Geodynamo-Paradoxon auf dem Weg zur Lösung

Das Magnetfeld der Erde existiert seit mindestens 3,4 Milliarden Jahren – auch dank der niedrigen Wärmeleit­fähigkeit von Eisen im Kern unseres Planeten. Das ist das Ergebnis der ersten direkten Messung der Eisen-Wärmeleit­fähigkeit bei Drücken und Temperaturen, die den Bedingungen im Erdkern entsprechen. Die Mess­ergebnisse von DESY-Forscherin Zuzana Konôpková und ihre Kollegen könnten eine kürzlich auf­geflammte Debatte über das sogenannte Geodynamo-Paradoxon beenden.

Der Geodynamo, der das Erdmagnetfeld erzeugt, speist sich aus der Konvektion im äußeren Erdkern, die das flüssige, elektrisch leitfähige und eisen­reiche Material dort umwälzt wie kochendes Wasser in einem Topf. Kombiniert mit der Erdrotation entsteht ein Dynamo­effekt, aus dem wiederum das Erd­magnet­feld resultiert. „Das Erd­magnet­feld schirmt uns von gefährlichen energie­reichen Teilchen aus dem All ab, der sogenannten kosmischen Strahlung. Seine Existenz ist einer der Faktoren, die unseren Planeten bewohn­bar machen“, erläutert Konôpková. „Daher waren wir an der Wärme­leit­fähigkeit von Eisen interessiert, um das Energie­budget des Erdkerns zum Betrieb des Dynamos zu bestimmen“, erläutert die Physikerin. „Die Erzeugung und Erhaltung des Magnet­felds unseres Planeten hängt stark von der Wärme-Dynamik im Kern ab.“

Die Stärke der Konvektion im äußeren Erdkern hängt vom Wärme­transfer aus dem Kern in den Erd­mantel ab sowie von der Wärme­leit­fähigkeit des Eisens im äußeren Erdkern. Je mehr Wärme im äußeren Erdkern über direkte Wärme­leitung transportiert wird, desto weniger Energie steht zur Verfügung, um die Konvektion – und damit den Geodynamo – am Laufen zu halten. Eine niedrige Wärme­leit­fähigkeit bewirkt dagegen eine stärkere Konvektion und erhöht damit die Chance für einen funktionierenden Dynamo. Die Bestimmung der Wärme­leit­fähigkeit unter den Bedingungen, die denen im Erdkern ähneln, hat sich in der Vergangen­heit allerdings als schwierig erwiesen. Neuere theoretische Berechnungen lieferten eine vergleichsweise hohe Wärme­leit­fähigkeit von bis zu 150 Watt pro Meter pro Kelvin für Eisen im Erdkern.

Eine derart hohe Wärmeleitfähigkeit würde jedoch die Chancen verringern, dass der Dynamo­effekt frühzeitig einsetzt. Numerischen Modell­rechnungen zufolge hätte der Geodynamo bei einer derart hohen Wärme­leit­fähigkeit von Eisen erst relativ kürzlich in der Erd­geschichte entstehen dürfen, vor etwa einer Milliarde Jahren. Die Existenz des Erd­magnet­felds lässt sich jedoch anhand von altem Gestein mindestens 3,4 Milliarden Jahre zurück­verfolgen. „Es gibt eine heftige Debatte unter Geophysikern, denn mit so einer hohen Wärme­leit­fähigkeit wird es schwer, die Geschichte des Erd­magnet­felds zu erklären, die sich aus urzeitlichem Gestein ablesen lässt“, sagt Konôpková.

Sie und ihre Kollegen Stewart McWilliams und Natalia Gómez-Pérez von der Universität Edinburgh sowie Alexander Goncharov von der Carnegie-Institution in Washington nutzten eine spezielle Hoch­druck­zelle, in der sich Proben nicht nur zwischen zwei Diamant­stempeln stark zusammen­pressen, sondern gleichzeitig mit zwei Infrarot­lasern stark aufheizen lassen. Auf diese Weise konnten sie die Eisen-Wärmeleit­fähigkeit bei hohen Temperaturen und hohen Drücken direkt bestimmen.

„Wir haben eine dünne Eisenfolie in der Diamant­stempel­zelle mit einem Druck von 130 Gigapascal zusammengepresst, das ist über eine Million Mal so hoch wie der Atmosphären­druck und entspricht ungefähr dem Druck an der Grenze von Erdmantel und Erdkern“, erläutert Konôpková. „Gleichzeitig haben wir die Folie mit zwei Infrarot­lasern durch die Diamanten auf bis zu 2700 Grad Celsius aufgeheizt. Dann haben wir mit einem dritten Laser einen schwachen Puls auf eine Seite der Folie geschossen, der eine thermische Störung ausgelöst hat. Die folgende Temperatur­entwicklung haben wir schließlich von beiden Seiten der Folie mit einer optischen Streifen­kamera beobachtet.“ So konnten die Wissenschaftler die Wanderung des Wärme­pulses durch das Eisen verfolgen.

Diese Messungen fanden bei verschiedenen Drücken und Temperaturen statt – zum einen, um unterschiedliche Bedingungen im Inneren von Planeten abzudecken, zum anderen, um eine systematische Untersuchung der Wärme­leit­fähigkeit als Funktion von Druck und Temperatur zu gewährleisten. „Unsere Ergebnisse widersprechen den theoretischen Berechnungen deutlich“, berichtet Konôpková. „Wir haben sehr niedrige Werte von 18 bis 44 Watt pro Meter pro Kelvin für die Wärmeleit­fähigkeit gemessen, wodurch sich das Paradox auflösen und der Geodynamo seit der Frühzeit der Erde funktions­tüchtig sein kann.“

DESY / DE