„Ein Planet im Planeten“ – Seismologen blicken ins Erdinnere

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 der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse stammen aus seismischen Daten der Erdbeben und Sensoren der Organisation des Vertrags über das umfassende Verbot von Nuklearversuchen. Sie legen nahe, dass der innere Kern zunächst schnell wuchs, sich mit der Zeit verlangsamte und möglicherweise flüssiges Eisen enthielt.

Im Zentrum der Erde befindet sich eine massive Metallkugel, eine Art „Planet im Planeten“, dessen Anwesenheit Leben auf der Oberfläche ermöglicht, zumindest wie wir es kennen.

Wie sich der innere Kern der Erde im Laufe der Zeit bildete, wuchs und entwickelte, bleibt ein Rätsel. Ein Forscherteam unter der Leitung der University of Utah möchte mithilfe seismischer Wellen natürlich vorkommender Erdbeben herausfinden. Obwohl diese Kugel mit einem Durchmesser von 2.442 Kilometern weniger als 1 % des Gesamtvolumens der Erde ausmacht, ist ihre Anwesenheit für das Magnetfeld des Planeten verantwortlich, ohne das der Planet ein ganz anderer Ort wäre.

Laut Guanning Pang, einem ehemaligen Doktoranden am Fachbereich Geologie und Geophysik der University of Utah, handelt es sich beim inneren Kern jedoch nicht um die monolithische Masse, von der Wissenschaftler einst angenommen hatten, sondern eher um einen Wandteppich aus verschiedenen „Stoffen“.

„Zum ersten Mal haben wir bestätigt, dass diese Art von Heterogenität im inneren Kern allgegenwärtig ist“, sagte Pang. Pang ist jetzt Postdoktorand an der Cornell University und Hauptautor einer neuen Studie, die am 5. Juli in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Natur Das öffnet ein Fenster in die tiefsten Bereiche der Erde. Er führte die Studie im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Utah State University durch.

Die andere letzte Grenze

„Bei unserer Studie ging es darum, in den inneren Kern zu blicken“, sagte der Seismologe Keith Cooper von der University of Utah, der die Studie leitete. „Es ist wie ein Grenzgebiet. Wann immer Sie das Innere von etwas fotografieren möchten, müssen Sie die oberflächlichen Effekte loswerden. Dies ist also der schwierigste Ort, um die Bilder zu machen, der tiefste Teil, und es gibt immer noch Dinge, die darüber unbekannt sind.“

Diese Forschung nutzte einen proprietären Datensatz, der von einem globalen Netzwerk seismischer Arrays zur Erkennung nuklearer Explosionen generiert wurde. 1996 richteten die Vereinten Nationen die Vorbereitungskommission für die Organisation des Vertrags über das umfassende Verbot von Nuklearversuchen ein. Umfassende Organisation des Vertrags über das Verbot von NuklearversuchenUm sicherzustellen, dass der internationale Vertrag zum Verbot solcher Bombenanschläge eingehalten wird.

Geologieprofessor Keith Cooper leitet die Seismographenstationen an der University of Utah. Bildnachweis: University of Utah

Sein Herzstück ist das International Monitoring System (IMS), das vier weltweit eingesetzte Explosionserkennungssysteme mit fortschrittlichen Sensoren umfasst. Während ihr Ziel ein internationales Verbot nuklearer Explosionen ist, haben sie eine Fülle von Daten geliefert, die Wissenschaftler nutzen können, um neues Licht auf die Vorgänge im Erdinneren, in den Ozeanen und in der Atmosphäre zu werfen.

Diese Daten erleichterten die Suche nach Meteoritenexplosionen, die Identifizierung einer Kolonie von Zwergblauwalen, erweiterte Wettervorhersagen und lieferten Einblicke in die Entstehung von Eisbergen.

Obwohl die Erdoberfläche genau kartiert und charakterisiert wurde, ist ihr Inneres viel schwieriger zu untersuchen, da es nicht direkt zugänglich ist. Die besten Werkzeuge, um diese verborgene Welt zu erspüren, sind die seismischen Wellen von Erdbeben, die sich von der dünnen Kruste des Planeten ausbreiten und durch den felsigen Mantel und den metallischen Kern vibrieren.

Der Planet entstand aus Asteroiden, die sich anhäuften [in space]. Sie prallen aufeinander und es entsteht eine Menge Energie. Wenn also der gesamte Planet entsteht, schmilzt er“, sagte Cooper. „Es ist einfach so, dass Eisen schwerer ist und es zu dem kommt, was wir Kernbildung nennen.“ Mineralien sinken in der Mitte ab, Flüssigkeit versteinert und verfestigt sich dann im Laufe der Zeit im Grunde. Der Grund, warum alle Mineralien fallen, ist, dass sie schwerer als Steine ​​sind.“

Planet innerhalb eines Planeten

In den letzten Jahren hat Coopers Labor sensible seismische Daten des inneren Kerns analysiert. vorherige StudieDie von Bang geleitete Forschergruppe identifizierte Unterschiede zwischen der Erdrotation und dem inneren Erdkern, die möglicherweise zu einer Verschiebung der Tageslänge von 2001 auf 2003 geführt 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.

Seismographenstationen auf dem Campus U zeichnen Bodenbewegungen auf. Bildnachweis: Dave Tittensor/Universität Utah

sagte Cooper, ein Geologieprofessor, der leitet Seismographenstationen an der University of Utah.

Er sagte, dass das Schutzfeld aus magnetischer Energie, das die Erde umgibt, durch Konvektion erzeugt wird, die innerhalb des flüssigen äußeren Kerns auftritt, der sich 2.260 Kilometer (1.795 Meilen) über den festen Kern erstreckt. Geschmolzenes Metall steigt über den festen inneren Kern auf, kühlt ab, wenn es sich dem felsigen Erdmantel nähert, und sinkt ab. Dieser Spin erzeugt Elektronenbänder, die den Planeten umhüllen. Ohne einen festen inneren Kern wäre dieses Feld viel schwächer und die Oberfläche des Planeten 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 Seismometersätzen auf der ganzen Welt aufgezeichnet wurden, darunter zwei in der Antarktis. Der nächstgelegene 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.

Bang analysierte seismische Wellen von 2.455 Erdbeben, die alle eine Stärke von 5,7 überstiegen, was etwa der Stärke des Erdbebens von 2020 entspricht, das Salt Lake City erschütterte. Die Art und Weise, wie diese Wellen vom inneren Kern abprallen, hilft dabei, seine innere Struktur abzubilden.
Kleinere Erdbeben erzeugen keine Wellen, die stark genug sind, um für die Untersuchung nützlich zu sein.

„Dieses Signal, das vom inneren Kern kommt, ist wirklich klein. Die Größe liegt in der Größenordnung von Nanometern. Wir suchen nach der Nadel im Heuhaufen. Daher ist es sehr schwierig, diese Babyechos und Reflexionen zu erkennen.“

Das Wesentliche verändert sich

Wissenschaftler nutzten seismische Wellen erstmals im Jahr 1936, um zu bestimmen, dass der innere Kern fest war. Vor der Entdeckung durch die dänische Seismologin Inge Lehmann ging man davon aus, dass der gesamte Kern flüssig sei, weil er so heiß sei (nahe 10.000 Grad).[{“ 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