First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
Diese Studie nutzt First-Principles-Berechnungen, um die strukturellen, dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften von flüssigen Fe-S-Legierungen unter den Bedingungen des äußeren Erdkerns zu charakterisieren, wobei sie aufzeigt, dass Schwefelkonzentrationen zwischen 10,2 und 11,4 Gew.-% zwar die Dichte des Kerns erklären können, jedoch die Schallgeschwindigkeit nicht erklären, was darauf hindeutet, dass Schwefel allein nicht das einzige anwesende leichte Element sein kann.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief unter unseren Füßen, verborgen vor direktem Blick, liegt ein brodelnder Ozean aus Metall, der das Magnetfeld der Erde antreibt und die innere Hitze des Planeten formt. Dies ist der äußere Kern, eine Schicht aus flüssigem Eisen, die sich von der Grenze zum festen inneren Kern bis hinunter zum darüber liegenden Erdmantel erstreckt. Obwohl wir nicht in diese Region bohren können, können Seismologen den Vibrationen der Erde lauschen, während sie sich durch sie hindurchbewegen, ganz so, wie ein Arzt Schallwellen nutzt, um in einen Körper hineinzusehen. Diese Messungen zeigen, dass der flüssige Kern eine geringere Dichte aufweist, als reines Eisen in diesen extremen Tiefen hätte, was darauf hindeutet, dass er mit leichteren Elementen vermischt ist. Seit Jahrzehnten debattieren Wissenschaftler darüber, welches dieser leichteren Elemente – vielleicht Sauerstoff, Silizium oder Schwefel – die primäre Zutat in dieser kosmischen Suppe ist. Das Verständnis des exakten Rezepts ist entscheidend, da die Dichte und die Schallgeschwindigkeit durch den Kern uns verraten, wie die Erde ihren magnetischen Schutzschild erzeugt und wie sie sich über Milliarden von Jahren abgekühlt hat.
Ein Forscherteam hat sich nun leistungsstarken Computersimulationen zugewandt, um ein Stück dieses Puzzles zu lösen, wobei der Fokus speziell auf Schwefel liegt. Unter Verwendung einer Methode, die das Verhalten von Atomen auf Basis der grundlegenden physikalischen Gesetze berechnet, modellierten sie flüssiges Eisen, das mit variierenden Mengen an Schwefel unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen gemischt war, wie sie im äußeren Kern vorkommen. Anstatt sich auf physische Experimente zu verlassen, die unter solchen Tiefen unglaublich schwierig durchzuführen sind, bauten sie ein virtuelles Labor, in dem sie beobachten konnten, wie sich Eisen- und Schwefelatome bewegen, binden und interagieren. Sie testeten Mischungen, die von reinem Eisen bis hin zu fast fünfzehn Prozent Schwefel nach Gewicht reichten, und beobachteten, wie diese Veränderungen die Eigenschaften des Materials beeinflussten.
Die Simulationen zeigten, dass sich die Atome neu anordnen, wenn Schwefel zu dem flüssigen Eisen hinzugefügt wird. Die Schwefelatome, die kleiner und leichter sind, bilden engere Bindungen mit dem Eisen und ziehen den durchschnittlichen Abstand zwischen den Atomen näher zusammen. Diese strukturelle Verschiebung hat eine klare Auswirkung auf die Eigenschaften des Materials: Die Dichte der Mischung sinkt, während die Geschwindigkeit, mit der Schall durch sie reist, steigt. Die Forscher fanden heraus, dass der Druck eine viel größere Rolle bei der Veränderung dieser Eigenschaften spielt als die Menge an Schwefel, doch der Schwefelgehalt hinterlässt dennoch einen deutlichen Fingerabdruck. Durch den Vergleich ihrer simulierten Ergebnisse mit den realen seismischen Daten aus dem Erdkern konnten sie die mögliche Menge an vorhandenem Schwefel eingrenzen.
Die Studie legt nahe, dass, falls Schwefel das einzige leichte Element wäre, das mit dem Kern vermischt ist, er etwa zehn bis elf Prozent der Legierung nach Gewicht ausmachen müsste, um die beobachtete Dichte zu erreichen. Diese spezifische Konzentration passt zu den seismischen Messungen darüber, wie schwer der Kern ist. Ein erhebliches Problem entsteht jedoch, wenn die Forscher die Schallgeschwindigkeit betrachten. Bei dieser gleichen Schwefelkonzentration bewegen sich die simulierten Schallwellen zu schnell im Vergleich zu dem, was Seismologen tatsächlich in der Erde messen. Die Modelle deuten darauf hin, dass der Kern deutlich weniger Schwefel enthalten müsste, vielleicht weniger als neun Prozent, um die Schallgeschwindigkeit zu entsprechen, aber diese Menge würde dann nicht ausreichen, um die Dichte des Kerns zu erklären.
Diese Diskrepanz zwischen der Dichte und der Schallgeschwindigkeit führt zu einem klaren Schluss: Schwefel allein kann die Zusammensetzung des äußeren Erdkerns nicht erklären. Die Daten implizieren, dass ein weiteres, unsichtbares leichtes Element neben dem Schwefel vorhanden sein muss, um die Gleichungen auszubalancieren. Die Arbeit der Forscher liefert eine präzise, konsistente Referenz dafür, wie Eisen und Schwefel zusammen unter diesen extremen Bedingungen reagieren, und dient als solides Fundament für zukünftige Studien, die wahrscheinlich ein drittes oder sogar viertes Element einbeziehen müssen, um das Rätsel des verborgenen Herzens der Erde vollständig zu lösen. Ihre Ergebnisse bestätigen, dass Schwefel zwar ein wahrscheinlicher Kandidat ist, das wahre Rezept unseres Planetenkerns jedoch komplexer ist als eine einfache Mischung aus zwei Zutaten.
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