Core Entdeckungen: Extrem Experimente entsperren die inneren Geheimnisse der Erde.
Forscher am RIKEN haben die Schallgeschwindigkeit von reinem Eisen unter extremen Druck gemessen, um Aufschluss über die Zusammensetzung des Erdkerns zu geben und verbesserte Messungen für andere Materialien zu ermöglichen.
Wissenschaftler haben die Zusammensetzung des Erdkerns genauer durch Schallgeschwindigkeitsmessungen bei doppelt so hohem Druck wie bisherige Messungen eingegrenzt.
Durch den Ausbau eines vor 15 Jahren von Alfred Q. R. Baron im RIKEN-Materialdynamiklabor gestarteten Programms konnten Forscher die Schallgeschwindigkeit von reinem Eisen bei statischen Drücken messen, die den des Erdkerns entsprechen. Dies wurde am Quantum NanoDynamics Beamline des RIKEN SPring-8 Centers ermöglicht: Das Team konnte durch die Kombination des weltweit führenden Spektrometers mit neuen Entwicklungen in der Röntgenoptik und einer neuen Art von Hochdruckzelle Messungen unter stabilen Bedingungen durchführen, die etwa doppelt so hohem Druck wie ihr vorheriger Rekord und mehr als dreimal höher als an jeder anderen Einrichtung weltweit entsprechen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Das hochauflösende Spektrometer am Quantum NanoDynamics Beamline (BL43LXU) des RIKEN SPring-8 Centers. Die Fotos zeigen den Hauptarm des Spektrometers, Probenpositionen und zwei Wissenschaftler zur Skalierung. Credit: © 2023 RIKEN SPring-8 Center
Die Arbeit ist interessant, weil sie Einschränkungen auf die Zusammensetzung des Erdkerns ermöglicht. "Wir haben tatsächlich erstaunlich wenig Informationen über das Zentrum des Planeten, auf dem wir leben", sagt Baron. "Andere Arbeiten, bei denen der Fortschritt seismologischer Wellen von Erdbeben durch den Planeten verfolgt wird, geben uns ein Modell für die Dichte und Schallgeschwindigkeit als Funktion der Tiefe - aber das ist alles: Die detaillierte Zusammensetzung bleibt unbekannt und Gegenstand von Debatten, da die Zusammensetzung sowohl zur Verständnis der gegenwärtigen Struktur des Planeten als auch zur Entstehung des Planeten und sogar des Sonnensystems wichtig ist."
Die jüngste Messung, veröffentlicht in Nature Communications, war eine Zusammenarbeit zwischen Barons Materials Dynamics Group am RIKEN SPring-8 Center, Eiji Ohtani und Daijo Ikuta von der Tohoku-Universität und Forschern an der Ehime-Universität und dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute (SPring-8/JASRI). Das Team maß die Schallgeschwindigkeit von reinem Eisen als Funktion des Drucks bis zu Dichten, die die des inneren Kerns der Erde überschreiten, wo der Druck über 300 Gigapascal liegt, und validierte eine lineare Beziehung namens Birch's Law.
Aus den neuen Ergebnissen schlagen sie ein Modell vor, bei dem der Erdkern neben Eisen und Nickel auch geringe Anteile von Silizium und Schwefel enthält.
"Weiterhin und vielleicht am wichtigsten kann die Methode auf andere Materialien erweitert werden und eine neue Ebene der Präzision für Messungen der Schallgeschwindigkeiten von Materialien unter extremen Druck ermöglichen", sagt Baron.
