Der zermalmende Druck und die hohen Temperaturen im tiefen Inneren der Erde drücken Atome und Elektronen so eng aneinander, dass sie sehr verschieden interagieren. Mit steigender Tiefe verändern sich die Materialien. Neue Experimente und Berechnungen von Supercomputern entdeckten, dass Eisenoxid unter Bedingungen wie im tiefen Erdinneren eine neue Art von Verwandlung durchmacht. Eisenoxid (FeO) ist ein Bestandteil des zweithäufigsten Minerals der unteren Erdmantels, Ferropericlase. Das Ergebnis wird in einer kommenden Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht und könnte unser Verständnis von der Dynamik des tiefen Erdinneren und dem Verhalten des schützenden Magnetfeldes verändern, welches unseren Planeten vor schädlichen kosmischen Strahlen abschirmt.
Ferropericlase enthält Magnesium- und Eisenoxid. Um die extremen Bedingungen im Labor nachzubilden, studierte das Team mit Co-Autor Ronald Cohen vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution die elektrische Leitfähigkeit von Eisenoxid bis zu einem Druck von 1,4 Millionen Erdatmosphären und 2.200 Grad Celsius – was den Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze entspricht. Sie verwendeten auch eine neue Computerberechnungsmethode, die nur fundamentale Physik benutzt, um die komplexen Viele-Körper-Wechselwirkungen unter Elektronen zu simulieren. Die Theorie und die Experimente sagen eine neue Art von Metallisierung in Eisenoxid voraus.
Verbindungen machen unter diesen Extremen normalerweise strukturelle, chemische, elektronische und andere Veränderungen durch. Im Gegensatz zur früheren Annahme wechselte das Eisenoxid bei 690.000 Atmosphären und 1.650 Grad Celsius von einem isolierenden (nicht elektrisch leitenden) Zustand in ein hochgradig leitfähiges Metall, aber ohne seine Struktur zu verändern. Vorherige Studien hatten vermutet, dass die Metallisierung in Eisenoxid mit einer Veränderung in seiner Kristallstruktur zusammenhängt. Dieses Ergebnis bedeutet, dass Eisenoxid abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen sowohl ein Isolator als auch ein Metall sein kann.
“Bei hohen Temperaturen sind die Atome in Eisenoxidkristallen mit derselben Struktur ausgerichtet wie gewöhnliches Tafelsalz, NaCl”, erklärte Cohen. “Genau wie Tafelsalz ist Eisenoxid unter Raumbedingungen ein guter Isolator – es leitet keine Elektrizität. Ältere Messungen zeigten die Metallisierung in Eisenoxid bei höherem Druck und höheren Temperaturen, aber man nahm an, dass sich eine neue Kristallstruktur gebildet hatte. Unsere neuen Ergebnisse zeigen stattdessen, dass Eisenoxid ohne jede Strukturveränderung metallisiert und kombinierte Druck- und Temperaturverhältnisse benötigt. Außerdem zeigt unsere Theorie, dass die Art, wie sich die Elektronen verhalten, um es metallisch zu machen, sich von anderen, metallisch werdenden Materialien unterscheidet.”
“Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Eisenoxid im gesamten Bereich seiner Stabilität im unteren Erdmantel leitend ist”, fährt Cohen fort. “Die metallische Phase wird die elektromagnetische Interaktion zwischen den flüssigen Kern und dem unteren Mantel verbessern. Das hat Auswirkungen auf das Magnetfeld der Erde, das im äußeren Kern erzeugt wird. Sie wird die Art verändern, wie das Magnetfeld an die Erdoberfläche gebracht wird, weil sie eine magnetomechanische Verbindung zwischen dem Erdmantel und dem Kern bereitstellt.”
“Die Tatsache, dass ein Mineral Eigenschaften aufweist, die sich dermaßen voneinander unterscheiden – abhängig von seiner Zusammensetzung und wo innerhalb der Erde es sich befindet – ist eine wichtige Entdeckung”, schlussfolgerte Russell Hemley, Direktor des Geophysical Laboratory.
Quelle: http://carnegiescience.edu/news/new_kind_metal_deep_earth
(THK)
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