Die frühesten Tage der Erde:
Einzigartige Simulation sieht alles anders
Eine einzigartige Simulation des Erdmantels enthüllt unerwartete Prozesse in der Frühphase unseres Planeten. Forscher kombinierten erstmals Strömungsmechanik und Chemie, um die Verfestigung des Erdmantels aus dem Ur-Magma-Ozean nachzubilden.
Die in Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass sich die Grundstruktur des unteren Erdmantels bereits in den ersten 100 Millionen Jahren nach der Planetenentstehung bildete - deutlich früher als bisher angenommen. Der Mantel, eine Gesteinsschicht zwischen Erdkruste und -kern, beeinflusst demnach maßgeblich die Abkühlung des Kerns und damit die Entstehung des Erdmagnetfelds.
Was die Forscher überrascht: Die Kristallbildung, wichtig für das Entstehen fester Strukturen, fand nach den neuen Berechnungen hauptsächlich bei niedrigem Druck statt. "Bis jetzt gingen wir davon aus, dass die Geochemie des unteren Mantels wahrscheinlich durch chemische Reaktionen bei hohem Druck bestimmt wurde. Nun scheint es, dass wir auch Gegenstücke im Niederdruck-Bereich berücksichtigen müssen", erklärt Studienleiter Charles-Édouard Boukaré.
Wichtige Innovationen für die Simulation:
Die Ergebnisse könnten weitreichende Folgen für unser Verständnis der Planetenbildung haben. Sie stellen bisherige Annahmen über die Verfestigung von Gesteinsplaneten infrage und deuten darauf hin, dass Prozesse bei niedrigem Druck eine größere Rolle spielen als bisher angenommen.
Siehe auch:
Erde neu gedacht: Simulation enthüllt Urzeit-Geheimnisse
Um die Entwicklung alter Planeten zu verstehen, ist es wichtig, das Verhalten junger Planeten zu erforschen. Da sich bisherige Simulationen auf den festen Zustand des Mantels konzentrierten, entwickelte ein Forscherteam der York University unter der Leitung von Assistant Professor Charles-Édouard Boukaré ein neues Modell, um die frühe Erde mit ihrem viel heißeren und stärker geschmolzenen Mantel zu simulieren.Die in Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass sich die Grundstruktur des unteren Erdmantels bereits in den ersten 100 Millionen Jahren nach der Planetenentstehung bildete - deutlich früher als bisher angenommen. Der Mantel, eine Gesteinsschicht zwischen Erdkruste und -kern, beeinflusst demnach maßgeblich die Abkühlung des Kerns und damit die Entstehung des Erdmagnetfelds.
Was die Forscher überrascht: Die Kristallbildung, wichtig für das Entstehen fester Strukturen, fand nach den neuen Berechnungen hauptsächlich bei niedrigem Druck statt. "Bis jetzt gingen wir davon aus, dass die Geochemie des unteren Mantels wahrscheinlich durch chemische Reaktionen bei hohem Druck bestimmt wurde. Nun scheint es, dass wir auch Gegenstücke im Niederdruck-Bereich berücksichtigen müssen", erklärt Studienleiter Charles-Édouard Boukaré.
Diese Studie ist die erste, die anhand eines physikalischen Modells zeigt, dass die ersten Merkmale der Struktur des unteren Erdmantels vor vier Milliarden Jahren entstanden sind.Das fortschrittliche Modell, das den Forschern ganz neue Einblicke in die Vergangenheit der Erde gewährt, basiert auf einem Mehrphasen-Strömungsansatz. Der erfasst erstmals die Dynamik der Verfestigung des Magmas im planetaren Maßstab. So wird die Simulation des Übergangs des frühen Mantels vom geschmolzenen in den festen Zustand möglich. Die Forscher konnten die komplexen thermochemischen Prozesse während der Erdentstehung mit bisher unerreichtem Detailgrad nachbilden.
Wichtige Innovationen für die Simulation:
- Numerischer Code "Bambari": Dies ist das Kernstück der Simulation. "Bambari" ist ein komplexes Computerprogramm, das physikalische Gesetze und Materialeigenschaften nutzt, um die Vorgänge im Erdinneren nachzubilden. Es löst mathematische Gleichungen, die beschreiben, wie Wärme transportiert wird, wie sich Materialien vermischen und wie sich der Zustand von Gestein (fest oder flüssig) in Abhängigkeit von Temperatur und Druck ändert.
- Mehrphasen-Strömungsmodellierung: Das Modell berücksichtigt, dass im Erdinneren verschiedene Phasen gleichzeitig existieren und miteinander interagieren: feste Kristalle und flüssiges Magma. Es beschreibt, wie diese Phasen sich relativ zueinander bewegen und wie ihre unterschiedlichen Dichten und Viskosität diesen Prozess beeinflussen.
- Berücksichtigung von Dichteunterschieden und Schmelzpunkten: Ein entscheidender Aspekt ist, dass das Modell die unterschiedlichen Dichten von Schmelze (Magma) und festem Gestein sowie deren Schmelzpunkte berücksichtigt. Insbesondere wird die Möglichkeit berücksichtigt, dass die Dichte von Schmelze und Feststoffen in unterschiedlichen Tiefen des Mantels sich umkehren kann. Dies hat einen großen Einfluss darauf, wo sich bestimmte Materialien ansammeln.
Die Ergebnisse könnten weitreichende Folgen für unser Verständnis der Planetenbildung haben. Sie stellen bisherige Annahmen über die Verfestigung von Gesteinsplaneten infrage und deuten darauf hin, dass Prozesse bei niedrigem Druck eine größere Rolle spielen als bisher angenommen.
Zusammenfassung
- Neuartige Simulation zeigt unerwartete Prozesse bei Erdmantelbildung
- Kombination von Strömungsmechanik und Chemie für Mantelbildung simuliert
- Grundstruktur des unteren Erdmantels bildete sich in ersten 100 Mio. Jahren
- Kristallbildung erfolgte hauptsächlich bei niedrigem Druck
- Mehrphasen-Strömungsansatz erfasst Dynamik der Magmaverfestigung
- Numerischer Code 'Bambari' als Kernstück der komplexen Simulation
- Ergebnisse stellen bisherige Annahmen zur Planetenbildung infrage
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