Desy: Magnetfeld der Erde Wärmeleitfähigkeit von Eisen unter Bedingung des Erdkerns messen

Querschnitt durch die Erde, kombiniert mit den Feldlinien des Erdmagnetfelds (simuliert vom Glatzmaier-Roberts-Geodynamo-Modell)
Querschnitt durch die Erde, kombiniert mit den Feldlinien des Erdmagnetfelds (simuliert vom Glatzmaier-Roberts-Geodynamo-Modell)

Forscher messen erstmals Wärmeleitfähigkeit von Eisen unter Bedingungen des Erdkerns und können somit die erst kürzlich entstandene Debatte über das sog. Geodynamo-Paradoxon beenden.

Magnetfeld der Erde dank Eisen

Das Magnetfeld der Erde gibt es bereits seit mehr als 3,4 Milliarden Jahren. Der Erdkern – im Mittelpunkt des Magnetfelds – setzt sich aus einem flüssigen äußeren Kern und einem festen inneren Kern zusammen. Trotz der hohen Temperaturen im Inneren des Erdkerns besteht dieser zum Großteil aus  Eisen. Dass das Magnetfeld der Erde auch heute noch exsitiert - dafür ist u. a. die geringe Wärmeleitfähigkeit von Eisen verantwortlich. Dies zeigen erste direkte Wärmeleitfähigkeitsbestimmungen von Eisen bei Drücken und Temperaturen, die den Bedingungen im Erdkern entsprechen. Die neuerlichen Messergebnisse können die kürzlich entstandene Debatte über das sog. Geodynamo-Paradoxon beenden.

Der Geodynamo, der das Erdmagnetfeld erzeugt, speist sich aus der Konvektion im äußeren Erdkern: Flüssiges, elektrisch-leitendes, eisenreiches Material wird dort umgewälzt; vergleichbar mit kochendem Wasser in einem Kochtopf. Kombiniert mit der Erdrotation entsteht ein Dynamoeffekt, aus dem 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 DESY-Forscherin Konôpková.

An der Wärmeleitfähigkeit von Eisen sind die Forscher deshalb interessiert, da daraus das Energiebudget des Erdkerns zum Betrieb des Dynamos bestimmt werden kann. Die Aufrechterhaltung und Erzeugung des Erdmagnetfelds ist von dieser Wärme-Dynamik im Kern abhängig. Die Stärke der Konvektion im äußeren Erdkern hängt vom Wärmetransfer aus dem Kern in den Erdmantel ab. Außerdem beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit von Eisen im äußeren Erdkern den Wärmetransfer. Je mehr Wärme im äußeren Erdkern über direkte Wärmeleitungen transportiert wird, desto weniger Energie steht zur Verfügung, um die Konvektion – und damit den Geodynamo – aufrechtzuerhalten. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bewirkt dagegen eine stärkere Konvektion und begünstigt den Geodynamo.

Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit unter Bedingungen, die dem Erdkern ähnlich sind, hat sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen. Neue theoretische Untersuchungen berechneten eine Wärmeleitfähigkeit von 150 Watt pro Meter pro Kelvin (150 W/m/K) für Eisen im Erdkern.