Die Montage zeigt einen Querschnitt durch die Erde, in deren äußerem Erdkern das flüssige Eisen einen Geodynamo erzeugt, der das Erdmagnetfeld erzeugt und aufrechterhält. Dieses ist durch aus der Erde heraustretenden Magnetfeldlinien visualisiert.

„Die Hauptzutat, um das Erdmagnetfeld anzutreiben“

Das Erdmagnetfeld wird durch Strömungen des heißen, flüssigen Eisens im äußeren Erdkern erzeugt. Wissenschaftler diskutieren kontrovers, seit wann und wie genau dieser sogenannte Geodynamo aktiv ist. Um zu klären, welche Rolle die Wärmeleitung im Erdkern dabei spielt, hat eine Forschergruppe die Wärmeleitfähigkeit von Eisen nun unter Bedingungen gemessen, wie sie im Inneren von Planeten herrschen. Über die Ergebnisse, die das Team in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte, sprach Welt der Physik mit der beteiligten Wissenschaftlerin Zuzana Konôpková vom Forschungszentrum DESY in Hamburg.

Welt der Physik: Was hat die Wärmeleitfähigkeit von Eisen mit der Erzeugung des Erdmagnetfelds zu tun?

Zuzana Konôpková: Der äußere Erdkern ist eine riesige Region, die aus flüssigem Eisen besteht. Dabei ist Eisen nicht nur eine elektrisch leitende Flüssigkeit, sondern ermöglicht auch über Konvektion einen Wärmetransfer aus dem Kern in den Erdmantel. Damit ist das Eisen im äußeren Erdkern die Hauptzutat, um das Erdmagnetfeld anzutreiben, weil es über die Konvektion den Geodynamo erzeugt. Die Wärmeleitfähigkeit des Eisens spielt nun eine Rolle, wenn man das Energiebudget des Erdkerns betrachtet. Denn Wärme kann nicht nur über Konvektion aus dem Kern transportiert werden, sondern auch über direkte Wärmeleitung. Berechnet man diese Wärmeleitung aus dem Erdkern heraus, bekommt man ein Gefühl dafür, wie viel Energie noch für die Konvektion übrig ist, um mithilfe des Geodynamos das Erdmagnetfeld zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

Zuzana Konôpková vom Forschungszentrum DESY
Zuzana Konôpková vom Forschungszentrum DESY

Um was geht es in der Kontroverse, die dazu derzeit unter Wissenschaftlern besteht?

Ist die Wärmeleitfähigkeit von Eisen zu hoch, gibt es ein Problem – und 2012 haben Simulationen ergeben, dass sie mit bis zu 150 Watt pro Meter pro Kelvin sehr hoch ist. In diesem Fall wäre der Wärmestrom, der über die direkte Wärmeleitung stattfindet, verglichen mit dem der Konvektion zu hoch. Dann reicht die Energie nicht aus, um das Erdmagnetfeld über die Konvektionsbewegungen über eine lange Zeit zu erzeugen.

Wie stellen Sie im Labor die Bedingungen her, die im Erdkern herrschen?

Dafür benutzen wir eine sogenannte Diamantstempelzelle, bei der eine Eisenfolie zwischen zwei gegenüberliegenden Diamanten zusammengepresst wird, um den hohen Druck von bis zu 130 Gigapascal zu erzeugen, der eine Million Mal höher als der Atmosphärendruck ist. Für die hohen Temperaturen verwenden wir Laser: Wir fokussieren zwei Infrarotlaser durch die Diamanten auf das Eisen und erhitzen es so auf 2000 bis 3000 Grad Celsius. So erschaffen wir Bedingungen, wie sie im Erdkern, oder zumindest am Übergang zwischen Erdkern und Erdmantel, herrschen.

Und wie wird die Wärmeleitfähigkeit gemessen?

Es ist schwierig, die Wärmeleitfähigkeit unter solch hohen Drücken und Temperaturen zu messen. Doch wir können einen Trick anwenden, da die Wärmeleitfähigkeit die Temperaturverteilung innerhalb der Probe direkt beeinflusst. Wir haben das Eisen nicht nur kontinuierlich erhitzt, sondern zusätzlich einen kurzen Puls, der einige tausendstel Sekunden lang war, durch die Probe geschickt. Wir konnten somit die Temperaturentwicklung mithilfe einer speziellen Kamera von beiden Seiten der Eisenfolie aus sowohl räumlich als auch zeitlich vermessen und anschließend daraus auf die Wärmeleitfähigkeit schließen.

Was war das Ergebnis dieser Messungen?

Wir haben einen Wert von 18 bis 44 Watt pro Meter pro Kelvin gemessen. Er ist also niedrig genug, damit genug Energie übrig bleibt, um das Erdmagnetfeld aufrechtzuerhalten. Und nicht nur das: Unsere Berechnungen ergeben, dass man für diesen niedrigen Wert ein Erdmagnetfeld erhält, das viel älter ist, als wenn man eine hohe Wärmeleitfähigkeit hätte. Das beobachten wir auch in der Wirklichkeit. Es gibt ein Indiz, dass das Erdmagnetfeld bereits seit mindestens 3,4 Milliarden Jahren existiert. Denn Hinweise darauf sind in dem ältesten Gestein, das wir kennen, gewissermaßen eingefroren. Wir wissen also, dass es das Erdmagnetfeld schon mindestens so lange gibt. Wäre die Wärmeleitfähigkeit zu hoch, hätten wir Schwierigkeiten, den Mechanismus dahinter zu erklären.