Kalium könnte den Erdkern erwärmen

Pin
Send
Share
Send

Bildnachweis: NASA

Geologen der University of Berkeley glauben, dass radioaktives Kalium eine erhebliche Wärmequelle im Erdkern sein könnte. Die Geologen entdeckten jedoch, dass Kalium unter hohen Temperaturen und Drücken mit Eisen eine schwere Legierung bilden kann, sodass es möglicherweise gerade in die Erdmitte gesunken ist und einen winzigen Bestandteil des Kerns bilden könnte - aber ein Fünftel seiner Wärme.

Radioaktives Kalium, das auf der Erde häufig genug ist, um kaliumreiche Bananen zu einem der „heißesten“ Lebensmittel überhaupt zu machen, scheint laut jüngsten Experimenten der Geophysiker der University of California, Berkeley, auch eine erhebliche Wärmequelle im Erdkern zu sein.

Es wird angenommen, dass radioaktives Kalium, Uran und Thorium die drei Hauptwärmequellen im Erdinneren sind, abgesehen von denen, die durch die Bildung des Planeten erzeugt werden. Zusammen hält die Wärme den Mantel aktiv in Bewegung und der Kern erzeugt ein schützendes Magnetfeld.

Geophysiker haben jedoch viel weniger Kalium in der Erdkruste und im Erdmantel gefunden, als aufgrund der Zusammensetzung der felsigen Meteore, die angeblich die Erde gebildet haben, zu erwarten wäre. Wenn sich das fehlende Kalium, wie einige vorgeschlagen haben, im Eisenkern der Erde befindet, wie kam dann ein so leichtes Element wie Kalium dorthin, zumal sich Eisen und Kalium nicht vermischen?

Kanani Lee, die kürzlich ihren Ph.D. Raymond Jeanloz, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Berkeley, und UC Berkeley haben eine mögliche Antwort gefunden. Sie haben gezeigt, dass Kalium bei den hohen Drücken und Temperaturen im Erdinneren mit Eisen eine Legierung bilden kann, die noch nie zuvor beobachtet wurde. Während der Entstehung des Planeten könnte diese Kalium-Eisen-Legierung in den Kern gesunken sein, Kalium im darüber liegenden Mantel und in der darüber liegenden Kruste verbraucht haben und zusätzlich zu der von Uran und Thorium im Kern gelieferten eine radioaktive Kalium-Wärmequelle bereitstellen.

Lee schuf die neue Legierung, indem er Eisen und Kalium zwischen den Spitzen zweier Diamanten auf Temperaturen und Drücke drückte, die für 600 bis 700 Kilometer unter der Oberfläche charakteristisch sind - 2.500 Grad Celsius und fast 4 Millionen Pfund pro Quadratzoll oder eine Viertelmillion Mal atmosphärisch Druck.

"Unsere neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass der Kern bis zu 1.200 Teile pro Million Kalium enthalten kann - etwas mehr als ein Zehntel Prozent", sagte Lee. „Diese Menge mag gering erscheinen und ist vergleichbar mit der Konzentration von radioaktivem Kalium, das natürlicherweise in Bananen vorhanden ist. Zusammengenommen über die gesamte Masse des Erdkerns kann es jedoch ausreichen, ein Fünftel der von der Erde abgegebenen Wärme zu liefern. “

Lee und Jeanloz werden ihre Ergebnisse am 10. Dezember auf dem Treffen der American Geophysical Union in San Francisco und in einem Artikel veröffentlichen, der zur Veröffentlichung in Geophysical Research Letters angenommen wurde.

„Mit einem Experiment haben Lee und Jeanloz gezeigt, dass Kalium eine wichtige Wärmequelle für den Geodynamo sein kann, einen Ausweg aus einigen problematischen Aspekten der thermischen Entwicklung des Kerns bietet und dass die moderne rechnergestützte Mineralphysik nicht nur die experimentelle Arbeit ergänzt, sondern auch ergänzt dass es eine Anleitung für fruchtbare experimentelle Erkundungen geben kann “, sagte Mark Bukowinski, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Berkeley, der die ungewöhnliche Legierung Mitte der 1970er Jahre vorhersagte.

