Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Neue Erkennt­nis­se zum Inne­ren der Erde

Als wenn der Kern aus Gum­mi wär’

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

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