Forscher entdecken neuen Materiezustand im Erdkern

Seit Jahrzehnten wissen Forschende, dass sich der innere Erdkern ungewöhnlich verhält – er wirkt gleichzeitig fest und merkwürdig weich.

Nun liefert neue experimentelle Evidenz eine schlüssige Erklärung für dieses lange bestehende Rätsel.

Bisher hatten Seismologinnen und Seismologen beobachtet, dass Scherwellen sich deutlich verlangsamen, wenn sie den inneren Kern durchqueren, obwohl dort extrem hoher Druck und große Hitze herrschen. Seine mechanische Reaktion erinnerte eher an eine formbare Substanz als an die eisenreiche Kugel, die die Wissenschaft erwartet hatte.

Doch laut einer in National Science Review veröffentlichten Studie könnte die Antwort in einem exotischen physikalischen Zustand liegen.

Eine superionische Phase

Forschende der Sichuan-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften berichten, dass sich der innere Kern nicht wie ein gewöhnlicher Festkörper verhält, sondern in eine superionische Phase eintritt, in der sich leichte Elemente innerhalb eines starren Eisengerüsts so frei bewegen wie in einer Flüssigkeit.

Das Team unter der Leitung von Prof. Youjun Zhang und Dr. Yuqian Huang gemeinsam mit Prof. Yu He kommt zu dem Schluss, dass Eisen-Kohlenstoff-Legierungen unter den Druckbedingungen des inneren Kerns es Kohlenstoffatomen ermöglichen, sich rasch durch das Eisenatomgitter zu bewegen.

Diese Beweglichkeit schwächt die Steifigkeit des Materials erheblich, ohne die Gesamtstruktur zu zerstören.

Ungewöhnliche atomare Bewegung

Wie Science Daily berichtet, sagen die Forschenden, ihre Experimente lieferten eindeutige Hinweise auf diesen Prozess.

„Zum ersten Mal haben wir experimentell gezeigt, dass eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung unter Bedingungen des inneren Kerns eine bemerkenswert niedrige Scherwellengeschwindigkeit aufweist“, sagte Prof. Zhang.

Er verglich die Bewegung der Kohlenstoffatome mit „Kindern, die sich durch einen Square Dance schlängeln“, wobei sie zwischen Eisenatomen hindurchgleiten, die weiterhin in einem kristallinen Muster fixiert bleiben.

Obwohl frühere Computermodelle aus dem Jahr 2022 auf ein solches superionisches Verhalten hingedeutet hatten, war ein experimenteller Nachweis schwierig. Mithilfe eines dynamischen Schockkompressionssystems beschleunigte das Team Eisen-Kohlenstoff-Proben auf rund 7 km pro Sekunde und simulierte so Drücke von bis zu 140 Gigapascal und Temperaturen nahe 2600 Kelvin.

Ihre Messungen ergaben seismische Eigenschaften, die den tief im Erdinneren beobachteten entsprechen, darunter ein starker Anstieg der Poisson-Zahl und ein drastischer Abfall der Scherwellengeschwindigkeit.

Molekulare Simulationen zeigten Atome, die sich frei innerhalb des Gitters bewegten, ohne die Struktur zum Einsturz zu bringen.

Wandelnde wissenschaftliche Modelle

Diese Ergebnisse könnten das Verständnis der Forschenden über die inneren Prozesse des Planeten verändern. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass die Diffusion leichter Elemente helfen könnte, die seismische Anisotropie zu erklären, und möglicherweise Energie zum Geodynamo beiträgt, der das Erdmagnetfeld aufrechterhält.

Dr. Huang sagte: „Die atomare Diffusion im inneren Kern stellt eine bislang übersehene Energiequelle für den Geodynamo dar.“

Die Studie verfeinert zudem die Diskussion darüber, wie sich leichte Elemente unter extremem Druck verhalten, und verweist auf die Bedeutung interstitieller Festlösungen statt ausschließlich auf Verbindungen.

Prof. Zhang sagte, die Ergebnisse markierten eine Abkehr von der Vorstellung des inneren Kerns als starre Masse. Stattdessen beschrieb er ihn als eine dynamische Zone, die von der Bewegung leichterer Elemente geprägt wird.

Der gleiche Mechanismus, fügte er hinzu, könnte auch die Entwicklung felsiger Planeten jenseits der Erde beeinflussen.

Quellen: National Science Review, Science Daily