Erdkern

Der äußere Erdkern ist eine etwa 2.260 km dicke, flüssige Schicht, die hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht und über dem festen inneren Erdkern und unter dem Erdmantel liegt . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Der äußere Kern beginnt etwa 2.889 km unter der Erdoberfläche an der Kern-Mantel-Grenze und endet 5.150 km unter der Erdoberfläche an der Grenze zum inneren Kern. ^{[ 4 ]}

Der äußere Erdkern ist flüssig, im Gegensatz zum festen inneren Kern . ^{[ 5 ]} Seismologische Untersuchungen belegen, dass seismische Scherwellen den äußeren Kern nicht durchdringen. ^{[ 6 ]} Obwohl der äußere Kern eine ähnliche Zusammensetzung wie der feste innere Erdkern aufweist, bleibt er flüssig, da der Druck nicht ausreicht, um ihn im festen Zustand zu halten.

Seismische Inversionen von Raumwellen und Eigenschwingungen bestimmen den Radius des äußeren Kerns mit einer Unsicherheit von 5 km auf 3483 km, während der Radius des inneren Kerns 1220 ± 10 km beträgt. ^{[ 7 ] : 94}

Schätzungen zufolge liegt die Temperatur des äußeren Erdkerns in seiner äußeren Region bei etwa 3.000–4.500 K (2.700–4.200 °C; 4.900–7.600 °F) und in der Nähe des inneren Kerns bei 4.000–8.000 K (3.700–7.700 °C; 6.700–14.000 °F). ^{[ 8 ]} Modellierungen haben gezeigt, dass der äußere Kern aufgrund seiner hohen Temperatur eine niedrigviskose Flüssigkeit ist, die turbulent konvektiert . ^{[ 8 ]} Die Dynamotheorie sieht Wirbelströme in der Nickel-Eisen-Flüssigkeit des äußeren Kerns als Hauptquelle des Erdmagnetfelds . Die durchschnittliche Magnetfeldstärke im äußeren Erdkern wird auf 2,5 Millitesla geschätzt , das 50-Fache des Magnetfelds an der Erdoberfläche. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Während sich der Erdkern abkühlt, gefriert die Flüssigkeit an der Grenze zwischen innerem und äußerem Kern, wodurch der feste innere Kern auf Kosten des äußeren Kerns mit einer geschätzten Rate von 1 mm pro Jahr wächst. Dies entspricht etwa 80.000 Tonnen Eisen pro Sekunde. ^{[ 11 ]}

Der äußere Erdkern kann nicht vollständig aus Eisen oder einer Eisen-Nickel -Legierung bestehen , da deren Dichte höher ist als die geophysikalischen Messungen der Dichte des äußeren Erdkerns. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Die Dichte des äußeren Kerns ist bei den im Erdkern herrschenden Temperaturen und Drücken etwa 5 bis 10 Prozent geringer als die von Eisen . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} Daher wurde vorgeschlagen, dass leichte Elemente mit niedrigen Ordnungszahlen einen Teil des äußeren Erdkerns bilden, da dies die einzig praktikable Möglichkeit darstellt, seine Dichte zu verringern. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Obwohl der äußere Erdkern für eine direkte Probenahme unzugänglich ist, ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 18 ]} kann die Zusammensetzung der leichten Elemente sinnvoll durch Hochdruckexperimente , Berechnungen auf der Grundlage seismischer Messungen, Modelle der Erdakkretion und Vergleiche von kohlenstoffhaltigen Chondriten-Meteoriten mit der gesamten Silikat-Erde (BSE) eingeschränkt werden . ^{[ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 18 ] [ 19 ]} Schätzungen aus dem Jahr 2023 gehen davon aus, dass der äußere Erdkern aus Eisen sowie 0 bis 0,26 Gewichtsprozent Wasserstoff , 0,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff , 0,8 bis 5,3 Gewichtsprozent Sauerstoff , 0 bis 4,0 Gewichtsprozent Silizium , 1,7 Gewichtsprozent Schwefel und 5 Gewichtsprozent Nickel besteht. Die Temperatur an der Kern-Mantel-Grenze liegt zwischen 4.137 und 4.300 K , die an der Grenze zum inneren Kern zwischen 5.400 und 6.300 K. ^{[ 14 ]}

Die Vielfalt der leichten Elemente im äußeren Erdkern wird unter anderem durch die Erdakkretion bestimmt . ^{[ 16 ]} Genauer gesagt müssen die enthaltenen leichten Elemente während der Erdentstehung in großer Menge vorhanden gewesen sein, sich bei niedrigem Druck in flüssiges Eisen einlagern können und dürfen während des Akkretionsprozesses der Erde nicht verdampfen und entweichen. ^{[ 14 ] [ 16 ]}

Es wird angenommen, dass CI-Chondriten dieselben planetenbildenden Elemente in denselben Anteilen wie im frühen Sonnensystem enthalten [ ^{14 ]} . Daher können Unterschiede zwischen CI-Meteoriten und BSE Aufschluss über die Zusammensetzung der leichten Elemente im äußeren Erdkern geben ^{[ 20 ] [ 14 ]} . Beispielsweise könnte die geringere Siliziumkonzentration im primitiven Erdmantel im Vergleich zu CI-Meteoriten darauf hindeuten, dass Silizium in den Erdkern aufgenommen wurde; allerdings ist eine große Bandbreite an Siliziumkonzentrationen im äußeren und inneren Erdkern weiterhin möglich ^{[ 14 ] [ 21 ] [ 22 ] .}

