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Aufkommende Forschung aus Hochdruck-und Hochtemperaturexperimenten legt nahe, dass der innere Kern der Erde ein „planetarisches Baby“ sein könnte, das knapp eine Milliarde Jahre alt ist—jünger als die Ozeane, die Atmosphäre und die Bewohner der Erde.,

Diese Ergebnisse stellen eine drastische Wendung von der Art und Weise dar, wie Wissenschaftler dachten, dass der innere Kern der Erde von seinen geschmolzenen Anfängen bis heute fortgeschritten ist—und eine Quelle einer umstrittenen Debatte unter Geowissenschaftlern.

Die Unsicherheit liegt in widersprüchlichen Messungen der fundamentalen Eigenschaften von Metall. Es ist unklar, wie effizient Eisen und Eisenlegierungen Wärme im Kern leiten, was es für Forscher schwierig macht zu beschreiben, wie der Kern im Laufe der Zeit abgekühlt ist. Mineralphysiker, Geophysiker, Kondensierte-Materie-Physiker und Dynamiker versuchen alle, eine Antwort zu finden.,

„Es ist im Moment eine sehr provokative Zeit, würde ich sagen, in Bezug auf Kernstudien“, sagte Quentin Williams, Professor für Erd-und Planetenwissenschaften an der University of California in Santa Cruz.

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler neuartige Möglichkeiten erfunden, Metallproben auf extreme Drücke zu drücken, während Laser geschossen werden, um die Proben auf so heiße Temperaturen wie die Sonnenoberfläche zu erwärmen. Die Experimente sind jedoch schwierig, und ein Konsens ist schwer fassbar., In derselben Ausgabe der Zeitschrift Nature, Juni 2016, veröffentlichten zwei Forscherteams die Ergebnisse separater Hochdruck-Hochtemperaturexperimente-mit drastisch unterschiedlichen Ergebnissen.

„Es ist ein sehr wichtiges Thema, weil es im Grunde die Randbedingungen für die thermische Geschichte der Erde“, sagte Ronald Cohen, ein Forscher an der Carnegie Institution for Science in Washington, DC, Die Antwort könnte unser Verständnis der Erdgeschichte umschreiben, den Weg für Entdeckungen in der Erddynamik an der Oberfläche ebnen, wie Vulkanismus und Plattentektonik, und dazu beitragen, ferne Welten aufzuklären.

Elektrischer Generator der Erde

„Ich denke, alle sind sich einig, dass sowohl der Mantel als auch der Kern abkühlen“, sagte Peter Olson, außerordentlicher Professor für Erd-und Planetenwissenschaften an der Universität von New Mexico. „Was wir besser wissen möchten, ist, wie schnell.,“

Der Erdkern besteht größtenteils aus Eisen und ist in zwei Teile geteilt: eine kleine, kristallisierte Kugel aus gehärtetem Eisen in der Mitte der Erde, die als innerer Kern bezeichnet wird, und ein flüssiger äußerer Kern, der den inneren Kern umgibt mit einer „aufrollenden Masse geschmolzenen Metalls“, sagte Williams. Jahrhundert auf der Grundlage der Zusammensetzung von Meteoriten eine Hypothese über innere und äußere Eisenkerne aufgestellt.

Wir können dem Kern für das blühende Leben auf der Erde danken., Konvektion im äußeren Kern erhält das Magnetfeld, das uns vor rauer Sonneneinstrahlung schützt und unsere Atmosphäre intakt hält. Wenn flüssiges Eisen durch ein schwaches Magnetfeld fließt, erzeugt es einen elektrischen Strom innerhalb des Planeten. Dieser Strom induziert wiederum ein sekundäres Magnetfeld, das einen Strom im Kern weiter induziert. Diese Schleife erzeugt einen planetengroßen elektrischen Generator im Herzen unseres Planeten, der als Geodynamo bezeichnet wird.,

Forscher hatten angenommen, dass der innere Kern sehr alt sein muss, weil jahrzehntelange Forschung Fingerabdrücke des Geodynamos in den ältesten überlebenden Gesteinen der Erde gefunden hat, die fast 4 Milliarden Jahre alt sind.

Und tatsächlich klang die Idee eines alten inneren Kerns „vernünftig“, sagte Kei Hirose, Professor für Geophysik an der Universität Tokio und Direktor des Earth-Life Science Institute am Tokyo Institute of Technology. Es hat das wichtige Kästchen überprüft: Ein alter innerer Kern hat den Geodynamo für Milliarden von Jahren angeheizt, indem er die thermische Konvektion im äußeren Kern vorangetrieben hat.,

Metallurgie hilft

Hirose bemerkte jedoch, dass nur wenige Menschen die Wärmeleitfähigkeit von Eisen unter extremen Bedingungen gemessen hatten und die wenigen abgeschlossenen Studien mit Stoßwellenexperimenten große Unsicherheiten aufwiesen und nicht leicht reproduzierbar waren. Die Wärmeleitfähigkeit könnte ein entscheidender Wert sein, um die Dynamik des Kerns zu bestimmen: Der Kern kühlt sowohl über Konvektion als auch über Leitung ab, und wie schnell er Wärme leitet, steuert, wie viel Wärme übrig bleibt, um die Konvektion voranzutreiben.,

