Herausforderung der Annahmen: Der 8,5-jährige Rhythmus des inneren Kerns der Erde

18. Dezember 2023   Merkmal

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von Tejasri Gururaj, Phys.org

Forscher aus China haben die Existenz einer etwa 8,5-jährigen Wankung des inneren Kerns (ICW) sowohl in der Polbewegung als auch in den Variationen der Tageslänge bestätigt. Dabei wurde eine statische Neigung von etwa 0,17 Grad zwischen dem inneren Kern der Erde und dem Mantel aufgedeckt. Dies stellt herkömmliche Annahmen in Frage und liefert Einblicke in die internen Dynamiken und Dichteverteilung der Erde.

Die Ergebnisse der Studie wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Der innere Kern der Erde ist eine feste, dichte Kugel, die hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht. Er befindet sich unter dem flüssigen äußeren Kern und hat einen Radius von etwa 1.200 Kilometern (746 Meilen). Diese Region spielt eine entscheidende Rolle in den geophysikalischen Prozessen der Erde und beeinflusst das magnetische Feld des Planeten sowie die Gesamtdynamik des Erdinneren.

Das Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens des inneren Kerns ist entscheidend, um Rätsel im Zusammenhang mit der Struktur der Erde, seismischer Aktivität und dem magnetischen Feld zu lösen.

Die ICW bezieht sich auf die Wankung des inneren Kerns der Erde um seine Rotationsachse. Dieses Phänomen ist durch eine periodische Oszillation der Figurachse des inneren Kerns gekennzeichnet.

Eine neue Studie hat bestätigt, dass die ICW der Erde eine periodische Bewegung mit einer Zyklusdauer von etwa 8,5 Jahren hat. Diese Wankbewegung wurde in Messungen der Polbewegung, der periodischen Bewegung der Rotationsachse der Erde und der Variationen der Tageslänge (ΔLOD) sowie der Veränderungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde beobachtet.

Professor Hao Ding, Mitautor dieser Forschung und Dekan der Abteilung für Geophysik an der Wuhan University, wurde von den unkonventionellen Dichtestrukturen inspiriert, die in den freien Schwingungen der Erde enthüllt wurden.

Er sagte gegenüber Phys.org: "Mein damaliger Doktorand, Dr. Yachong An, und ich haben ein 8,5-jähriges Signal in der Polbewegung und ΔLOD entdeckt, was uns zu der Durchführung der vorliegenden Studie veranlasst hat."

Freie Schwingungen und Rotation der Erde

Die Erde besteht aus vier Schichten - der Kruste, dem Mantel, dem äußeren Kern und dem inneren Kern.

Traditionell basiert unser Verständnis der Erdrotation auf der Annahme einer gleichmäßigen Dichteverteilung im Mantel und Kern entlang der radialen Richtung (vom Zentrum nach außen). Diese Annahme führt zur Vorstellung, dass die Rotationsachse des Erdkerns mit der des Mantels zusammenfällt.

"Die Ergebnisse der freien Schwingung der Erde (natürliche Schwingungen der Erde als Ganzes) deuten jedoch darauf hin, dass die Dichtestrukturen des Erdinneren stark heterogen sind, sodass diese Annahme nicht realistisch sein sollte", erklärte Dr. Ding.

Als Professor Ding im Jahr 2018 die PM der Erde analysierte, zeigte sich ein Signal mit einer ungefähren Periodendauer von 8,5 Jahren, das auf ein ICW hinwies. Diese unerwartete Entdeckung, die später durch ein ähnliches Signal in der ΔLOD der Erdrotation bestätigt wurde, führte zu einem Paradigmenwechsel.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen analysierten die Forscher sorgfältig die PM und ΔLOD der Erdrotation und identifizierten das ungefähr 8,5-jährige Signal in der PM als Manifestation des ICW.

Diese Schlussfolgerung erfolgte nach dem Ausschluss dreier externer Erregungsquellen - Atmosphäre, Ozeane und Hydrologie. Interessanterweise beschränkt sich das 8,5-jährige Signal nicht nur auf die PM allein, sondern ist auch durchgehend in der periodischen Bewegung der Rotationsachse der Erde, also der ΔLOD, vorhanden.

Diese gleichzeitige Anwesenheit deutet stark auf eine tiefgreifende Verbindung zwischen ICW und diesen Rotationsdynamiken hin.

Um das in der PM und ΔLOD festgestellte 8,5-jährige Signal zu erklären, untersuchten die Forscher die Amplituden des ICW in beiden. Dies führte sie zu der Schlussfolgerung, dass ein statischer Neigungswinkel von 0,17 Grad zwischen der Rotationsachse des inneren Kerns und dem Mantel existiert.

"Dies impliziert einen potenziellen ostwärtigen differentiellen Rotationswinkel des inneren Kerns von weniger als 1 Grad und eine Abweichung in den Symmetrieachsen der unteren Mantel/Kern-Mantel-Grenzschicht gegenüber dem oberen Mantel", erklärte Dr. Ding.

"Diese Abweichungen bieten wertvolle Einschränkungen für das 3D-Dichtemodell des Mantels und stellen Annahmen in Frage, die auf herkömmlichen Theorien basieren und von einer perfekt sphärischen Form ausgehen", erläuterte Dr. Ding.

Darüber hinaus enthüllt die ~8,5-jährige Periodizität des ICW eine weitere Ebene der Komplexität der Erde. Die periodische Bewegung legt eine Dichtesprung von etwa 0,52 g/cm3 an der Grenze des inneren Kerns offen.

In einfachen Worten bedeutet dies, dass es eine erkennbare Änderung der Dichte an der Grenze zwischen dem inneren Kern und seinen umgebenden Schichten gibt.

While the research primarily focuses on the inner core, the identified static tilt and ICW may extend their influence to broader geophysical phenomena. As Dr. Ding explained, 'The static tilt may also lead to a certain change in the shape of the liquid core, resulting in a change in the fluid motion and a corresponding change in the geomagnetic field.'

The study's revelation of the Earth's ICW and its associated static tilt challenges traditional assumptions about Earth's rotation. The 8.5-year periodicity of the ICW, accompanied by a discernible density jump at the inner core boundary, unveils the intricacies of our planet's interior dynamics.

Dr. Ding and his team's future research aims to delve deeper into the stratified structure and density of the Earth's core, exploring the patterns and periods of core motions.

'The stratified structure and density of the Earth's core have always been a problem in geoscience research. We aim to delve deeper into the periodic oscillation and differential rotation of the Earth's core, seeking clarity on these conceptual theories that are different and may be difficult to coexist.'

Journal information: Nature Communications

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