Der Kern unseres Planeten ist Eisen. Aber jetzt können Wissenschaftler besser verstehen, was sich sonst noch in einem Whirlpool im Erdmittelpunkt dreht.
Der Herzschlag unseres Planeten bleibt ein Rätsel für Wissenschaftler, die herausfinden wollen, wie die Erde entstanden ist und was in ihre Entstehung geflossen ist. In einer kürzlich durchgeführten Studie konnten sie den starken Druck im Zentrum unseres Planeten wiederherstellen, sodass Wissenschaftler einen Blick auf seine frühe Existenz werfen und sogar verstehen konnten, wie der Erdkern jetzt aussehen könnte.
Sie berichteten über ihre Entdeckung in der neuesten Ausgabe von Science. „Wenn wir herausfinden, welche Elemente den Kern bilden, können wir die Bedingungen, unter denen sich die Erde gebildet hat, besser verstehen, was uns wiederum mehr Informationen über die frühe Geschichte des Sonnensystems gibt“, sagt der in Washington ansässige Geochemiker Anat Shahar. am Carnegie Institute of Science. Es wird Wissenschaftlern auch ermöglichen, Einblicke in die Entstehung anderer felsiger Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus zu gewinnen.
Die Erde wurde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren durch unzählige Kollisionen von Festkörpern gebildet, deren Größe vom Mars bis zu einem kleinen Asteroiden reicht. Als die Masse der frühen Erde zunahm, nahmen ihr Innendruck und ihre Temperatur zu.
Dies wirkte sich auf die Art und Weise aus, wie Eisen, das den größten Teil des Erdkerns ausmacht, chemisch mit leichteren Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff sowie schwereren Metallen reagierte, die sich vom Erdmantel trennten und in das Erdinnere gelangten. Der Mantel ist eine Schicht direkt unter der Erdkruste, und die Bewegung von geschmolzenem Gestein in diesem Bereich setzt tektonische Platten in Bewegung.
Wissenschaftler haben lange erkannt, dass Temperaturänderungen das Ausmaß beeinflussen können, in dem ein Isotop eines Elements wie Eisen Teil des Kerns wird. Dieser Vorgang wird als Isotopenfraktionierung bezeichnet.
Bisher wurde der Druck jedoch nicht als kritische Variable angesehen, die diesen Prozess beeinflusst. "In den 60er und 70er Jahren wurden Experimente durchgeführt, um die Folgen eines solchen Drucks zu untersuchen, aber Wissenschaftler fanden nichts", sagt Shahar. "Aber jetzt wissen wir, dass der Druck, mit dem sie die Experimente durchgeführt haben (ungefähr zwei Gigapascal), nicht stark genug war."
2009 veröffentlichte ein anderes Forschungsteam ein Papier, in dem sie vorschlugen, dass der Druck die Elemente beeinflussen könnte, die in den Erdkern eindringen. Aus diesem Grund haben Shahar und ihr Team beschlossen, die Auswirkungen erneut zu untersuchen und Geräte zu verwenden, die einen Druck von bis zu 40 Gigapascal erzeugen. Dies ist viel näher an 60 Gigapascal, die Wissenschaftler als Durchschnitt während der frühen Entstehung der Erde betrachten.
Werbevideo:
In Experimenten an einer fortschrittlichen Photonenquelle an der Carnegie Institution in Washington platzierten die Wissenschaftler kleine Eisenproben, gemischt mit Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff, zwischen zwei Diamanten. Dann wurden die Ebenen dieses Diamantschraubstocks zusammengeschoben, was einen enormen Druck erzeugte.
Anschließend wurden die umgewandelten Eisenproben mit energiereichen Röntgenstrahlen beschossen. "Wir verwenden Röntgenstrahlen, um die Schwingungseigenschaften der Eisenphasen zu testen", sagte Shahar. Die unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen geben an, welche Eisenisotope zu den Proben gehören.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass solch ein starker Druck tatsächlich die Isotopenfraktionierung beeinflusst. Insbesondere fand das Forscherteam heraus, dass die Reaktion zwischen Eisen und Wasserstoff oder Kohlenstoff, die im Kern vorhanden sein sollte, eine charakteristische Spur im Mantelgestein hinterlassen sollte. Eine solche Spur konnte man aber nicht finden.
"Daher glauben wir, dass Wasserstoff und Kohlenstoff nicht die wichtigsten Lichtelemente im Kern sind", sagte Shahar.
Die Kombination von Eisen und Sauerstoff konnte jedoch keine Spuren im Mantel hinterlassen, wie die Experimente von Wissenschaftlern zeigten. Daher ist es möglich, dass Sauerstoff eines der leichtesten Elemente in der Zusammensetzung des Erdkerns wird.
Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass Sauerstoff und Silizium die Grundlage für im Erdkern gelöste Lichtelemente bilden, sagt Joseph O'Rourke, Geophysiker am California Institute of Technology in Pasadena, der nicht an der Studie beteiligt war.
"Sauerstoff und Silizium sind im Mantel reichlich vorhanden, und wir wissen, dass sie sich bei hoher Temperatur und hohem Druck in Eisen lösen", sagte er. "Da Sauerstoff und Silizium garantiert im Kern sind, haben andere Kandidaten wie Wasserstoff und Kohlenstoff nur geringe Chancen."
Shahar sagte, dass ihr Team beabsichtige, das Experiment mit Silizium und Schwefel zu wiederholen, die möglicherweise Teil des Kerns sind. Nachdem sie nun gezeigt haben, dass Druck die Fraktionierung beeinflussen kann, möchte dieses Team die Auswirkungen von Druck und Temperatur in Kombination untersuchen. Sie glauben, dass die Ergebnisse von denen abweichen können, wenn Druck und Temperatur allein verwendet werden. „Wir haben unsere Experimente an festen Eisenproben bei Raumtemperatur durchgeführt. Aber als sich der Kern bildete, war alles in einem geschmolzenen Zustand “, sagte Shahar.
Die Ergebnisse dieser Experimente könnten für Planeten außerhalb unseres Sonnensystems relevant sein, sagen Wissenschaftler. "Tatsache ist, dass wir nur die Oberfläche oder Atmosphäre von Exoplaneten sehen", sagte Shahar. - Aber wie wirkt sich ihr innerer Teil auf das aus, was an der Oberfläche passiert? Die Antwort auf diese Frage wird sich darauf auswirken, ob es Leben auf diesem Planeten gibt oder nicht."
