Desy: Magnetfeld der Erde

Wärmeleitfähigkeit von Eisen unter Bedingung des Erdkerns messen

2. Juni 2016, 9:50 Uhr | Verena Winkler

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wie groß ist die Wärmeleitfähigkeit von Eisen und wie misst man sie?

Numerischen Modellrechnungen zufolge wäre der Geodynamo bei einer derart hohen Wärmeleitfähigkeit von Eisen erst vor etwa einer Milliarde Jahren in der Erdgeschichte entstanden. Die Existenz des Erdmagnetfelds lässt sich jedoch anhand von Gesteinsproben 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.

Wärmeleitfähigkeitsbestimmungen mit Diamant und IR

Eine spezielle Hochdruckzelle, in der eine dünne Eisenfolie zwischen zwei Diamantstempeln gepresst (130 Gigapascal) wird und gleichzeitig mit zwei Infrarotlasern auf 2700 °C erhitzt wird, simuliert die äußeren Bedingungen im Erdkern. Drücke von 130 GPa sind im Vergleich zum Atmosphärendruck über eine Million Mal so hoch und entsprechen in etwa dem Druck an der Grenze von Erdmantel und Erdkern. Mit einem weiteren schwachgepulsten Laser wird dann eine Seite der Eisenfolie beschossen, um eine thermische Störung im Material auszulösen. Die daraus folgende Temperaturentwicklung innerhalb der Folie wurde von beiden Seiten der Probe 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, v. a. um unterschiedliche Bedingungen im Inneren von Planeten zu simulieren, aber auch um eine systematische Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit als Funktion von Druck und Temperatur zu gewährleisten.

„Unsere Ergebnisse widersprechen den theoretischen Berechnungen deutlich“, sagt 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.“

 

Quelle: “Direct measurement of thermal conductivity in solid iron at planetary core conditions”

Zuzana Konôpková, R. Stewart McWilliams, Natalia Gómez-Pérez, Alexander F. Goncharov; Nature, 2016.


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