Entdeckung der schnellen „Massenbewegung“ von Eisenatomen im festen inneren Erdkern

Eine neue Studie hat eine schnelle „Massenbewegung“ von Eisenatomen im inneren Erdkern entdeckt. Diese Bewegung erklärt möglicherweise den unerwartet schwachen Kern in den seismischen Daten und hat Auswirkungen auf das Verständnis der Erzeugung des Erdmagnetfelds.

Die Eisenatome, aus denen der feste innere Kern der Erde besteht, sind unter astronomisch hohen Drücken dicht gepackt – den höchsten auf dem Planeten.

Doch auch hier gibt es nach Ansicht der Forscher Spielraum.

Eine Studie der University of Texas in Austin und von Mitarbeitern in China ergab, dass bestimmte Gruppen von Eisenatomen im Erdkern sich schnell bewegen und im Bruchteil einer Sekunde ihren Platz wechseln können, während die grundlegende metallische Struktur des Eisens erhalten bleibt. Eine Art von Bewegung, die als „Massenbewegung“ bekannt ist und damit vergleichbar ist, dass Gäste beim Abendessen ihre Plätze am Tisch wechseln.

Ein Modell von Eisenatomen, die sich im Erdkern bewegen. Das Modell zeigt, wie sich Eisenatome im Erdkern voraussichtlich innerhalb von 10 Pikosekunden bewegen. Eine Pikosekunde ist ein Billionstel einer Sekunde. Bildnachweis: Zhang et al.

Auswirkungen des Erdmagnetfeldes

Die durch Laborexperimente und theoretische Modelle gewonnenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich Atome im inneren Kern viel mehr bewegen als bisher angenommen.

Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, mehrere interessante Eigenschaften des inneren Kerns zu erklären, die Wissenschaftlern seit langem Rätsel aufgeben. Sie könnten auch dabei helfen, Licht auf die Rolle zu werfen, die der innere Kern bei der Stromversorgung des Geodynamos der Erde spielt, dem schwer fassbaren Prozess, der das Magnetfeld des Planeten erzeugt.

„Jetzt kennen wir den grundlegenden Mechanismus, der uns helfen wird, die dynamischen Prozesse und die Entwicklung des Erdkerns zu verstehen“, sagte Jong-Fu Lin, Professor an der UT Jackson School of Geosciences und einer der Hauptautoren der Studie.

Die Studie wurde am 2. Oktober in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Ein Ausschnitt aus einem wissenschaftlichen Modell, das zeigt, wie sich Eisenatome im Erdkern voraussichtlich in 10 Pikosekunden bewegen. Linien stellen einen Weg dar Mais Es bewegt sich auch im Laufe der Zeit. Das Modell basiert auf einem Algorithmus der künstlichen Intelligenz, der Zehntausende Atome darstellt. Eine Pikosekunde ist ein Billionstel einer Sekunde. Bildnachweis: Zhang et al.

Methoden und Ergebnisse

Aufgrund der extrem hohen Temperaturen und Drücke ist es für Wissenschaftler unmöglich, direkte Proben aus dem Erdinneren zu entnehmen. Also stellten Lin und seine Mitarbeiter es im Labor im Miniaturformat nach, indem sie eine kleine Eisenplatte nahmen und sie mit einem sich schnell bewegenden Projektil abfeuerten. Die während des Experiments gesammelten Temperatur-, Druck- und Geschwindigkeitsdaten wurden dann in ein maschinelles Lerncomputermodell der Atome im inneren Kern eingegeben.

Wissenschaftler glauben, dass die Eisenatome im inneren Kern in einer sich wiederholenden sechseckigen Konfiguration angeordnet sind. Laut Lin zeigen die meisten Computermodelle, die die Gitterdynamik von Eisen im inneren Kern abbilden, nur eine kleine Anzahl von Atomen, normalerweise weniger als hundert. Doch mithilfe eines Algorithmus der künstlichen Intelligenz konnten die Forscher die atomare Umgebung erheblich verbessern und eine „Superzelle“ aus etwa 30.000 Atomen schaffen, um die Eigenschaften von Eisen zuverlässiger vorherzusagen.

Auf dieser Superzellenskala beobachteten Wissenschaftler, wie sich Gruppen von Atomen bewegten und ihre Plätze wechselten, während die sechseckige Gesamtstruktur erhalten blieb.

Co-Hauptautor Jong Fu „Avo“ Lin besitzt ein Modell von Eisenatomen, die in einer sechseckigen Struktur angeordnet sind und vermutlich im inneren Erdkern vorkommen. Bildnachweis: Jong-Fu Lin/UT Jackson College of Geosciences

Atombewegung erklärt seismische Messungen

Die Forscher sagten, die atomare Bewegung könne erklären, warum seismische Messungen des inneren Kerns eine weichere, flexiblere Umgebung zeigen, als man bei solchen Drücken erwarten würde, sagte Co-Autor Yujun Zhang, Professor an der Sichuan-Universität.

„Seismologen haben herausgefunden, dass der Mittelpunkt der Erde, der sogenannte innere Kern, überraschend glatt ist, ein bisschen so weich wie Butter in Ihrer Küche“, sagte er. „Unsere große Entdeckung ist, dass festes Eisen tief unter der Erde überraschend weich wird, weil sich seine Atome viel mehr bewegen können, als wir uns jemals vorgestellt haben. Diese erhöhte Bewegung macht den inneren Kern gegenüber Scherkräften weniger steif und schwächer.“

Die Forscher sagten, die Suche nach einer Antwort zur Erklärung der „überraschend glatten“ physikalischen Eigenschaften, die sich in seismischen Daten widerspiegeln, sei der Beweggrund ihrer Forschung.

Rolle in der Geodynamoenergie der Erde

Etwa die Hälfte der Energie des Geodynamos, der das Erdmagnetfeld erzeugt, kann den Forschern zufolge auf den inneren Kern zurückgeführt werden, während der äußere Kern den Rest ausmacht. Neue Einblicke in die Aktivität des inneren Kerns auf atomarer Ebene könnten dazu beitragen, zukünftige Forschungen darüber zu unterstützen, wie Energie und Wärme im inneren Kern erzeugt werden, wie sie mit der Dynamik des äußeren Kerns zusammenhängen und wie sie zusammenarbeiten, um das Magnetfeld des Planeten zu erzeugen. Dies ist die Schlüsselzutat für einen bewohnbaren Planeten.

Referenz: „Kollektive Bewegung in hcp-Fe in den inneren Kernbedingungen der Erde“ von Youjun Zhang, Yong Wang, Yuqian Huang, Junjie Wang, Zhixin Liang, Long Hao, Zhipeng Gao, Jun Li, Qiang Wu, Hong Zhang, Yun Liu, Jian . Sun und Gong Fu Lin, 2. Oktober 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2309952120

Die Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China und dem Geophysics Program der National Science Foundation finanziert.