Nickel ermöglicht das Erdmagnetfeld

Obwohl man das Erdmagnetfeld einfach mit einem Kompass nachweisen kann, ist die Frage wie es entsteht ausgesprochen kompliziert. Eine wichtige Rolle spielt dabei der heiße Erdkern aus Eisen. Mit der Eigenrotation der Erde führt er zu einem gewaltigen „Dynamoeffekt“, der das Erdmagnetfeld erzeugt.

Doch mit Eisen alleine ist dieser Effekt nicht erklärbar. Materialwissenschaftliche Berechnungen zeigen, dass die Theorie des Geo-Dynamoeffekts modifiziert werden muss. Entscheidend für das Magnetfeld ist,  dass der Erdkern bis zu 20% aus Nickel besteht, einem Metall, das sich unter den extremen Bedingungen im Erdkern anders verhält als das Eisen.

Der Erdkern ist ähnlich groß wie der Mond und so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Es herrscht ein Druck von mehreren hundert Gigapascal . Unter diesen extremen Bedingungen verhalten sich manche Materialien ganz anders als wir es gewohnt sind. Die Bedingungen im Experiment nachzustellen ist kaum möglich, aber mit aufwändigen Computersimulationen konnte das Verhalten von Metallen im Erdkern quantenphysikalisch berechnet werden.

Die Hitze des Erdkerns muss entweichen. Daher steigt heißes Material in höhere Schichten auf. Gleichzeitig treten durch die Erdrotation starke Korioliskräfte auf, so entstehen im Erdinneren komplizierte spiralförmige Strömungen. Wenn in einem solchen Strömungs-System elektrischer Strom zu fließen beginnt, kann dieser ein magnetisches Feld erzeugen, das wiederum den Stromfluss verstärkt, bis ein kräftiges Magnetfeld entstanden ist, das an der Erdoberfläche gemessen werden kann.

Nach bisherigem Wissen war nicht zu erklären warum es zu den Konvektionsströmen kommen sollte. Eisen ist ein guter Wärmeleiter. Bei hohem Druck wird die Wärmeleitfähigkeit von Eisen noch besser. Würde das Erdinnere nur aus Eisen bestehen, so könnten die frei beweglichen Elektronen im Eisen ganz alleine für den nötigen Wärmetransport sorgen, ohne dass dabei Konvektionsströme entstehen müssten. Dann gäbe es allerdings auch kein Erdmagnetfeld.

Allerdings enthält der Erdkern auch bis zu 20% Nickel. Bisher hielt man das nicht für bedeutend. Doch wie nun gezeigt wurde, spielt der Nickel-Anteil eine entscheidende Rolle.

Bei hohem Druck streuen die  Elektronen im Nickel deutlich häufiger als im Eisen, daher ist die Wärmeleitfähigkeit von Nickel, aber auch des Erdkerns insgesamt, deutlich niedriger als bei einem Kern aus reinem Eisen. Aufgrund des Nickel-Anteils kann die Temperatur im Erdkern nicht mehr durch die Bewegung von Elektronen abtransportiert werden.

Um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen war es nötig, unterschiedliche Metallstrukturen am Computer zu simulieren und das Verhalten ihrer Elektronen zu berechnen. Die Vielteilchen-Rechnungen wurden nicht nur mit Eisen und Nickel sondern auch Legierungen aus diesen beiden Materialien durchgeführt. Auch Störungen und Unregelmäßigkeiten in den Materialien mussten berücksichtigt werden, was die Computersimulationen noch aufwändiger macht. Diese Rechenmethoden sind nicht nur wichtig, um das Erdmagnetfeld besser zu verstehen, sie bieten auch neue Einblicke in die Streuung der Elektronen.

Dieses im Rahmen einer Kooperation zwischen der TU Wien und der Uni Würzburg durchgeführte Projekt wurde vom österreichischen FWF und der deutschen DFG im Rahmen der Forschergruppe FOR 1346 „Dynamical Mean-Field Approach with Predictive Power for Strongly Correlated Materials“ unterstützt.

 

Originalpublikation:

Sangiovanni et al., Local magnetic moments in iron and nickel at ambient and Earth's core conditions; Nature Communications, 2017. DOI:10.1038/NCOMMS16062

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