Die wissenschaftliche Literatur listete Werte für die Leitfähigkeit auf, aber die Werte seien „hoch spekulativ“, sagte Hirose. Stattdessen wandte sich das Team der Forschung aus einem anderen Bereich zu als einer Wissenschaft, die auf alten Zivilisationen basiert: der Metallurgie. Metallurgie ist das Studium von Metallen, und seine Anfänge gehen auf frühe menschliche Siedlungen zurück, als das Schmieden von Metallen das Ticket für befestigende Armeen war. Die Metallurgie lebt heute als Zweig der Materialwissenschaft mit der Mineral-und Metallverarbeitung weiter.

„Solche Literatur war in der geowissenschaftlichen Gemeinschaft nicht bekannt“, sagte Hirose., Hiroses Team durchkämmte Metallurgiepapiere und führte Hochtemperaturexperimente im Labor durch und kam zu dem Schluss, dass die angenommenen Beziehungen zwischen elektrischem Widerstand und Eisen bei hohen Temperaturen zusammenbrachen, was darauf hindeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit von Eisen tatsächlich ziemlich hoch war. Wenn ihre Ergebnisse korrekt waren, kühlte der Kern sehr, sehr schnell ab.

Der Befund „brach alle Modelle“, sagte John Hernlund, Professor und stellvertretender Direktor des Earth-Life Science Institute., Hernlund, Hirose und andere schrieben die Ergebnisse in einem Bombshell-Papier im Jahr 2013 auf, das „ein virtuelles Erdbeben in der Geophysik-Community verursachte“, sagte Hernlund.

In einer Perspektive, die später in diesem Jahr in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, nannte Olson die Ausgabe das “ neue Kernparadoxon.“Wenn der Kern viel schneller abkühlt, als wir dachten, „ist der beste Weg, dieses Paradoxon zu umgehen, über das Standardmodell der Kernentwicklung hinauszudenken“, schrieb Olson. Wenn der innere Kern tatsächlich sehr jung war, mussten die Forscher besser erklären, wie der Geodynamo angetrieben wird.,

Diamond-Clad Lab Arbeiten

Die Wissenschaft Papier löste eine Flut von neuen Experimenten und Untersuchungen in der Theorie.

Die beiden Papiere, die 2016 in derselben Ausgabe von Nature veröffentlicht wurden, zeigten experimentelle Ansätze zum Festhalten des thermischen Verhaltens des Kerns.

Die autoren beider papiere verwendet diamant amboss zellen, eine hochdruck labor gerät. Die Zellen enthalten zwei Diamanten, perfekt poliert in Kegel mit ihren Spitzen rasiert. Die Wissenschaftler legen eine dünne Scheibe Eisen—nicht dicker als ein menschliches Haar—zwischen die Spitzen der Diamanten.

Seit Jahrzehnten nutzen Wissenschaftler das härteste Mineral der Erde, Diamant, für Laborexperimente., Kein anderes Mineral kann es kratzen, und wenn zwei gegenüberliegende Diamanten perfekt ausgerichtet sind, können sie eine Scheibe Eisen zu drücken weit größer als die des Erdkerns kneifen.

Hirose, der im Labor häufig Diamant-Ambosszellen verwendete, sagte, dass die Diamanten, obwohl sie stark sind, bei geringsten Formschwankungen unter hohem Druck reißen können. Erfahrene Polierer glätten die Seiten der Diamanten auf 1 Mikrometer, die Breite eines kleinen Bakteriums. Hirose nannte einen besonders erfahrenen Techniker „unseren Schatz“, weil nur wenige eine solche Präzision erreichen können.,

Diamanten haben ein weiteres Plus: Forscher können Laser durch ihre durchscheinenden Seiten schießen, um einen Wärmepuls in die Probe zu senden. Beide Studien verwendeten Laser, um ihre Proben auf Tausende von Kelvin zu erhitzen.

A Tale of Two Papers

In einem der Diamond anvil Experiments maß ein Team in Washington, DC, die Wärmeleitfähigkeit von Eisen mit zwei Lasern, um die Probe schnell zu erwärmen und ihre abgeleitete Temperaturänderung zu messen.,

Im anderen Experiment maß ein anderes Forscherteam aus Tokio die elektrische Leitfähigkeit von Eisen, eine Eigenschaft, die eng mit der Wärmeleitfähigkeit zusammenhängt, und verwendete dann eine empirische Beziehung, um die Wärmeleitfähigkeit zu berechnen.