Genauere Bestimmungen der Konzentrationen leichter Elemente im äußeren Erdkern würden ein besseres Verständnis der Erdgeschichte hinsichtlich Akkretion und Kernbildung ermöglichen . ^{[ 14 ] [ 19 ] [ 23 ]}

Modelle der Erdakkretion ließen sich besser überprüfen, wenn wir genauere Informationen über die Konzentrationen leichter Elemente im äußeren Erdkern hätten. ^{[ 14 ] [ 23 ]} Beispielsweise stützen Akkretionsmodelle, die auf der Elementverteilung zwischen Kern und Mantel basieren, die Annahme, dass die Proto-Erden aus reduziertem, kondensiertem und flüchtigen Bestandteilen freiem Material bestanden, ^{[ 14 ] [ 19 ] [ 23 ]} obwohl die Möglichkeit besteht, dass oxidiertes Material aus dem äußeren Sonnensystem gegen Ende der Erdakkretion akkretiert wurde . ^{[ 14 ] [ 19 ]} Könnten wir die Konzentrationen von Wasserstoff , Sauerstoff und Silizium im äußeren Erdkern genauer bestimmen, würden Modelle der Erdakkretion, die diese Konzentrationen berücksichtigen, vermutlich die Entstehung der Erde besser beschreiben. ^{[ 14 ]}

Die Verarmung des Erdmantels an siderophilen Elementen im Vergleich zu chondritischen Meteoriten wird auf Metall-Silikat-Reaktionen während der Erdkernbildung zurückgeführt. ^{[ 24 ]} Diese Reaktionen sind abhängig von Sauerstoff , Silizium und Schwefel . ^{[ 14 ] [ 25 ] [ 24 ]} Genauere Kenntnisse über die Konzentrationen dieser Elemente im äußeren Erdkern tragen daher zur Aufklärung der Bedingungen der Erdkernbildung bei . ^{[ 14 ] [ 23 ] [ 25 ] [ 24 ] [ 26 ]}

Ein weiteres Beispiel: Das mögliche Vorhandensein von Wasserstoff im äußeren Erdkern deutet darauf hin, dass die Akkretion des Erdwassers [ ^{14 ] [ 27 ] [ 28 ] nicht} auf die Endphase der Erdakkretion ^{[ 23 ]} beschränkt war und dass Wasser möglicherweise über einen wasserhaltigen Magmaozean in kernbildende Metalle aufgenommen wurde . ^{[ 14 ] [ 29 ]}

Das Erdmagnetfeld wird durch thermische und chemische Konvektion angetrieben. Dabei werden leichtere Elemente aus dem inneren Erdkern verdrängt und steigen im flüssigen äußeren Erdkern auf, während dichtere Elemente absinken. ^{[ 17 ] [ 30 ]} Diese chemische Konvektion setzt Gravitationsenergie frei, die den Geodynamo antreibt und so das Erdmagnetfeld erzeugt. ^{[ 30 ]} Berechnungen des Carnot-Wirkungsgrades mit großen Unsicherheiten legen nahe, dass die chemische und die thermische Konvektion etwa 80 bzw. 20 Prozent zur Leistung des Geodynamos beitragen. ^{[ 30 ]}

Traditionell ging man davon aus, dass der Geodynamo der Erde vor der Entstehung des inneren Erdkerns hauptsächlich durch thermische Konvektion angetrieben wurde. ^{[ 30 ]} Neuere Erkenntnisse aus dem Jahr 2020, wonach die Wärmeleitfähigkeit von Eisen bei den Temperaturen und Drücken im Erdkern deutlich höher ist als bisher angenommen, deuten jedoch darauf hin, dass die Abkühlung des Kerns größtenteils durch Wärmeleitung und nicht durch Konvektion erfolgte. Dies schränkt die Fähigkeit der thermischen Konvektion, den Geodynamo anzutreiben, ein. ^{[ 14 ] [ 17 ]} Dieses Rätsel ist als das neue „Kernparadoxon“ bekannt. ^{[ 14 ] [ 17 ]} Ein alternativer Prozess, der den Geodynamo der Erde aufrechterhalten haben könnte, setzt voraus, dass der Erdkern anfänglich heiß genug war, um Sauerstoff , Magnesium , Silizium und andere leichte Elemente zu lösen. ^{[ 17 ]} Mit der Abkühlung des Erdkerns kam es zu einer Übersättigung mit diesen leichten Elementen, die sich dann im unteren Erdmantel ablagerten und Oxide bildeten, was zu einer anderen Form der chemischen Konvektion führte. ^{[ 14 ] [ 17 ]}

Das vom Kernfluss erzeugte Magnetfeld ist essenziell, um Leben vor interplanetarer Strahlung zu schützen und die Auflösung der Atmosphäre im Sonnenwind zu verhindern . Die Abkühlungsrate durch Wärmeleitung und Konvektion ist unsicher ^{[ 31 ]} , aber Schätzungen zufolge wird der Kern voraussichtlich erst in etwa 91 Milliarden Jahren gefrieren. Dies liegt weit nach dem Zeitpunkt, an dem die Sonne voraussichtlich expandiert, die Planetenoberfläche sterilisiert und schließlich erlischt. ^{[ 32 ]}

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