Home  |  Nachrichten  | Frag astronews.com  | Bild des Tages  |  Kalender  | Glossar  |  Links  | Forum  | Über uns    
astronews.com  
Nachrichten

astronews.com
astronews.com

Der deutschsprachige Onlinedienst für Astronomie, Astrophysik und Raumfahrt

Home  : Nachrichten : Sonnensystem : Artikel [ Druckansicht ]

 
ERDE
Ohne Nickel kein Magnetfeld
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Wien
astronews.com
21. Juli 2017

Ohne das Magnetfeld der Erde wäre auf unserem Heimatplaneten wohl kaum Leben möglich. Doch wie entsteht dieser unentbehrliche Schutzschild für uns Menschen? Das Eisen im Erdkern, das weiß man schon lange, spielt dabei eine wichtige Rolle. Neue Berechnungen zeigen aber nun, dass Eisen allein nicht reichen würde: Ohne Nickel gäbe es offenbar kein Magnetfeld.

Erdkern

Konvektion und Korioliskraft führen zu komplizierten Strömungen im Erdinneren, die das Erdmagnetfeld verursachen. Das wäre ohne Nickel in dieser Form nicht möglich.   Bild: TU Wien [Großansicht]

Jeder von uns kann das Erdmagnetfeld ganz einfach mit einem Kompass nachweisen – doch wie es genau entsteht ist eine ausgesprochen komplizierte Frage. Eine wichtige Rolle spielt dabei jedenfalls der heiße Erdkern, der hauptsächlich aus Eisen besteht. In Kombination mit der Eigenrotation der Erde führt er zu einem gewaltigen "Dynamoeffekt", der das Erdmagnetfeld erzeugt.

Doch mit Eisen alleine ist dieser Effekt nicht wirklich zu erklären: Materialwissenschaftliche Berechnungen eines Forschungsteam um Prof. Alessandro Toschi und Prof. Karsten Held von der Technischen Universität Wien und Prof. Giorgio Sangiovanni von der Universität Würzburg zeigen, dass die Theorie des Geo-Dynamoeffekts modifiziert werden muss. Entscheidend ist nämlich, dass der Erdkern auch bis zu 20 Prozent aus Nickel besteht – ein Metall, das sich unter den extremen Bedingungen im Erdkern anders verhält als das Eisen.

Der Erdkern ist ähnlich groß wie der Mond und so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Es herrscht ein Druck von mehreren hundert Gigapascal – das entspricht dem Druck, den man ausüben würde, wenn man mehrere Eisenbahnlokomotiven auf einem Quadratmillimeter balancieren könnte. "Unter diesen extremen Bedingungen verhalten sich manche Materialien ganz anders als wir es gewohnt sind", sagt Held. "Die Bedingungen im Experiment nachzustellen ist kaum möglich, aber mit aufwändigen Computersimulationen können wir das Verhalten von Metallen im Erdkern quantenphysikalisch berechnen."

Werbung

Die Hitze des Erdkerns muss irgendwie entweichen. Heißes Material steigt in höhere Schichten auf, es entstehen Konvektionsströme. Gleichzeitig treten durch die Erdrotation starke Korioliskräfte auf, insgesamt entstehen so im Erdinneren komplizierte spiralförmige Strömungen. "Wenn in einem solchen Strömungs-System elektrischer Strom zu fließen beginnt, kann dieser ein magnetisches Feld erzeugen, das wiederum den Stromfluss verstärkt, und so weiter – bis ein kräftiges Magnetfeld entstanden ist, das wir an der Erdoberfläche messen können", erklärt Toschi.

Doch nach bisherigem Wissen war eigentlich nicht zu erklären, warum es überhaupt zu den Konvektionsströmen kommen sollte. Eisen ist nämlich ein ziemlich guter Wärmeleiter, und bei hohem Druck wird die Wärmeleitfähigkeit von Eisen sogar noch besser. "Würde das Erdinnere nur aus Eisen bestehen, so könnten die frei beweglichen Elektronen im Eisen ganz alleine für den nötigen Wärmetransport sorgen, ohne dass dabei Konvektionsströme entstehen müssten", sagt Held. "Dann gäbe es allerdings auch kein Erdmagnetfeld."

Allerdings enthält der Erdkern auch bis zu 20% Nickel. Bisher hielt man das nicht für bedeutend, doch wie nun gezeigt wurde, spielt der Nickel-Anteil eine ganz entscheidende Rolle. "Nickel verhält sich unter Druck anders als Eisen", sagt Toschi. "Bei hohem Druck streuen die Elektronen im Nickel deutlich häufiger als im Eisen, daher ist die Wärmeleitfähigkeit von Nickel, aber auch des Erdkerns insgesamt, deutlich niedriger als bei einem Kern aus reinem Eisen."

Aufgrund des Nickel-Anteils kann die Temperatur im Erdkern nicht mehr bloß durch die Bewegung von Elektronen abtransportiert werden, und daher ist das Entstehen von Konvektionsströmungen unvermeidlich, die dann letztlich für das Erdmagnetfeld verantwortlich sind. Um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen, war es nötig, unterschiedliche Metallstrukturen am Computer zu simulieren und das Verhalten ihrer Elektronen zu berechnen. Die Vielteilchen-Rechnungen wurden von Andreas Hausoel von der Universität Würzburg durchgeführt, unter anderem auch am Vienna Scientific Cluster.

"Gemeinsam mit unseren Kollegen von der Universität Würzburg untersuchten wir nicht nur Eisen und Nickel, sondern auch Legierungen aus diesen beiden Materialien. Auch Störungen und Unregelmäßigkeiten in den Materialien mussten wir speziell berücksichtigen, das macht die Computersimulationen noch aufwändiger", erklärt Held. Diese fortschrittlichen Rechenmethoden sind nicht nur wichtig, um das Erdmagnetfeld besser zu verstehen, sie bieten auch neue Einblicke in die Streuung der Elektronen. Toschi ist überzeugt: "In naher Zukunft wird die stetige Verbesserung dieser Algorithmen auch zu spannenden Anwendungen in der Chemie und Biologie, in der Industrie und Technik führen."

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Communications erschienen ist.

Forum
Ohne Nickel kein Erd-Magnetfeld. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Erde: Eisen und das Erdmagnetfeld - 16. Juni 2016
Erdmagnetfeld: Neues über den Dynamo der Erde - 19. Januar 2009
Magnetfelder: Dynamo bei Sternen und Planeten recht ähnlich - 8. Januar 2009
So macht die Erde ihr Magnetfeld - 26. Januar 2000
Links im WWW
Fachartikel in Nature Communications
Technische Universität Wien
In sozialen Netzwerken empfehlen
 
 
Werbung
Werbung
astronews.com 
Nachrichten Forschung | Raumfahrt | Sonnensystem | Teleskope | Amateurastronomie
Übersicht | Alle Schlagzeilen des Monats | Missionen | Archiv
Weitere Angebote Frag astronews.com | Forum | Bild des Tages | Newsletter
Kalender Sternenhimmel | Startrampe | Fernsehsendungen | Veranstaltungen
Nachschlagen AstroGlossar | AstroLinks
Info RSS-Feeds | Soziale Netzwerke | astronews.com ist mir was wert | Werbung | Kontakt | Suche
Impressum | Nutzungsbedingungen | Datenschutzerklärung
     ^ Copyright Stefan Deiters und/oder Lieferanten 1999-2017. Alle Rechte vorbehalten.  W3C

© astronews.com / Stefan Deiters und/oder Lieferanten 1999 - 2017
Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigung nur mit Genehmigung.


URL dieser Seite: http://astronews.com/news/artikel/2017/07