Ohne das Magnetfeld der Erde verlieren sich wandernde Tiere und die Navigation von Schiffen bis zu Pfadfindern ist nutzlos. Trotz seiner Bedeutung bleibt der Prozess, der das Magnetfeld des Planeten antreibt, ein Rätsel. Ideen gibt es zuhauf, aber keine von ihnen kann das Alter des Erdmagnetfelds erklären. Jetzt könnte eine neue Studie den Schlüssel zu dieser Inkonsistenz haben: bescheidenes Magnesium.
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Das Aufwirbeln des geschmolzenen Erdkerns erzeugt elektrische Ströme, die das Magnetfeld des Planeten in einem als Dynamo bezeichneten Prozess erzeugen.
"Wenn Sie nicht diese stürmischen Bewegungen hätten, würde das Magnetfeld der Erde abnehmen und in etwa zehn Millionen Jahren sterben", sagt Joseph O'Rourke, Postdoktorand am California Institute of Technology in Pasadena.
Aber welche Kräfte dieser Antrag hat, ist unklar. Die langsame Verfestigung des inneren Erdkerns und der radioaktive Zerfall - zwei der führenden Hypothesen - produzieren nicht genug Energie, um das Magnetfeld anzutreiben, solange es existiert.
Aufzeichnungen von Gesteinen zeigen, dass das Magnetfeld der Erde mindestens 3, 4 Milliarden Jahre alt ist und vielleicht 4, 2 Milliarden Jahre alt. Die Kühlung des inneren Kerns würde nur eine Milliarde Jahre Energie für das Magnetfeld liefern. Und es gibt einfach nicht genug radioaktives Material im Erdkern, damit die Zerfallshypothese funktioniert, sagt Francis Nimmo, ein Planetenwissenschaftler an der University of California in Santa Cruz.
In einer neuen Studie, die in dieser Woche in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, schlagen O'Rourke und David Stevenson, ein Planetenforscher von Caltech, einen neuen chemischen Mechanismus vor, mit dem Auftriebsunterschiede im Erdinneren festgestellt werden können, um den Geodynamo anzutreiben.
Unter Verwendung von Computermodellen zeigte das Paar, dass sich nach riesigen Einschlägen, die die frühe Erde bombardierten, eine kleine Menge des Elements Magnesium im eisenreichen Kern aufgelöst haben könnte.
"Die Erde bildete sich in einer Reihe wirklich heftiger, riesiger Kollisionen, die den Mantel auf Temperaturen von bis zu 7.000 Kelvin hätten erwärmen können", sagt O'Rourke. "Bei diesen Temperaturen gehen Elemente, die sich normalerweise nicht mit Eisen vermischen, wie Magnesium, in Eisen über."
Da Magnesium jedoch nur bei hohen Temperaturen in Eisen löslich ist, wenn sich der Erdkern abkühlt, wird das Magnesium als magnesiumreiche Legierung aus dem Außenkern ausfallen oder "herausschneien". Diese Legierungen werden bis zur Kern-Mantel-Grenze transportiert.
"Wenn Sie eine magnesiumreiche Legierung aus dem Kern ziehen, bleibt eine höhere Dichte zurück", sagt O'Rourke. Eine solche Konzentration der Masse setzt Gravitationsenergie frei, die als alternative Energiequelle für den Dynamo dienen könnte, erklärt er.
Laut O'Rourke und Stevenson könnte der Mechanismus des Magnesiumniederschlags den Geodynamo Milliarden von Jahren lang angetrieben haben, bis sich der innere Kern abzukühlen und zu verfestigen begann, wie aktuelle Schätzungen vor etwa einer Milliarde Jahren vermuten lassen. Zu diesem Zeitpunkt könnten die beiden Prozesse begonnen haben, gemeinsam das Magnetfeld der Erde anzutreiben, sagt O'Rourke.
"Magnesiumniederschlag könnte die Konvektion von oben auf den Kern treiben, während die Freisetzung von leichten Elementen aus dem inneren Kern die Konvektion von unten treiben könnte", sagt er.
Der Planetenforscher Nimmo, der nicht an der Studie beteiligt war, sagt, dass ihm die Magnesiumniederschlags-Hypothese gefällt, da nur zwei Annahmen getroffen werden: Die Erde wird während eines riesigen Aufpralls heiß und der metallische Kern des Impaktors wird während eines riesigen Aufpralls freigelegt Mantelmaterial zu silizieren.
"Die Annahme, dass es heiß wird, ist schwer zu diskutieren", sagt Nimmo. Annahme zwei ist ein bisschen weniger sicher, sagt er, aber die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass bei der Kollision von felsigen Körpern mit der frühen Erde einige Elemente dieser Impaktoren, wie Magnesium, auf den Mantel übertragen würden. "Wenn Sie diese beiden Annahmen getroffen haben, folgt alles andere auf natürliche Weise."
Nun, sagt Nimmo, brauchen wir nur noch Experimente, um die Ideen von O'Rourke und Stevenson zu testen. "Ihre Studie basiert hauptsächlich auf rechnerischen Vorhersagen darüber, wie sich Magnesium in Abhängigkeit von der Temperatur aufteilen sollte", sagt Nimmo.
Einige Forscher arbeiten bereits an diesen Experimenten. Daher ist es möglicherweise nur eine Frage der Zeit, bis die Wissenschaftler herausfinden, wie das Magnetfeld der Erde tickt.
"Unser Prozess könnte nicht nur erklären, wie der Dynamo in der Vergangenheit funktioniert hat", sagt O'Rourke, "sondern auch, wie er heute noch funktionieren könnte."
