Das schlagende Herz unseres Planeten ist für Wissenschaftler ein Rätsel geblieben, wie sich die Erde gebildet hat und was in ihre Entstehung geflossen ist. Eine kürzlich durchgeführte Studie konnte jedoch den starken Druck auf die Erdmitte nachvollziehen und den Forschern einen Einblick in die frühen Tage unseres Planeten und sogar in das heutige Erscheinungsbild des Erdkerns geben.
Sie gaben ihre Ergebnisse in einer kürzlich erschienenen Ausgabe der Zeitschrift Science bekannt . "Wenn wir herausfinden, welche Elemente sich im Kern befinden, können wir die Bedingungen, unter denen sich die Erde gebildet hat, besser verstehen, was uns über die frühe Geschichte des Sonnensystems informieren wird", sagte der leitende Studienautor Anat Shahar, Geochemiker an der Carnegie Institution for Science in Washington, DC Es könnte Forschern auch einen Einblick geben, wie andere felsige Planeten in unserem eigenen Sonnensystem und darüber hinaus entstanden sind.
Die Erde hat sich vor rund 4, 6 Milliarden Jahren durch unzählige Kollisionen zwischen felsigen Körpern gebildet, die von marsgroßen Objekten bis hin zu Asteroiden reichten. Mit dem Wachstum der frühen Erde nahmen auch der Innendruck und die Temperatur zu.
Dies hatte Auswirkungen darauf, wie Eisen - das den größten Teil des Erdkerns ausmacht - chemisch mit leichteren Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff wechselwirkte, als das schwerere Metall vom Mantel getrennt und ins Innere des Planeten versank. Der Mantel ist die Schicht direkt unter der Erdkruste, und die Bewegung des geschmolzenen Gesteins durch diese Region treibt die Plattentektonik an.
Wissenschaftler haben lange erkannt, dass sich ändernde Temperaturen auf das Ausmaß auswirken können, in dem eine Version oder ein Isotop eines Elements wie Eisen Teil des Kerns wird. Dieser Vorgang wird als Isotopenfraktionierung bezeichnet.
Bisher wurde Druck jedoch nicht als kritische Variable angesehen, die diesen Prozess beeinflusst. „In den 60er und 70er Jahren wurden Experimente durchgeführt, um diese Druckeffekte zu untersuchen, und es wurden keine gefunden“, sagt Shahar, der Teil des Deep Carbon Observatory-Programms ist. "Jetzt wissen wir, dass der Druck, mit dem sie getestet haben - ungefähr zwei Gigapascal [GPa] - nicht hoch genug war."
Ein Bericht eines anderen Teams aus dem Jahr 2009 schlug vor, dass der Druck die Elemente beeinflusst haben könnte, die es in den Kern unseres Planeten geschafft haben. Deshalb beschlossen Shahar und ihr Team, die Auswirkungen erneut zu untersuchen, aber Geräte zu verwenden, die Drücke von bis zu 40 GPa erreichen konnten - viel näher an den 60 GPa, die Wissenschaftler für den Durchschnitt während der frühen Kernbildung der Erde halten.
In Experimenten, die an der Advanced Photon Source des US-Energieministeriums, einer Benutzereinrichtung des Office of Science des Argonne National Laboratory in Illinois, durchgeführt wurden, platzierte das Team kleine Eisenproben, die mit Wasserstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff gemischt waren, zwischen den Punkten zweier Diamanten. Die Seiten dieser „Diamant-Ambosszelle“ wurden dann zusammengedrückt, um enormen Druck zu erzeugen.
Anschließend wurden die transformierten Eisenproben mit Hochleistungsröntgenstrahlen beschossen. "Wir verwenden die Röntgenstrahlen, um die Schwingungseigenschaften der Eisenphasen zu untersuchen", sagte Shahar. Die verschiedenen Vibrationsfrequenzen sagten ihr, welche Eisenversionen sie in ihren Proben hatte.
Das Team stellte fest, dass extremer Druck die Isotopenfraktionierung beeinflusst. Insbesondere entdeckte das Team, dass Reaktionen zwischen Eisen und Wasserstoff oder Kohlenstoff - zwei Elemente, die als im Kern vorhanden angesehen werden - eine Signatur in Mantelgesteinen hinterlassen haben sollten. Aber diese Signatur wurde nie gefunden.
"Daher glauben wir nicht, dass Wasserstoff und Kohlenstoff die Hauptlichtelemente im Kern sind", sagte Shahar.
Im Gegensatz dazu hätte die Kombination von Eisen und Sauerstoff nach den Experimenten der Gruppe keine Spuren im Mantel hinterlassen. Es ist also immer noch möglich, dass Sauerstoff eines der leichteren Elemente im Erdkern ist.
Die Ergebnisse stützen die Hypothese, dass Sauerstoff und Silizium den größten Teil der im Erdkern gelösten Lichtelemente ausmachen, so Joseph O'Rourke, Geophysiker bei Caltech in Pasadena, Kalifornien, der nicht an der Studie beteiligt war.
"Sauerstoff und Silizium sind im Mantel sehr häufig vorhanden, und wir wissen, dass sie bei hohen Temperaturen und Drücken in Eisen löslich sind", sagt O'Rourke. "Da Sauerstoff und Silizium im Grunde garantiert in den Kern gelangen, gibt es nicht viel Raum für andere Kandidaten wie Wasserstoff und Kohlenstoff."
Shahar sagte, ihr Team plane, das Experiment mit Silizium und Schwefel, anderen möglichen Bestandteilen des Kerns, zu wiederholen. Jetzt, da sie gezeigt haben, dass Druck die Fraktionierung beeinflussen kann, plant die Gruppe auch, die Auswirkungen von Druck und Temperatur zusammen zu untersuchen, von denen sie vorhersagen, dass sie andere Ergebnisse liefern werden als beide allein. „Unsere Experimente wurden alle mit festen Eisenproben bei Raumtemperatur durchgeführt. Aber während der Kernbildung war alles geschmolzen “, sagte Shahar.
Die Ergebnisse solcher Experimente könnten für Exoplaneten oder Planeten jenseits unseres eigenen Sonnensystems relevant sein, sagen Wissenschaftler. "Denn für Exoplaneten kann man nur ihre Oberflächen oder Atmosphären sehen", sagte Shahar. Aber wie beeinflussen ihre Innenräume das, was an der Oberfläche passiert ?, fragte sie. "Die Antwort auf diese Fragen wird sich darauf auswirken, ob es Leben auf einem Planeten gibt oder nicht."
Erfahren Sie im Deep Carbon Observatory mehr über diese Forschung.
Anmerkung des Herausgebers, 5. Mai 2016: Diese Geschichte platzierte ursprünglich den Ort der Experimente in Washington, DC. Sie wurden in einem Labor in Illinois durchgeführt.
