Temperaturfeld in einer konvektionsdominierten Strömung (rot: heiß, blau: kalt) – zu sehen sind Auf- und Abströme sowie die komplizierte Dynamik in den Grenzschichten. Foto: WWU - Hansen
Münster (upm), 15. Januar 2009
Ein gewaltiger Dynamo im Inneren der Erde erzeugt ein „Schutzschild" für die Erdbewohner: Strömungen im Erdkern erzeugen ein Magnetfeld. Das bewahrt die Erde vor dem Einfall kosmischer Strahlung, die für lebende Organismen schädlich ist. Wissenschaftler der Universität Münster haben gemeinsam mit Kollegen aus den USA bestimmte Eigenarten der Strömungen untersucht. Dabei haben sie durch Laborexperimente und Computersimulationen einen Erklärungsansatz zum Strömungsverhalten gefunden, den sie in der aktuellen Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift Nature vorstellen.
Im Fokus der Forschungsarbeit standen die Strömungen im äußeren Erdkern in 2900 bis 5100 Kilometern Tiefe, der - bei Temperaturen über 3000 Grad Celsius - im Wesentlichen aus flüssigem Eisen besteht und als Dynamo das Erdmagnetfeld erzeugt. Strömungen im System Erde, zum Beispiel in der Atmosphäre und den Ozeanen, werden geprägt von der Rotation der Erde und durch Konvektion, bei der warmes Material aufsteigt und nach Abkühlung wieder absinkt. Auch die Strömung im Erdkern ist durch Rotation und Konvektion beeinflusst. Aber zu welchen Anteilen? Dieser Frage gingen die Wissenschaftler nach. Für ihre Untersuchungen haben sie Laborexperimente, in denen das Geschehen im Inneren der Erde modellhaft nachgestellt wird, mit Computersimulationen kombiniert. Die Computerverfahren wurden in der Arbeitsgruppe Geodynamik am Institut für Geophysik der WWU entwickelt. Die Simulationen wurden auf Höchstleistungsrechnern durchgeführt.
„Bisher ging man davon aus, dass die Rotation, die einen stark ordnenden Einfluss auf die Strömung hat, dominant ist", erklärt Prof. Dr. Ulrich Hansen von der Arbeitsgruppe Geodynamik, der gemeinsam mit seinem münsterschen Kollegen Dr. Stephan Stellmach und Forschern von der Universität von Kalifornien in Los Angeles an dem Nature-Artikel beteiligt ist. „Ungeordnete turbulente Strömungen entstünden bei dominierender Konvektion." Wissenschaftler erwarten, dass geordnete Strömungen eher in der Lage sind, ein Magnetfeld wie das irdische zu erzeugen.
„Stärkt man in einem rotierenden System den Einfluss der Konvektion, etwas durch ansteigende Heizung von unten, so kommt es zu einem Übergang von rotationsdominiertem zu konvektionsdominiertem Verhalten. Der Übergang findet unseren Ergebnissen nach viel früher statt, als nach bisheriger Theorie erwartet", so Prof. Hansen. Die Forscher stellen einen Mechanismus vor, der dieses Phänomen erklärt. Danach bestimmt die relative Dicke der Strömungsgrenzschichten - der thermischen Grenzschicht und der rotationsbestimmten „Ekman"-Grenzschicht - das Verhalten der Strömung.
„Überträgt man unsere Ergebnisse auf irdische Verhältnisse, bei denen sich die Strömungsverhältnisse im Laufe der Zeit in unregelmäßigen Abständen ändern, so erhält man folgendes Bild: Derzeit ist die Strömung im Erdkern noch durch Rotation bestimmt. Dadurch ist die Aufrechterhaltung eines 'geordneten' Magnetfeldes, wie es momentan besteht, wahrscheinlich", sagt Prof. Hansen. Allerdings befindet sich die Strömung im Erdkern näher am Übergang zu turbulenten Strömungsverhältnissen als bisher angenommen, so die Forscher - ähnlich wie Wasser kurz vor dem Siedepunkt, das bei geringer Temperaturerhöhung zu kochen beginnt. Sollten sich die Strömungsverhältnisse ändern, könnte das Magnetfeld der Erde zusammenbrechen oder sich umpolen, wie es im Laufe der Erdgeschichte bereits vielfach vorgekommen ist.