Das Erdzentrum ist 1.000 Grad heißer als bisher angenommen

Das Erdzentrum ist 1.000 Grad heißer als bisher angenommen
Anonim

von European Synchrotron Radiation Facility

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Wissenschaftler haben festgestellt, dass die Temperatur in der Nähe des Erdzentrums 6000 Grad Celsius beträgt, 1000 Grad heißer als in einem vor 20 Jahren durchgeführten Experiment. Diese Messungen bestätigen geophysikalische Modelle, dass der Temperaturunterschied zwischen dem festen Kern und dem darüber liegenden Mantel mindestens 1500 Grad betragen muss, um zu erklären, warum die Erde ein Magnetfeld aufweist. Die Wissenschaftler konnten sogar feststellen, warum das frühere Experiment eine niedrigere Temperaturzahl ergeben hatte. Die Ergebnisse werden am 26. April 2013 in Science veröffentlicht .

Das Forschungsteam wurde von Agnès Dewaele von der französischen nationalen Technologieforschungsorganisation CEA zusammen mit Mitgliedern des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung CNRS und der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage ESRF in Grenoble (Frankreich) geleitet.

Der Erdkern besteht hauptsächlich aus einer Kugel aus flüssigem Eisen bei Temperaturen über 4000 Grad und Drücken von mehr als 1, 3 Millionen Atmosphären. Unter diesen Bedingungen ist Eisen so flüssig wie das Wasser in den Ozeanen. Erst im Zentrum der Erde, wo Druck und Temperatur noch höher steigen, erstarrt das flüssige Eisen. Die Analyse erdbebenausgelöster seismischer Wellen, die durch die Erde fließen, zeigt die Dicke der festen und flüssigen Kerne und sogar, wie der Druck in der Erde mit der Tiefe zunimmt. Diese Wellen liefern jedoch keine Informationen über die Temperatur, was einen wichtigen Einfluss auf die Bewegung des Materials innerhalb des flüssigen Kerns und des darüber liegenden festen Mantels hat. In der Tat ist der Temperaturunterschied zwischen dem Mantel und dem Kern der Hauptantrieb für großflächige Wärmebewegungen, die zusammen mit der Erdrotation wie ein Dynamo wirken, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Das Temperaturprofil im Erdinneren untermauert auch geophysikalische Modelle, die die Entstehung und Intensität von Hot-Spot-Vulkanen wie den Hawaii-Inseln oder La Réunion erklären.

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Um ein genaues Bild des Temperaturprofils im Erdmittelpunkt zu erhalten, können Wissenschaftler den Schmelzpunkt von Eisen bei verschiedenen Drücken im Labor untersuchen. Dabei wird eine Diamant-Amboss-Zelle verwendet, um Proben in der Größe von Flecken auf Drücke von mehreren Millionen Atmosphären zu komprimieren Laserstrahlen, um sie auf 4000 oder sogar 5000 Grad Celsius zu erwärmen. "In der Praxis müssen viele experimentelle Herausforderungen bewältigt werden", erklärt Agnès Dewaele von CEA, "da die Eisenprobe thermisch isoliert werden muss und auch nicht chemisch behandelt werden darf Selbst wenn eine Probe die extremen Temperaturen und Drücke im Erdmittelpunkt erreicht, dauert dies nur wenige Sekunden. In diesem kurzen Zeitraum ist es äußerst schwierig festzustellen, ob sie zu schmelzen begonnen hat oder nicht ist noch fest ".

Hier kommen Röntgenstrahlen ins Spiel. "Wir haben eine neue Technik entwickelt, bei der ein intensiver Röntgenstrahl des Synchrotrons eine Probe untersuchen und mithilfe eines bekannten Beugungsverfahrens in nur einer Sekunde feststellen kann, ob sie fest, flüssig oder teilweise geschmolzen ist", sagt Mohamed Mezouar von der ESRF, "und dies ist kurz genug, um Temperatur und Druck konstant zu halten und gleichzeitig chemische Reaktionen zu vermeiden".

Die Wissenschaftler bestimmten experimentell den Schmelzpunkt von Eisen bis zu 4800 Grad Celsius und 2, 2 Millionen Atmosphären Druck und ermittelten dann mithilfe einer Extrapolationsmethode, dass bei 3, 3 Millionen Atmosphären der Druck an der Grenze zwischen flüssigem und festem Kern 6000 ° C beträgt +/- 500 Grad. Dieser extrapolierte Wert könnte sich geringfügig ändern, wenn Eisen einen unbekannten Phasenübergang zwischen dem gemessenen und dem extrapolierten Wert erfährt.

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Beim Durchsuchen des Druck- und Temperaturbereichs stellten die Wissenschaftler fest, warum Reinhard Boehler, damals am MPI für Chemie in Mainz (Deutschland), 1993 Werte um 1000 Grad niedriger veröffentlicht hatte. Ab 2400 Grad treten Rekristallisationseffekte auf der Oberfläche der Eisenproben auf, die zu dynamischen Änderungen der Kristallstruktur des festen Eisens führen. Das Experiment vor zwanzig Jahren verwendete eine optische Technik, um zu bestimmen, ob die Proben fest oder geschmolzen waren, und es ist sehr wahrscheinlich, dass die Beobachtung der Rekristallisation an der Oberfläche als Schmelzen interpretiert wurde.

"Wir sind natürlich sehr zufrieden, dass unser Experiment die heutigen besten Theorien zur Wärmeübertragung vom Erdkern und zur Erzeugung des Erdmagnetfelds bestätigt hat. Ich bin zuversichtlich, dass wir in nicht allzu ferner Zukunft in unseren Labors reproduzieren können, und mit Synchrotron-Röntgenstrahlen jeden Materiezustand auf der Erde untersuchen ", schließt Agnès Dewaele.