Die Papiere fanden widersprüchliche Ergebnisse, und ihre Diskrepanzen zeigen, wie schwierig Hochdruckexperimente sein können. Die Tokyo-Gruppe schlug einen Wärmeleitfähigkeitswert von 88 (+29/-13) Watt pro Meter Kelvin an der Kern-Mantel-Grenze vor, während die Washington, DC, Gruppe 25 (±7) Watt pro Meter Kelvin vorschlug., Die Werteunterschiede mögen klein erscheinen, könnten aber den Unterschied zwischen einem Milliarden Jahre alten inneren Kern und einem relativen Neuling in der inneren Struktur der Erde bedeuten.

Die experimentellen Unterschiede „können mit der bevorzugten Kristallorientierung in den Proben zu tun haben“, sagte Stewart McWilliams, Forscher an der Universität Edinburgh und Mitautor der Studie des in Washington, DC ansässigen Teams.,

Hirose, der das Team in Japan leitete, stimmte zu, dass der Druck, der zum Komprimieren der Proben verwendet wird, die Orientierung der Kristallkörner in Eisen beeinflussen würde, und die beiden Teams hatten tatsächlich Messungen senkrecht zueinander durchgeführt.

Stewart sagte, er und andere konzentrieren sich nun auf die Modellierung der systematische Fehler in den Experimenten konnte bias-Messungen. Diese Fehler“ gehen einen kleinen Weg“, um die Diskrepanzen zu erklären,“ aber nicht genug“, sagte er.

Die Zeit wird zeigen, ob ein Mittelweg die Antwort ist., Quentin Williams, der an keiner der beiden Studien beteiligt war und eine Überprüfung der Wärmeleitfähigkeitsforschung in der Zeitschrift Annual Reviews of Earth and Planetary Sciences veröffentlichte, schrieb, dass “ dennoch, während zu erkennen, dass Zwischen Behauptungen sind hoch hazardous…it es wäre (für diesen Autor) nicht überraschend, wenn Wärmeleitfähigkeitswerte mit verbesserten theoretischen und experimentellen Verfeinerungen letztendlich zu Werten in einem breiten Bereich von 35 bis 80 Watt pro Meter konvergierten Kelvin unter den Bedingungen der Spitze des äußeren Kerns.,“

Ein kompositorischer Kompromiss

Wenn die Erde von einem homogenen Trümmerhaufen in ihren differenzierten, geschichteten Zustand verschmilzt, wird ihr Material durch Dichte getrennt. Schwimmendes Material wie Wasser, Luft und Silikate blieben oben und in der Mitte, und dichtes Material wie Eisen sank in die Mitte.

Aber laut seismischer Forschung, die bis Mitte des 20. Jahrhunderts zurückreicht, ist der Erdkern kein reines Eisen., Seismische Messungen zeigen, dass es etwa 10% weniger dicht als reines Eisen ist und aus Legierungen besteht, darunter Nickel und einige spezielle Rezeptur von leichteren Elementen, vielleicht Silizium, Sauerstoff, Magnesium und Kohlenstoff.

Dies könnte jedoch eine gute Nachricht für das Kernparadoxon sein. Das Vorhandensein leichterer Elemente kann die Konvektion im Kern antreiben und dem Geodynamo eine Konvektionsquelle geben, selbst wenn die thermische Konvektion zu schwach ist. Wenn leichtere Elemente Konvektion verursachen,gibt diese Quelle des Auftriebs eine Problemumgehung für das Kernparadoxon.,

Cohen, Hirose und viele andere untersuchen die Wirkung leichterer Elemente auf den Wärmetransport im Kern. „Es ist eine völlig offene Frage“, sagte Hirose.

Neuartige Follow-up-Studien erhöhen auch den Ante. Kenji Ohta, außerordentlicher Professor für Erd-und Planetenwissenschaften am Tokyo Institute of Technology, sagte, sein Labor erforsche eine Möglichkeit, Proben bei hohen Temperaturen und Drücken zu schmelzen, was die Wissenschaftler der Nachahmung des flüssigen äußeren Kerns der Erde einen Schritt näher bringt. Frühere Studien wurden größtenteils an festen Proben durchgeführt.,

„Das ist aufregendes Zeug“, sagte Williams über das Rennen, um eine Antwort zu finden. Die Frage nach dem Kern und der thermischen Entwicklung der Erde „wird für die nächsten 15 Jahre eine Herausforderung für die Gemeinschaft darstellen.“

„Es ist das zentrale Thema in der Evolution der Erde und der Entwicklung unseres Magnetfeldes“, fügte Williams hinzu. „Es ist etwas, das letztendlich nur herausgefunden werden muss. Und wenn Herausforderungen wie diese für die Community gestellt werden, werden sie manchmal langsam beantwortet, weil es schwierig ist, eine gute Antwort zu bekommen. Aber letztendlich werden sie beantwortet. Ich bin wirklich optimistisch.,“

—Jenessa Duncombe (@jrdscience), Staff Writer

Acknowledgments

“ dankt unserem Wissenschaftsberater Sébastien Merkel, Mineral-und Gesteinsphysik, für die Unterstützung bei der Entwicklung unseres Juli-Sonderthemas zu Hochdruck-Hochtemperaturexperimenten, das diesen Artikel enthält.