Superionischer Kohlenstoff:
Eisenkern der Erde eher Butter als Stahl

Kohlenstoff verhält sich unter den Bedingungen, wie man sie im Erdkern findet, auf eine bisher komplett unbekannte Art. Diesen neuen Zustand unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen haben Wissenschaftler aus China untersucht.

Seismische Wellen werden abgefedert

Der innere Erdkern, eine kompakte, feste Kugel aus Eisenlegierungen, liegt unter dem flüssigen äußeren Kern und wird von einem Druck von über 3,3 Millionen Atmosphären sowie Temperaturen ähnlich der Sonnenoberfläche beeinflusst. Lange Zeit rätselten Geophysiker über seine ungewöhnlichen Eigenschaften: Obwohl fest, wirkt er überraschend weich, verlangsamt seismische Scherwellen deutlich und zeigt eine Poisson-Zahl, die eher an Butter als an Stahl erinnert. Wie das feste Zentrum der Erde gleichzeitig stabil und nachgiebig sein kann, blieb lange ungeklärt.

Eine neue Forschungsarbeit, veröffentlicht in der National Science Review, liefert nun eine überzeugende Erklärung. Das Team um Youjun Zhang und Yuqian Huang von der Sichuan-Universität sowie Yu He vom Institut für Geochemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften konnte zeigen, dass Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei innerkernähnlichen Bedingungen in einen superionischen Zustand übergehen. In diesem Zustand bewegen sich Kohlenstoffatome schnell durch das starre Eisen-Gitter, was die Steifigkeit der Legierung erheblich reduziert.


"Zum ersten Mal konnten wir experimentell nachweisen, dass Eisen-Kohlenstoff-Legierungen unter innerkernähnlichen Bedingungen eine deutlich niedrigere Schergeschwindigkeit aufweisen", erklärt Zhang. "Die Kohlenstoffatome bewegen sich wie Kinder auf einem Tanzplatz durch das Eisen-Gitter, während das Eisen selbst fest und geordnet bleibt."

Neues Bild der Erde

Die Forschenden nutzten eine dynamische Schockkompressionsplattform, um Proben auf bis zu 7 km/s zu beschleunigen und Drücke von 140 Gigapascal sowie Temperaturen von rund 2600 Kelvin zu erzeugen - Bedingungen, die denen des inneren Kerns entsprechen. Durch Messungen der Schallgeschwindigkeit und detaillierte molekulardynamische Simulationen zeigte sich, dass die Kohlenstoffatome frei durch das Eisen-Gitter diffundieren. Dies erklärt die ungewöhnlich "weichen" seismischen Signale tief im Erdinneren.

Das Modell des superionischen Kerns hat weitreichende Konsequenzen: Die Bewegung leichter Elemente könnte nicht nur seismische Anisotropien erklären, sondern auch die Dynamik des Erdmagnetfelds beeinflussen. "Die atomare Diffusion im inneren Kern liefert eine bislang übersehene Energiequelle für den Geodynamo", so Huang.

Zhang betont, dass die Entdeckung eine neue Sicht auf das Erdinnere eröffnet: "Wir bewegen uns weg von einem starren Modell des inneren Kerns hin zu einem dynamischen Bild." Auch für andere erdähnliche Planeten und Exoplaneten könnten diese Erkenntnisse wichtige Hinweise auf deren magnetische und thermische Entwicklung liefern.


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