Der Geophysiker Bruce Buffett von der Universität von Chicago warnt davor, dass weitere Experimente durchgeführt werden müssen, um zu zeigen, dass Eisen tatsächlich Kalium von den Silikatgesteinen wegziehen kann, die im Erdmantel dominieren.

"Sie haben bewiesen, dass es möglich ist, Kalium in flüssigem Eisen aufzulösen", sagte Buffet. „Modellierer benötigen Wärme, daher ist dies eine Quelle, da das radiogene Kaliumisotop Wärme erzeugen kann und dies dazu beitragen kann, die Konvektion im Kern anzutreiben und das Magnetfeld anzutreiben. Sie haben bewiesen, dass es hineingehen kann. Wichtig ist, wie viel aus dem Silikat herausgezogen wird. Es gibt noch viel zu tun. "

Wenn sich eine erhebliche Menge Kalium im Erdkern befindet, würde dies eine anhaltende Frage aufklären: Warum ist das Verhältnis von Kalium zu Uran in steinigen Meteoriten (Chondriten), die vermutlich zur Erde verschmolzen sind, achtmal höher als das beobachtete Verhältnis in der Erdkruste. Obwohl einige Geologen behauptet haben, dass das fehlende Kalium im Kern vorhanden ist, gab es keinen Mechanismus, durch den es den Kern hätte erreichen können. Andere Elemente wie Sauerstoff und Kohlenstoff bilden Verbindungen oder Legierungen mit Eisen und wurden vermutlich von Eisen heruntergezogen, als es in den Kern sank. Bei normaler Temperatur und normalem Druck verbindet sich Kalium jedoch nicht mit Eisen.

Andere haben argumentiert, dass das fehlende Kalium in der frühen, geschmolzenen Phase der Erdentwicklung weggekocht ist.

Die Demonstration von Lee und Jeanloz, dass sich Kalium in Eisen unter Bildung einer Legierung lösen kann, liefert eine Erklärung für das fehlende Kalium.

"Zu Beginn der Erdgeschichte wären die Innentemperatur und der Innendruck nicht hoch genug gewesen, um diese Legierung herzustellen", sagte Lee. "Aber als sich immer mehr Meteoriten häuften, wären Druck und Temperatur so weit gestiegen, dass sich diese Legierung bilden könnte."

Die Existenz dieser Hochdrucklegierung wurde von Bukowinski Mitte der 1970er Jahre vorhergesagt. Mit quantenmechanischen Argumenten schlug er vor, dass hoher Druck das einzige äußere Elektron von Kalium in eine untere Hülle drücken würde, wodurch das Atom Eisen ähnelt und sich daher eher mit Eisen legiert.

Neuere quantenmechanische Berechnungen mit verbesserten Techniken, die mit Gerd Steinle-Neumann am Bayerischen Geoinstit der Universität Bayreuth durchgeführt wurden, bestätigten die neuen experimentellen Messungen.

"Dies repliziert und verifiziert wirklich die früheren Berechnungen vor 26 Jahren und liefert eine physikalische Erklärung für unsere experimentellen Ergebnisse", sagte Jeanloz.

Es wird angenommen, dass sich die Erde aus der Kollision vieler felsiger Asteroiden mit einem Durchmesser von vielleicht Hunderten von Kilometern im frühen Sonnensystem gebildet hat. Während sich die Proto-Erde allmählich aufbaute, hielten fortgesetzte Asteroiden-Kollisionen und der Gravitationskollaps den Planeten geschmolzen. Schwerere Elemente? insbesondere Eisen - wäre in 10 bis 100 Millionen Jahren bis ins Mark gesunken und hätte andere Elemente mit sich gebracht, die an Eisen binden.

Allmählich hätte sich die Erde jedoch abgekühlt und wäre zu einer toten felsigen Kugel mit einer kalten Eisenkugel im Kern geworden, wenn nicht durch den Zerfall radioaktiver Elemente wie Kalium-40, Uran-238 und Thorium-232 weiterhin Wärme freigesetzt worden wäre mit einer Halbwertszeit von 1,25 Milliarden, 4 Milliarden bzw. 14 Milliarden Jahren. Etwa jedes tausendste Kaliumatom ist radioaktiv.

