaktionsschritt geschwindigkeitsbestimmend für den Gesamtprozess. Die am langsamsten diffundierenden Spezies im Perovskit sind laut der Wissenschaftler die divalenten Kationen Eisen und Magnesium. Diese "Bummelanten" sorgen dafür, dass der Diffusionsprozess insgesamt langsam abläuft. Damit haben die Forscher ein weiteres Rätsel um die Recycling-Vorgänge im Erdinneren gelöst. "Auch wenn diese Diffusionsprozesse unmerklich langsam vor sich gehen, so gibt es durch die mechanische Umwälzung des Mantels einen steten Stoffaustausch zwischen Erdinnerem und -äußerem, der sicherlich dazu beigetragen hat, dass Leben auf der Erde entstehen konnte", macht Prof. Langenhorst deutlich.

Zur Diffusion:

Diffusion ist der Ausgleich eines Konzentrationsunterschiedes von gasförmigen oder gelösten Stoffen oder Energie, bei dem sich die Teilchen im statistischen Mittel durch Brownsche Molekularbewegung temperaturabhängig von der höheren zur niedrigeren Konzentration bewegen. Die Diffusion ist passiv und unspezifisch, d.h. einzelne Teilchen bewegen sich zufällig und ungerichtet. Bei höheren Temperaturen geht sie jedoch schneller vor sich. Sind in einem Raum Teilchen oder Energie ungleichmäßig verteilt, dann führt die ungeordnete thermische Bewegung der Teilchen mit der Zeit dazu, dass sie in diesem Raum statistisch gleichmäßig verteilt sind, ihre Konzentration also an jedem Messpunkt im Raum gleich hoch ist.

Stefanie Hahn | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de/

Weitere Berichte zu: Diffusionsprozess Erdinnere Erdmantel Teilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Der Satellitenblick auf die Dürre in Kenia
28.06.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Bisher unbekanntes Aussterben grosser Meerestiere entdeckt
27.06.2017 | Universität Zürich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

EUROSTARS-Projekt gestartet - mHealth-Lösung: time4you Forschungs- und Entwicklungspartner bei IMPACHS

28.06.2017 | Unternehmensmeldung

Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Scheinwerfer-Dimension: Volladaptive Lichtverteilung in Echtzeit

28.06.2017 | Automotive