Simulationen der CAS deuten auf superionischen Zustand des Erdkerns hin

Der innere Erdkern unseres Planeten, eine Kugel aus Eisen und Nickel mit einem Radius von etwa 2.500 Kilometern, die auch Spurenelemente wie Kohlenstoff, Schwefel oder Sauerstoff enthält, könnte sich nach neuen Erkenntnissen in einem exotischen Aggregatzustand befinden: dem superionischen Zustand. Dieser Zustand, charakterisiert durch extreme Drücke und Temperaturen, findet eine Parallele in der hypothetischen Struktur des superionischen Eises, das in den Kernen von Gasriesen wie Uranus und Neptun vermutet wird.

Eine Forschungsgruppe der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) nutzte hochkomplexe, auf Quantenmechanik basierende Computersimulationen, um die Zentrumsbedingungen der Erde nachzubilden. Diese Simulationen legten nahe, dass Eisenlegierungen, angereichert mit leichten Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff, unter den Bedingungen des inneren Kerns in diesen superionischen Zustand übergehen. In dieser Konstellation verhalten sich die leichten Bestandteile wie eine Flüssigkeit, die sich frei innerhalb eines festen, geordneten Eisengitters bewegt.

Yu He, Geophysiker und Leiter des Forschungsteams an der CAS, bezeichnete diese Entdeckung als signifikante Abweichung von traditionellen Vorstellungen. Diese superionische Struktur bietet eine plausible Erklärung für die seismisch festgestellte geringere Scherwellengeschwindigkeit, welche die relative „Weichheit“ des inneren Kerns belegt. Darüber hinaus könnte dieses neue Modell helfen, die zeitlichen strukturellen Veränderungen des Kerns sowie die Entstehung der Konvektionsströme zu klären, die für die Aufrechterhaltung des Erdmagnetfeldes essenziell sind.

Das Erdmagnetfeld, dessen Hauptanteil zu etwa 95 Prozent durch den Geodynamo im flüssigen äußeren Kern erzeugt wird, schützt die Erdoberfläche vor dem Sonnenwind. Während anfängliche Laboruntersuchungen zur Erzeugung superionischen Eises, wie die Erzeugung von Eis XVIII im Jahr 2018, bereits stattfanden, stützt sich das aktuelle Modell primär auf ab initio Molekulardynamik-Simulationen. Die direkte experimentelle Verifizierung unter den exakten Bedingungen des Erdkerns bleibt unmöglich, was den superionischen Zustand zu einer wissenschaftlichen Hypothese macht, die durch fortschrittliche Modellierung gestützt wird.

Die Analogie zum superionischen Wasser in Uranus und Neptun ist bemerkenswert, da dort dieser Zustand – halb fest, halb flüssig und elektrisch leitend – ebenfalls zur Erklärung ihrer ungewöhnlichen Magnetfelder herangezogen wird. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften, die größte Forschungseinrichtung der Welt, setzt für solche tiefgreifenden geophysikalischen Fragen verstärkt auf Hochleistungsrechnen, wie das im Bau befindliche „EarthLab“ der CAS zeigt. Die Untersuchung der inneren Struktur der Erde ist von fundamentaler Bedeutung, da ein Abschwächen des Erdmagnetfeldes in ferner Zukunft zum Verlust des Schutzes der Atmosphäre führen könnte.