Die im Kern erzeugte Wärme verwandelt das Eisen in einen Konvektionsdynamo, der ein Magnetfeld aufrechterhält, das stark genug ist, um den Planeten vor dem Sonnenwind zu schützen. Diese Wärme tritt in den Mantel aus und verursacht Konvektion im Gestein, das Krustenplatten bewegt und Vulkane antreibt.

Es war jedoch schwierig, die im Kern erzeugte Wärme mit den bekannten Konzentrationen radiogener Isotope in Einklang zu bringen, und das fehlende Kalium war ein großer Teil des Problems. Ein Forscher schlug Anfang dieses Jahres vor, dass Schwefel die Kaliumassoziation mit Eisen unterstützen und ein Mittel bereitstellen könnte, mit dem Kalium den Kern erreichen könnte.

Das Experiment von Lee und Jeanloz zeigt, dass Schwefel nicht notwendig ist. Lee kombinierte reines Eisen und reines Kalium in einer Diamantambosszelle und drückte die kleine Probe auf 26 Gigapascal Druck, während er die Probe mit einem Laser über 2.500 Kelvin (4.000 Grad Fahrenheit) erhitzte, der über den Schmelzpunkten von Kalium und Eisen liegt. Sie führte dieses Experiment sechsmal in hochintensiven Röntgenstrahlen von zwei verschiedenen Beschleunigern durch - der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory und dem Stanford Synchrotron Radiation Laboratory -, um Röntgenbeugungsbilder der inneren Struktur der Proben zu erhalten. Die Bilder bestätigten, dass sich Kalium und Eisen gleichmäßig gemischt hatten, um eine Legierung zu bilden, ähnlich wie Eisen und Kohlenstoff, um eine Stahllegierung zu bilden.

Im theoretischen Magma-Ozean einer Proto-Erde würde der Druck in einer Tiefe von 400 bis 1000 Kilometern zwischen 15 und 35 Gigapascal liegen und die Temperatur würde 2.200 bis 3.000 Kelvin betragen, sagte Jeanloz.

"Bei diesen Temperaturen und Drücken ändert sich die zugrunde liegende Physik und die Elektronendichte verschiebt sich, wodurch Kalium eher wie Eisen aussieht", sagte Jeanloz. "Bei hohem Druck sieht das Periodensystem völlig anders aus."

"Die Arbeit von Lee und Jeanloz liefert den ersten Beweis dafür, dass Kalium bei hohen Drücken tatsächlich mit Eisen mischbar ist, und bestätigt möglicherweise ebenso deutlich die der ursprünglichen Vorhersage zugrunde liegende Computerphysik", sagte Bukowinski. „Wenn weiter nachgewiesen werden kann, dass Kalium in Gegenwart von Silikatmineralien in erheblichen Mengen in Eisen eindringt, was für wahrscheinliche Kernbildungsprozesse repräsentativ ist, könnte Kalium die zusätzliche Wärme liefern, die erforderlich ist, um zu erklären, warum der innere Kern der Erde nicht gefroren ist so groß, wie es die thermische Vorgeschichte des Kerns nahelegt. “

Jeanloz ist begeistert von der Tatsache, dass theoretische Berechnungen nicht nur experimentelle Befunde bei hohem Druck erklären, sondern auch Strukturen vorhersagen.

"Wir brauchen Theoretiker, um interessante Probleme zu identifizieren und nicht nur unsere Ergebnisse nach dem Experiment zu überprüfen", sagte er. "Das passiert jetzt. In den letzten einem halben Dutzend Jahren haben Theoretiker Vorhersagen getroffen, dass Experimentatoren bereit sind, einige Jahre für Demonstrationen aufzuwenden. “

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation und dem Department of Energy finanziert.

Originalquelle: Pressemitteilung der University of Berkeley

Pin
Send
Share
Send