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Ein Forscherteam hat herausgefunden, dass der innere Kern der Erde keine homogene Masse, sondern ein komplizierter „Wandteppich“ aus unterschiedlichen Stoffen ist. Diese Forschung liefert neue Einblicke in die Entstehung, Entwicklung der Erde und die Entstehung ihres schützenden Magnetfelds.
Forscher der University of Utah haben herausgefunden, dass der innere Kern der Erde keine homogene Masse, sondern ein komplexes Geflecht aus verschiedenen Stoffen ist. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse stammen aus seismischen Daten von Erdbeben und den Sensorinstrumenten des CTBTO. Sie deuten darauf hin, dass der innere Kern zunächst schnell wuchs, sich mit der Zeit verlangsamte und möglicherweise flüssiges Eisen darin eingeschlossen war.
Im Zentrum der Erde befindet sich eine massive Metallkugel, eine Art „Planet im Planeten“, dessen Existenz Leben auf der Oberfläche ermöglicht, zumindest so, wie wir es kennen.
Wie sich der innere Kern der Erde im Laufe der Zeit bildete, wuchs und entwickelte, bleibt ein Rätsel, das ein Team von Forschern unter der Leitung der University of Utah mit Hilfe seismischer Wellen natürlich auftretender Erdbeben erforschen will. Obwohl diese Kugel mit einem Durchmesser von 2.442 Kilometern weniger als 1 % des Gesamtvolumens der Erde ausmacht, ist ihre Existenz für das Magnetfeld des Planeten verantwortlich, ohne das der Planet ein ganz anderer Ort wäre.
Laut Guanning Pang, einem ehemaligen Doktoranden am Department of Geology & Geophysics der University of Utah, handelt es sich beim inneren Kern jedoch nicht um die homogene Masse, die einst von Wissenschaftlern angenommen wurde, sondern eher um einen Wandteppich aus verschiedenen „Stoffen“.
„Zum ersten Mal haben wir bestätigt, dass diese Art von Inhomogenität überall im inneren Kern vorhanden ist“, sagte Pang. Pang ist jetzt Postdoktorand an der Cornell University und Hauptautor einer neuen Studie, die am 5. Juli in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Das öffnet ein Fenster in die tiefsten Bereiche der Erde. Er führte die Studie im Rahmen seiner Doktorarbeit in Utah durch.
Die andere letzte Grenze
„Bei unserer Studie ging es darum, in den inneren Kern zu blicken“, sagte der Seismologe Keith Koper von der University of Utah, der die Studie beaufsichtigte. „Es ist wie ein Grenzgebiet. Wann immer Sie sich das Innere von etwas vorstellen möchten, müssen Sie die oberflächlichen Effekte entfernen. Dies ist also der schwierigste Ort, um Bilder zu machen, der tiefste Teil, und es gibt immer noch Dinge, die darüber unbekannt sind.“
Diese Forschung nutzte einen speziellen Datensatz, der von einem globalen Netzwerk seismischer Arrays generiert wurde, die zur Erkennung nuklearer Explosionen eingerichtet wurden. 1996 richteten die Vereinten Nationen die Vorbereitungskommission für die Organisation des Vertrags über das umfassende Verbot von Nuklearversuchen ein. CTBTOum die Einhaltung des internationalen Vertrags zum Verbot solcher Explosionen sicherzustellen.
Der Geologieprofessor Keith Koper leitet die Seismographenstationen der University of Utah. Bildnachweis: University of Utah
Sein Herzstück ist das International Monitoring System (IMS), das vier Systeme zur Erkennung von Explosionen mithilfe fortschrittlicher Sensorinstrumente umfasst, die auf der ganzen Welt verteilt sind. Während ihr Zweck darin besteht, ein internationales Verbot nuklearer Detonationen durchzusetzen, haben sie eine Fülle von Daten hervorgebracht, die Wissenschaftler nutzen können, um neues Licht auf die Vorgänge im Erdinneren, in den Ozeanen und in der Atmosphäre zu werfen.
Diese Daten haben Forschungen erleichtert, die Meteorexplosionen beleuchteten, eine Kolonie von Zwergblauwalen identifizierten, Wettervorhersagen verbesserten und Einblicke in die Entstehung von Eisbergen lieferten.
Während die Erdoberfläche gründlich kartiert und charakterisiert wurde, ist ihr Inneres viel schwieriger zu untersuchen, da es nicht direkt zugänglich ist. Die besten Werkzeuge, um dieses verborgene Reich zu erspüren, sind die seismischen Wellen von Erdbeben, die sich von der dünnen Kruste des Planeten ausbreiten und durch seinen felsigen Mantel und metallischen Kern vibrieren.
