Ob ein Planet über ein Magnetfeld verfügt oder nicht, trägt wesentlich dazu bei, ob er bewohnbar ist oder nicht. Während die Erde eine starke Magnetosphäre hat, die das Leben vor schädlicher Strahlung schützt und den Sonnenwind davon abhält, seine Atmosphäre zu entfernen, tun dies Planeten wie der Mars nicht mehr. Daher wurde sie von einer Welt mit einer dickeren Atmosphäre und flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche zu dem kalten, ausgetrockneten Ort, der sie heute ist.
Aus diesem Grund haben Wissenschaftler lange versucht zu verstehen, was das Magnetfeld der Erde antreibt. Bisher war man sich einig, dass es sich um den Dynamoeffekt handelt, der dadurch entsteht, dass sich der flüssige äußere Erdkern in die entgegengesetzte Richtung der Erdrotation dreht. Neue Forschungen aus dem Tokyo Institute of Technology deutet darauf hin, dass es tatsächlich an der Kristallisation im Erdkern liegen könnte.
Die Forschung wurde von Wissenschaftlern des Earth-Life Science Institute (ELSI) der Tokyo Tech durchgeführt. Laut ihrer Studie – mit dem Titel „ Kristallisation von Siliziumdioxid und Zusammensetzungsentwicklung des Erdkerns “, das vor kurzem in . erschienNatur– Die Energie, die das Erdmagnetfeld antreibt, hat möglicherweise mehr mit der chemischen Zusammensetzung des Erdkerns zu tun.
Mit einem Diamantamboss und einem Laser setzten Forscher der Tokyo Tech Silizium- und Sauerstoffproben ähnlichen Bedingungen wie im Erdkern aus. Bildnachweis: Sang-Heon Shim/Arizona State University
Besonders besorgniserregend war für das Forscherteam die Geschwindigkeit, mit der sich der Erdkern im geologischen Zeitverlauf abkühlt – was seit einiger Zeit umstritten ist. Und für Dr. Kei Hirose – den Direktor des Earth-Life Science Institute und Hauptautor des Papiers – war es so etwas wie ein lebenslanges Streben. In einer Studie aus dem Jahr 2013 , teilte er Forschungsergebnisse mit, die darauf hindeuteten, dass sich der Erdkern möglicherweise stärker abgekühlt hat als bisher angenommen.
Er und sein Team kamen zu dem Schluss, dass sich der Kern seit der Entstehung der Erde (4,5 Milliarden Jahre) um bis zu 1.000 °C (1.832 °F) abgekühlt haben könnte. Diese Ergebnisse waren für die Geowissenschaften ziemlich überraschend – was zu dem führte, was ein Wissenschaftler als „ Neues Kernwärme-Paradoxon “. Kurz gesagt, diese Abkühlungsrate des Kerns würde bedeuten, dass eine andere Energiequelle erforderlich wäre, um das geomagnetische Feld der Erde aufrechtzuerhalten.
Hinzu kamen im Zusammenhang mit der Kernkühlung noch einige ungelöste Fragen zur chemischen Zusammensetzung des Kerns. Wie Dr. Kei Hirose in einer Tokyo Tech sagte Pressemitteilung :
„Der Kern besteht hauptsächlich aus Eisen und etwas Nickel, enthält aber auch etwa 10 % Leichtmetalle wie Silizium, Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff, Wasserstoff und andere Verbindungen. Wir denken, dass viele Legierungen gleichzeitig vorhanden sind, kennen aber nicht den Anteil jedes Kandidatenelements.“
Das Magnetfeld und die elektrischen Ströme in und um die Erde erzeugen komplexe Kräfte, die unermessliche Auswirkungen auf das tägliche Leben haben. Bildnachweis: ESA/ATG medialab
Um dies zu klären, führten Hirose und seine Kollegen von ELSI eine Reihe von Experimenten durch, bei denen verschiedene Legierungen Hitze- und Druckbedingungen ähnlich denen im Erdinneren ausgesetzt wurden. Dies bestand darin, mit einem Diamantamboss staubgroße Legierungsproben zu pressen, um Hochdruckbedingungen zu simulieren, und sie dann mit einem Laserstrahl zu erhitzen, bis sie extreme Temperaturen erreichten.
In der Vergangenheit konzentrierte sich die Forschung zu Eisenlegierungen im Kern hauptsächlich entweder auf Eisen-Silizium-Legierungen oder auf Eisenoxid bei hohen Drücken. Aber für ihre Experimente beschlossen Hirose und seine Kollegen, sich auf die Kombination von Silizium und Sauerstoff zu konzentrieren, von denen angenommen wird, dass sie im äußeren Kern vorhanden sind, und die Ergebnisse mit einem Elektronenmikroskop zu untersuchen.
Die Forscher fanden heraus, dass sich unter extremen Druck- und Hitzebedingungen Proben von Silizium und Sauerstoff zu Siliziumdioxidkristallen verbinden – deren Zusammensetzung dem mineralischen Quarz in der Erdkruste ähnelt. Ergo zeigte die Studie, dass die Kristallisation von Siliziumdioxid im äußeren Kern genügend Auftrieb freigesetzt hätte, um die Kernkonvektion und einen Dynamoeffekt bereits im Hadäischen Zeitalter anzutreiben.
John Hernlund, ebenfalls Mitglied von ELSI und Co-Autor der Studie, erklärte:
„Dieses Ergebnis erwies sich als wichtig für das Verständnis der Energetik und Entwicklung des Kerns. Wir waren begeistert, weil unsere Berechnungen zeigten, dass die Kristallisation von Siliziumdioxidkristallen aus dem Kern eine immense neue Energiequelle für die Energieversorgung des Erdmagnetfelds darstellen könnte.“
Querschnitt des Mars, der seinen inneren Kern enthüllt. Der Mars muss eines Tages ein solches Feld gehabt haben, aber die Energiequelle, die ihn versorgte, ist seitdem abgeschaltet. Bildnachweis: NASA/JPL/GSFC
Diese Studie liefert nicht nur Beweise, um das sogenannte „Neue Kernwärme-Paradoxon“ aufzulösen, sondern kann auch dazu beitragen, unser Verständnis der Bedingungen während der Entstehung der Erde und des frühen Sonnensystems zu verbessern. Wenn Silizium und Sauerstoff im Laufe der Zeit im äußeren Kern Siliziumdioxidkristalle bilden, wird der Prozess früher oder später aufhören, sobald dem Kern diese Elemente ausgehen.
Wenn dies geschieht, können wir erwarten, dass das Magnetfeld der Erde leidet, was drastische Auswirkungen auf das Leben auf der Erde haben wird. Es hilft auch, die Konzentrationen von Silizium und Sauerstoff, die bei der ersten Bildung der Erde im Kern vorhanden waren, einzuschränken, was einen großen Beitrag zu unseren Theorien über die Entstehung des Sonnensystems leisten könnte.
Darüber hinaus kann diese Forschung Geophysikern helfen zu bestimmen, wie und wann andere Planeten (wie Mars, Venus und Merkur) noch Magnetfelder hatten (und möglicherweise zu Ideen führen, wie sie wieder mit Strom versorgt werden könnten). Es könnte sogar Exoplaneten-Jagd-Wissenschaftsteams helfen, herauszufinden, welche Exoplaneten Magnetosphären haben, was es uns ermöglichen würde, herauszufinden, welche extrasolaren Welten bewohnbar sein könnten.
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