Experimentelle Einschränkungen der Viskosität des Erdkerns

Obwohl viele geodynamische Mechanismen hinsichtlich des Ursprungs der beobachteten komplexen Struktur des Erdkerns vorgeschlagen wurden, wurde kein klarer Konsens erzielt. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Viskosität im inneren Kern nicht genau bekannt ist.

Es wurde diskutiert, dass der dominierende Mechanismus der inneren Kerndynamik vom Alter und der Viskosität des inneren Kerns abhängt, und es gibt mehrere mögliche Mechanismen, darunter das äquatoriale Innenkernwachstum und die Konvektionsmodelle der Wolke.

Da davon ausgegangen wird, dass der innere Kern aus hexagonal dicht gepacktem Eisen (hcp-Eisen) besteht, sind Informationen über die Viskosität von hcp-Eisen ein Schlüssel zum Verständnis der Dynamik des inneren Kerns. In einer neuen Studie veröffentlicht in Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Feste ErdeForscher aus Japan und dem Vereinigten Königreich untersuchten die Rheologie von HCP-Eisen anhand von Hochdruck- und Hochtemperatur-Verformungsexperimenten.

Uniaxiale Verformungsexperimente wurden mit einem Gerät vom Typ D111 durchgeführt, das an einer Strahlleitung NE7A bei PF-AR, KEK installiert war, und einem Verformungs-DIA-Gerät, das an einer Strahlleitung BL04B1 bei SPring-8 installiert war. Unter Verwendung eines vorgesinterten Eisenstabs als Ausgangsmaterial wurden Verformungsexperimente bei Drücken von 16,9–22,6 GPa und Temperaturen von 423–873 K durchgeführt, wobei hcp-Eisen stabil vorliegt. Die Spannung und Dehnung der Probe während der Verformung wurden auf der Grundlage zweidimensionaler Röntgenbeugung bzw. Röntgenradiographie unter Verwendung eines monochromatisierten Synchrotron-Röntgenstrahls bestimmt.

Die Ergebnisse zeigten, dass sich der vorherrschende Verformungsmechanismus in hcp-Eisen je nach Temperatur ändert, wobei das Versetzungskriechen nach dem Potenzgesetz und das Kriechen bei niedriger Temperatur oberhalb bzw. unterhalb von ~800 K am wichtigsten sind. Basierend auf der Extrapolation dieser experimentellen Ergebnisse schätzen wir die innere Kernviskosität auf ≥ 1019 Pa, was darauf hindeutet, dass das äquatoriale Wachstums- oder Translationsmodusmodell der vorherrschende geodynamische Mechanismus im inneren Erdkern ist.