„Der Planet entstand aus Asteroiden, die sich irgendwie ansammelten [in space]. Sie treffen aufeinander und es entsteht eine Menge Energie. Wenn also der gesamte Planet entsteht, schmilzt er“, sagte Koper. „Es ist einfach so, dass das Eisen schwerer ist und es zu dem kommt, was wir Kernbildung nennen. Die Metalle sinken in die Mitte, das flüssige Gestein bleibt außen und gefriert dann mit der Zeit praktisch. Der Grund, warum all die Metalle dort unten sind, ist, dass sie schwerer sind als die Steine.“
Ein Planet innerhalb eines Planeten
Seit einigen Jahren analysiert Kopers Labor seismische Daten, die für den inneren Kern relevant sind. Eine frühere StudieDas von Pang geleitete Forscherteam identifizierte Unterschiede zwischen der Rotation der Erde und dem inneren Kern, die möglicherweise eine Verschiebung der Tageslänge in den Jahren 2001 bis 2003 ausgelöst haben.
Der Erdkern hat einen Durchmesser von etwa 7.000 Kilometern und besteht neben einigen anderen Elementen hauptsächlich aus Eisen und etwas Nickel. Der äußere Kern bleibt flüssig und umhüllt den festen inneren Kern.
Die auf dem U-Campus untergebrachten Seismographenstationen zeichnen Erdbewegungen auf. Bildnachweis: Dave Titensor/Universität Utah
„Es ist wie ein Planet innerhalb eines Planeten, der seine eigene Rotation hat und durch diesen großen Ozean aus geschmolzenem Eisen entkoppelt ist“, sagte Koper, ein Geologieprofessor, der das Institut leitet Seismographenstationen der University of Utah.
Das schützende Feld aus magnetischer Energie, das die Erde umgibt, entsteht durch Konvektion im flüssigen Außenkern, der sich 2.260 Kilometer (1.795 Meilen) über den festen Kern erstreckt, sagte er. Das geschmolzene Metall steigt über den festen inneren Kern auf, kühlt ab, während es sich dem felsigen Erdmantel nähert, und sinkt ab. Diese Zirkulation erzeugt die Elektronenbänder, die den Planeten umhüllen. Ohne einen festen inneren Kern wäre dieses Feld viel schwächer und die Planetenoberfläche würde mit Strahlung und Sonnenwinden bombardiert, die die Atmosphäre zerstören und die Oberfläche unbewohnbar machen würden.
Für die neue Studie untersuchte das Team der University of Utah seismische Daten, die von 20 Seismometeranordnungen auf der ganzen Welt aufgezeichnet wurden, darunter zwei in der Antarktis. Der nächstgelegene Ort zu Utah liegt außerhalb von Pinedale, Wyoming. Diese Instrumente werden in bis zu 10 Meter tiefe Bohrlöcher in Granitformationen eingesetzt und in Mustern angeordnet, um die empfangenen Signale zu bündeln, ähnlich wie Parabolantennen.
Pang analysierte seismische Wellen von 2.455 Erdbeben, die alle eine Stärke von mehr als 5,7 hatten, was etwa der Stärke des Bebens von 2020 entspricht, das Salt Lake City erschütterte. Die Art und Weise, wie diese Wellen vom inneren Kern abprallen, hilft bei der Kartierung seiner inneren Struktur.
Kleinere Beben erzeugen keine Wellen, die stark genug sind, um für die Studie nützlich zu sein.
„Dieses Signal, das vom inneren Kern zurückkommt, ist wirklich winzig. Die Größe liegt in der Größenordnung eines Nanometers“, sagte Koper. „Wir suchen nach der Nadel im Heuhaufen.“ Daher sind diese Echos und Reflexionen des Babys sehr schwer zu erkennen.“
Der Kern verändert sich
Wissenschaftler nutzten seismische Wellen erstmals im Jahr 1936, um festzustellen, dass der innere Kern fest war. Vor der Entdeckung durch die dänische Seismologin Inge Lehmann ging man davon aus, dass der gesamte Kern flüssig war, da er außerordentlich heiß ist und sich der 10.000-Grad-Marke nähert[{” attribute=””>Fahrenheit, about the temperature on the sun’s surface.
At some point in Earth’s history, the inner core started “nucleating,” or solidifying, under the intense pressures existing at the center of the planet. It remains unknown when that process began, but the University of Utah team gleaned important clues from the seismic data, which revealed a scattering effect associated with waves that penetrated to the core’s interior.
“Our biggest discovery is the inhomogeneity tends to be stronger when you get deeper. Toward the center of Earth it tends to be stronger,” Pang said.
“We think that this fabric is related to how fast the inner core was growing. A long time ago the inner core grew really fast. It reached an equilibrium, and then it started to grow much more slowly,” Koper said. “Not all of the iron became solid, so some liquid iron could be trapped inside.”
Participating in the study, which was funded by the National Science Foundation, were researchers from the University of Southern California, the Université de Nantes in France, and the Los Alamos National Laboratory.
Reference: “Enhanced inner core fine-scale heterogeneity towards Earth’s centre” by Guanning Pang, Keith D. Koper, Sin-Mei Wu, Wei Wang, Marine Lasbleis and Garrett Euler, 5 July 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06213-2
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