Das globale Magnetfeld der Erde spielt eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben und schützt uns vor schädlicher Sonnenstrahlung. Das Magnetfeld, das seit Milliarden von Jahren existiert, wird durch einen Dynamo — oder Generator — im meist geschmolzenen Eisen im Erdinneren verursacht; Dieses flüssige Eisen wirbelt in einem Prozess namens Konvektion. Aber Konvektion passiert nicht von alleine. Es braucht eine treibende Kraft — eine Energiequelle. Nun haben der Doktorand Joseph O’Rourke und David Stevenson, Marvin L. Goldberger Professor für Planetenwissenschaften am Caltech, einen neuen Mechanismus vorgeschlagen, der diese Konvektion im Erdinneren für die gesamte Erdgeschichte antreiben kann.Ein Papier, das die Ergebnisse detailliert beschreibt, erscheint in der Ausgabe vom 21.Januar von Nature.

Konvektion kann in solchen alltäglichen Phänomenen wie einem Topf mit kochendem Wasser gesehen werden. Hitze am Boden des Topfes bewirkt, dass Flüssigkeitstaschen weniger dicht werden als die umgebende Flüssigkeit und somit aufsteigen. Wenn sie die Oberfläche erreichen, kühlen die Flüssigkeitstaschen ab und sinken wieder ab. Derselbe Prozess findet in der 1.400 Meilen dicken Schicht aus geschmolzenem Metall statt, aus der der äußere Kern besteht.

Die Erde besteht hauptsächlich aus dem Mantel (festes Material aus Oxiden und Silikaten, in dem Magnesium im Vordergrund steht) und dem Kern (hauptsächlich Eisen). Diese beiden Bereiche werden normalerweise als vollständig getrennt betrachtet; das heißt, die Mantelmaterialien lösen sich nicht in den Kernmaterialien auf. Sie vermischen sich nicht auf atomarer Ebene, so wie sich Wasser normalerweise nicht mit Öl vermischt. Der Kern hat einen festen inneren Teil, der im Laufe der Erdgeschichte langsam gewachsen ist, da sich flüssiges Eisen im Inneren des Planeten verfestigt. Der äußere, flüssige Teil des Kerns ist eine Schicht aus geschmolzenem Eisen, gemischt mit anderen Elementen, einschließlich Silizium, Sauerstoff, Nickel und einer kleinen Menge Magnesium. Stevenson und O’Rourke schlagen vor, dass die Übertragung des Elements Magnesium in Form von Mantelmineralien vom äußeren Kern zur Basis des Mantels der Mechanismus ist, der die Konvektion antreibt.

Magneisum ist ein Hauptelement im Mantel, aber es hat eine geringe Löslichkeit im Eisenkern, außer bei sehr hohen Temperaturen — über 7.200 Grad Fahrenheit. Wenn der Erdkern abkühlt, kristallisieren Magnesiumoxide und Magnesiumsilikate aus dem metallischen, flüssigen äußeren Kern, ähnlich wie Zucker, der in heißem Wasser gelöst wurde, als Zuckerkristalle ausfällt, wenn das Wasser abkühlt. Da diese Kristalle weniger dicht sind als Eisen, steigen sie zur Basis des Mantels auf. Das schwerere flüssige Metall, das zurückgelassen wird, sinkt dann, und diese Bewegung, argumentiert Stevenson, könnte der Mechanismus sein, der die Konvektion über drei Milliarden Jahre lang aufrechterhalten hat — der Mechanismus, der wiederum das globale Magnetfeld antreibt.“Die Ausfällung von magnesiumhaltigen Mineralien aus dem äußeren Kern ist 10-mal effektiver bei der Konvektion als das Wachstum des inneren Kerns“, sagt O’Rourke. „Solche Mineralien sind sehr schwimmfähig und die daraus resultierenden Flüssigkeitsbewegungen können Wärme effektiv transportieren. Der Kern muss nur eine 10 Kilometer dicke Schicht Magnesiummineralien nach oben abscheiden — was viel zu sein scheint, aber auf der Skala der inneren und äußeren Kerne nicht viel ist -, um die Konvektion des äußeren Kerns anzutreiben.“Frühere Modelle gingen davon aus, dass die stetige Abkühlung des Eisens im inneren Kern Wärme freisetzen würde, die die Konvektion antreiben könnte. Aber die meisten Messungen und Theorien in den letzten Jahren für die Wärmeleitfähigkeit von Eisen — die Eigenschaft, die bestimmt, wie effizient Wärme durch ein Metall fließen kann — zeigen an, dass das Metall leicht Wärme übertragen kann, ohne sich zu bewegen. „Das Erhitzen von Eisen am Boden des äußeren Kerns führt nicht dazu, dass es lebhaft aufsteigt — es wird nur die Wärme an seine Umgebung abgeben“, sagt O’Rourke.“Dave hatte eine Weile die Idee eines Magnesium-angetriebenen Dynamos, aber es sollte kein Magnesium im Erdkern sein“, sagt O’Rourke. „Jetzt zeigen Modelle der Planetenentstehung im frühen Sonnensystem, dass die Erde häufigen Einschlägen mit riesigen Planetenkörpern ausgesetzt war. Wenn diese heftigen, energetischen Ereignisse stattgefunden hätten, hätte die Erde während ihrer Entstehung viel höhere Temperaturen erfahren als bisher angenommen — Temperaturen, die hoch genug gewesen wären, um etwas Magnesium in flüssiges metallisches Eisen zu mischen.“

Diese Modelle ermöglichten es, die Idee zu verfolgen, dass der Dynamo durch die Ausfällung magnesiumhaltiger Mineralien angetrieben werden kann. O’Rourke berechnete, dass die Mengen an Magnesium, die sich während der heißen frühen Stadien der Erde im Kern aufgelöst hätten, andere Veränderungen in der Zusammensetzung des Mantels verursacht hätten, die mit anderen Modellen und Messungen übereinstimmen. Er berechnete auch, dass der Niederschlag dieser Magnesiummineralien genug Energie hätte, um den Dynamo für vier Milliarden Jahre anzutreiben.Die experimentelle Überprüfung der Menge an Magnesium, die in den Kern gelangen kann, ist immer noch spärlich, sagen O’Rourke und Stevenson. „Weitere Anwendungen unseres vorgeschlagenen Mechanismus sind die Venus – wo es kein Magnetfeld gibt – und die reichlich vorhandenen Exoplaneten, die massereicher sind als die Erde, aber möglicherweise ähnliche chemische Zusammensetzungen haben“, sagt Stevenson.