Eine neue Studie legt nahe, dass es während der Entstehungszeit der Erde möglicherweise zwei Magma-Ozeane gegeben hat, die durch eine Schicht kristallinen Materials im Erdmantel getrennt waren.
Ein Team europäischer Wissenschaftler hat neue Erkenntnisse über das Verhalten von kieselsäurehaltigem geschmolzenem Gestein tief im Erdinneren gesammelt. Bei im Labor simulierten hohen Temperaturen und Drücken beobachteten die Wissenschaftler strukturelle Veränderungen der Siliciumatome, die die Dichte des geschmolzenen Materials beeinflussten. Solche Veränderungen könnten zu zwei Magma-Ozeanen geführt haben, die während der frühen Entstehungszeit der Erde durch eine Schicht kristallinen Materials im Erdmantel getrennt waren. Die Studie wurde am 7. November 2013 in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Die Erde hat sich vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren gebildet und war zunächst größtenteils mit heißem geschmolzenem Gestein bedeckt. Langsam kühlte die Erde ab und es bildete sich eine Kruste. Heute besteht die Erde aus mehreren Schichten, die aus der festen Kruste, dem relativ festen Mantel, dem flüssigen äußeren Kern und dem festen inneren Kern bestehen.
Ausschnitt der Erde mit Kruste, Mantel und Kern. Bildnachweis: Lawrence Berkeley National Laboratory.
Während Wissenschaftler tief im Erdinneren keine Proben entnehmen können, können sie ein gutes Stück über den Erdmantel lernen, indem sie Proben aus Vulkangestein im Labor ähnlich hohen Temperaturen und Drücken aussetzen. Neue Forschungseinrichtungen ermöglichen es, diese Studien bei immer höherem Druck durchzuführen, wodurch Daten über immer tiefere Tiefen gewonnen werden.
In einer neuen Studie wurden Proben von kieselsäurehaltigem Basalt einem Druck von bis zu 60 Gigapascal und einer Temperatur von bis zu 3000 Grad Celsius ausgesetzt. Als sich der Druck 35 Gigapascal näherte (das entspricht dem 350.000-fachen des Drucks unserer Atmosphäre an der Oberfläche), wandelten sich Silicium- und Sauerstoffatome von einer tetraedrischen Struktur mit vier chemischen Bindungen in eine kompaktere Struktur mit sechs chemischen Bindungen um. Dies hatte einen bemerkenswerten Einfluss auf die Dichte des Materials. Solche Veränderungen im Mantel spielten nach Ansicht der Wissenschaftler wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Bildung der inneren Struktur der Erde. Die aktuellen Daten deuten darauf hin, dass es möglicherweise zwei Magma-Ozeane gegeben hat, die während der frühen Entstehungszeit der Erde durch eine Schicht aus kristallinem Material getrennt waren.
Stishovit, eine dichte Form von Silikatmaterial, das sich im unteren Erdmantel befindet. Die sechs roten Atome repräsentieren die Sauerstoffbindung an ein Siliziumatom. Bildnachweis: Materialwissenschaftler.
Chrystele Sanloup, Hauptautorin der Studie, ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Zentrum für Wissenschaft unter extremen Bedingungen und an der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität von Edinburgh in Großbritannien. Sie kommentierte die Bedeutung der Arbeit in einer Pressemitteilung:
Moderne Labore ermöglichen es Wissenschaftlern, Bedingungen tief im Erdkern wiederherzustellen und wertvolle Einblicke in das Verhalten von Materialien bei solchen Extremen zu gewinnen. Dies hilft uns, auf dem aufzubauen, was wir bereits über die Entstehung der Erde wissen.
Das Zentrum für Wissenschaft unter extremen Bedingungen (CSEC) ist ein Forschungsverbund, der im April 2004 gegründet wurde. Die Forscher des Programms untersuchen eine Vielzahl von aktuellen wissenschaftlichen Themen, darunter, wie sich extremophile ("extrem liebende") Organismen an hohe Belastungen und Belastungen anpassen wie sich unter hohem Druck stehendes Eis auf äußeren Planeten wie Uranus und Neptun bildet. Die Entdeckung neuartiger leitfähiger Materialien, die bei hohen Drücken und Temperaturen synthetisiert werden können, ist auch ein aktives Forschungsgebiet am CSEC.
Die neu veröffentlichten Forschungsergebnisse in Natur wurde mit PETRAIII-Instrumenten (Positron-Electron Tandem Ring Accelerator III), einer Quelle für Synchrotronstrahlung, am Deutschen Elektronen-Synchrotron (allgemein als DESY bekannt) in Hamburg durchgeführt. Die Finanzierung der Forschung erfolgte zum Teil durch den Europäischen Forschungsrat und das Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mitverfasser der Studie waren James Drewitt, Zuzana Konopkova, Philip Dalladay-Simpson, Donna Morton, Nachiketa Rai, Wim van Westrenen und Wolfgang Morgenroth.
Fazit: Eine im Journal veröffentlichte Studie Natur am 7. November 2013 neue Erkenntnisse über das Verhalten von kieselsäurehaltigem geschmolzenem Gestein tief im Erdinneren erhalten. Bei hohen Temperaturen und Drücken, die im Labor simuliert wurden, beobachteten die Wissenschaftler strukturelle Veränderungen in Siliciumatomen, die die Dichte des geschmolzenen Materials beeinflussten. Solche Veränderungen könnten zu zwei Magma-Ozeanen geführt haben, die während der Entstehungszeit der Erde durch eine Schicht kristallinen Materials im Erdmantel getrennt waren.
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