Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eisen hält den Dynamo im Erdkern am Laufen

02.06.2016

Das Magnetfeld der Erde existiert seit mindestens 3,4 Milliarden Jahren auch dank der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Eisen im Kern unseres Planeten. Das ist das Ergebnis der ersten direkten Messung der Eisen-Wärmeleitfähigkeit bei Drücken und Temperaturen, die den Bedingungen im Erdkern entsprechen. DESY-Forscherin Zuzana Konôpková und ihre Kollegen stellen diese Untersuchung im Fachblatt „Nature“ vor. Die Messergebnisse könnten eine kürzlich aufgeflammte Debatte über das sogenannte Geodynamo-Paradoxon beenden.

Der Geodynamo, der das Erdmagnetfeld erzeugt, speist sich aus der Konvektion im äußeren Erdkern, die das flüssige, elektrisch leitfähige und eisenreiche Material dort umwälzt wie kochendes Wasser in einem Topf. Kombiniert mit der Erdrotation entsteht ein Dynamoeffekt, aus dem wiederum das Erdmagnetfeld resultiert.


Querschnitt durch die Erde, kombiniert mit den Feldlinien des Erdmagnetfelds (simuliert vom Glatzmaier-Roberts-Geodynamo-Modell).

Montage: DESY

„Das Erdmagnetfeld schirmt uns von gefährlichen energiereichen Teilchen aus dem All ab, der sogenannten kosmischen Strahlung. Seine Existenz ist einer der Faktoren, die unseren Planeten bewohnbar machen“, erläutert Konôpková. „Daher waren wir an der Wärmeleitfähigkeit von Eisen interessiert, um das Energiebudget des Erdkerns zum Betrieb des Dynamos zu bestimmen“, erläutert die Physikerin. „Die Erzeugung und Erhaltung des Magnetfelds unseres Planeten hängt stark von der Wärme-Dynamik im Kern ab.“

Die Stärke der Konvektion im äußeren Erdkern hängt vom Wärmetransfer aus dem Kern in den Erdmantel ab sowie von der Wärmeleitfähigkeit des Eisens im äußeren Erdkern. Je mehr Wärme im äußeren Erdkern über direkte Wärmeleitung transportiert wird, desto weniger Energie steht zur Verfügung, um die Konvektion – und damit den Geodynamo – am Laufen zu halten.

Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bewirkt dagegen eine stärkere Konvektion und erhöht damit die Chance für einen funktionierenden Dynamo. Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit unter den Bedingungen, die denen im Erdkern ähneln, hat sich in der Vergangenheit allerdings als schwierig erwiesen. Neuere theoretische Berechnungen lieferten eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 150 Watt pro Meter pro Kelvin (150 W/m/K) für Eisen im Erdkern.

Eine derart hohe Wärmeleitfähigkeit würde jedoch die Chancen verringern, dass der Dynamoeffekt frühzeitig einsetzt. Numerischen Modellrechnungen zufolge hätte der Geodynamo bei einer derart hohen Wärmeleitfähigkeit von Eisen erst relativ kürzlich in der Erdgeschichte entstehen dürfen, vor etwa einer Milliarde Jahren.

Die Existenz des Erdmagnetfelds lässt sich jedoch anhand von altem Gestein mindestens 3,4 Milliarden Jahre zurückverfolgen. „Es gibt eine heftige Debatte unter Geophysikern, denn mit so einer hohen Wärmeleitfähigkeit wird es schwer, die Geschichte des Erdmagnetfelds zu erklären, die sich aus urzeitlichem Gestein ablesen lässt“, sagt Konôpková.

Die DESY-Physikerin und ihre Kollegen Stewart McWilliams und Natalia Gómez-Pérez von der Universität Edinburgh sowie Alexander Goncharov von der Carnegie-Institution in Washington nutzten eine spezielle Hochdruckzelle, in der sich Proben nicht nur zwischen zwei Diamantstempeln stark zusammenpressen, sondern gleichzeitig mit zwei Infrarotlasern stark aufheizen lassen. Auf diese Weise konnten sie die Eisen-Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen und hohen Drücken direkt bestimmen.

„Wir haben eine dünne Eisenfolie in der Diamantstempelzelle mit einem Druck von 130 Gigapascal zusammengepresst, das ist über eine Million Mal so hoch wie der Atmosphärendruck und entspricht ungefähr dem Druck an der Grenze von Erdmantel und Erdkern“, erläutert Konôpková.

„Gleichzeitig haben wir die Folie mit zwei Infrarotlasern durch die Diamanten auf bis zu 2700 Grad Celsius aufgeheizt. Dann haben wir mit einem dritten Laser einen schwachen Puls auf eine Seite der Folie geschossen, der eine thermische Störung ausgelöst hat. Die folgende Temperaturentwicklung haben wir schließlich von beiden Seiten der Folie mit einer optischen Streifenkamera beobachtet.“ So konnten die Wissenschaftler die Wanderung des Wärmepulses durch das Eisen verfolgen.

Diese Messungen fanden bei verschiedenen Drücken und Temperaturen statt – zum einen, um unterschiedliche Bedingungen im Inneren von Planeten abzudecken, zum anderen, um eine systematische Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit als Funktion von Druck und Temperatur zu gewährleisten.

„Unsere Ergebnisse widersprechen den theoretischen Berechnungen deutlich“, berichtet Konôpková. „Wir haben sehr niedrige Werte von 18 bis 44 Watt pro Meter pro Kelvin für die Wärmeleitfähigkeit gemessen, wodurch sich das Paradox auflösen und der Geodynamo seit der Frühzeit der Erde funktionstüchtig sein kann.“

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.


Originalveröffentlichung
Direct measurement of thermal conductivity in solid iron at planetary core conditions; Zuzana Konôpková, R. Stewart McWilliams, Natalia Gómez-Pérez, Alexander F. Goncharov
„Nature”, 2016; DOI: 10.1038/nature18009

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Neue Erkenntnisse zum Meeresspiegel-Anstieg
26.05.2017 | Universität Siegen

nachricht Polarstern ab heute unterwegs nach Spitzbergen, um Rolle der Wolken bei Erwärmung der Arktis zu untersuchen
24.05.2017 | Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V. (TROPOS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften