Überraschung im Erdkern

Diskrepanz erklärt? Entscheidend für das Erdmagnetfeld ist offenbar nicht nur das Eisen im Erdkern, sondern vor allem der Nickelanteil. Erst dieses Metall könnte die Konvektionsströme im äußeren Erdkern überhaupt möglich machen. Der Grund: Während Eisen bei Hitze und hohem Druck Wärme zu gut leitet, wirkt Nickel eher als Bremser – und könnte so die nötigen Temperaturunterschiede erzeugen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.

Ohne das schützende Magnetfeld hätte unser Planet möglicherweise nie Leben hervorgebracht. Denn erst dieser planetare Schutzschild bewahrt uns vor tödlicher Strahlung aus dem All. Angetrieben wird das Magnetfeld von Konvektionsströmen im flüssigen äußeren Erdkern, so viel scheint klar. Doch warum diese Strömungen überhaupt existieren und wie sie in Gang kamen, lässt sich bisher nur in Teilen erklären.

Eisen leitet zu gut

Einer der Gründe dafür: die Wärmeleitfähigkeit des Eisens. Das Metall ist schon unter Normalbedingungen ein guter Wärmeleiter – und in der enormen Hitze und dem hohen Druck des Erdkerns verstärkt sich dies noch. Denn unter diesen Bedingungen wandelt sich die Gitterstruktur des Eisens zu einer besonders kompakten, noch besser wärmeleitenden Form.

Genau hier aber liegt das Problem: „Würde das Erdinnere nur aus Eisen bestehen, so könnten die frei beweglichen Elektronen im Eisen ganz alleine für den nötigen Wärmetransport sorgen, ohne dass dabei Konvektionsströme entstehen müssten“, erklärt Karsten Held von der TU Wien. „Dann gäbe es allerdings auch kein Erdmagnetfeld.“

Liegt die Erklärung im Nickel?

Bisher jedoch berücksichtigen die gängigen Modelle des Geodynamos meist nur das Eisen als Akteur – und können diese Diskrepanz daher nicht auflösen. „Die gängigen Modelle für das Erdmagnetfeld arbeiten mit Werten für die elektrische und die thermische Leitfähigkeit der Metalle im Erdinneren, die mit der Realität nicht übereinstimmen können“, erklärt Giorgio Sangiovanni von der Universität Würzburg.

Die räumliche Anordnung der Atome bei Eisen und Nickel unter Extrembedingungen unterscheidet sich - udn bewirkt eine unterschiedlcihe Wärmeleitfähigkeit. © Michael Karolak

Doch jetzt könnten die Forscher eine Lösung für dieses Dilemma gefunden haben: Nickel. Denn der Erdkern enthält nicht nur Eisen, sondern auch bis zu 20 Prozent Nickel. Wie sich dieses Metall allein und in Kombination mit Eisen unter den Bedingungen des Erdkerns verhält, haben die Wissenschaftler mit aufwändigen Modellsimulationen untersucht.

„Wir nehmen die bekannten Eigenschaften von Atomen als Input, beziehen die Erkenntnisse der Quantenmechanik mit ein und versuchen damit, das Verhalten großer Atomverbünde zu berechnen“, sagt Erstautor Andreas Hausoel von der Universität Würzburg.

Ungewöhnliches Verhalten

Das überraschende Ergebnis: „Nickel verhält sich unter Druck anders als Eisen“, berichtet Hausoel. „Bei diesem Metall sitzen die Atome schon im Normalzustand so dicht gepackt in der Würfelstruktur wie möglich. Sie verändern diese Anordnung auch dann nicht, wenn Temperatur und Druck sehr groß werden.“ Dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit von Nickel auch im Erdkern deutlich geringer als beim Eisen.

Das könnte erklären, warum es im äußeren Erdkern trotz des gut leitenden Eisens Konvektionsströmungen gibt: Wegen des Nickel-Anteils kann die Temperatur im Erdkern nicht mehr bloß durch die Bewegung von Elektronen abtransportiert werden, wie die Forscher erklären. Dadurch können Temperaturunterschiede entstehen, die groß genug sind, um Konvektionsströmungen anzutreiben. „Unsere Ergebnisse könnten daher eine wichtige Rolle für die Modelle des Geodynamos spielen“, konstatieren die Wissenschaftler. (Nature Communications, 2017; doi: 10.1038/ncomms16062)

(Technische Universität Wien/ Universität Würzburg, 14.07.2017 – NPO)