Irdisches Magnetfeld vom Nickel im Erdkern abhängig

13. Juli 2017, 07:00
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Deutsche und österreichische Physiker identifizieren das Metall in Simulationen als entscheidende Komponente

Wien – Das Magnetfeld der Erde wird vor allem durch Dynamowirkungen im flüssigen Teil des großteils aus Eisen aufgebauten Erdkerns erzeugt. Mit Eisen alleine lässt sich dieser Effekt aber nicht erklären, zeigen nun Simulationen von Würzburger und Wiener Physikern. Erst der rund 20-prozentige Nickelanteil im Kern gibt der Erde ihr Magnetfeld, berichten die Forscher im Fachjournal "Nature Communications".

Blick nach innen

Der knapp 7.000 Kilometer durchmessende Erdkern bildet das metallische Herz der Erde. Man geht davon aus, dass dort eine Mischung aus 80 Prozent Eisen und 20 Prozent Nickel bei einer Temperatur von bis zu 6.000 Grad Celsius unter einem extrem hohen Druck von mehreren hundert Gigapascal steht.

Der Dynamotheorie zufolge entstehen im flüssigen Teil des Erdkerns durch Temperaturunterschiede Strömungen, sogenannte Konvektionsströme. Die durch die Erdrotation verursachte Corioliskraft, die an der Erdoberfläche etwa Hoch- und Tiefdruckgebiete rotieren lässt, zwingt im Erdkern das flüssige Metall auf schraubenförmige Bahnen. Dadurch wird ein Wirbelstrom erzeugt, der schließlich das Erdmagnetfeld generiert.

Fehlendes Puzzleteil gesucht ...

Soweit ist die Dynamotheorie zur Entstehung des Erdmagnetfelds recht schlüssig. Allerdings war bisher nicht zu erklären, warum es im Erdkern überhaupt zu Konvektionsströmen kommen sollte. Denn Eisen ist ein guter Wärmeleiter, dessen Wärmeleitfähigkeit bei hohem Druck sogar noch besser wird.

"Die Elektronen können sich in Eisen relativ frei bewegen und damit – ohne dass sich die Atome bewegen müssen – die Wärme aus dem Erdkern abtransportieren – damit wäre das ganze Modell des Erddynamos, der das Erdmagnetfeld erzeugt, hinfällig", sagt Karsten Held von Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität (TU) Wien.

... und gefunden

Anders ist das allerdings, wenn Nickel ins Spiel kommt, zeigen die Berechnungen, die Held mit seinem Kollegen Alessandro Toschi und Kollegen von der Universität Würzburg zum Teil am Vienna Scientific Cluster durchgeführt hat. Denn Nickel verhält sich unter hohem Druck anders als Eisen.

Die Elektronen streuen im Nickel deutlich häufiger als im Eisen und ändern dadurch ihre Richtung. "Dadurch kommt es zum elektrischen Widerstand und damit auch zu einem Wärmewiderstand im System", so der Physiker. Die Wärme kann nicht mehr nur durch die Elektronen abtransportiert werden, auch die Atome selbst bewegen sich, werden durch Corioliskräfte abgelenkt – und der Erddynamo entfaltet seine Wirkung. (APA, red, 13. 7. 2017)

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