Warum ist der Erdkern nicht fest geworden?

Ich nehme im Allgemeinen "absehbare Zukunft" als "zu meinen Lebzeiten", in diesem Fall lautet die Antwort " Nein " . Wenn Sie jedoch wirklich fragen: "Was sagt die Wissenschaft über die Verfestigung ¹ des Erdkerns?" dann können wir das beantworten.

Im Kern des Planeten haben wir tatsächlich dieses hübsche Bild:

Der "feste innere Kern" ist so ziemlich reines Eisen bei einer schönen Temperatur von etwa 5700 K (seltsam nahe an der Oberflächentemperatur der Sonne ), was größer zu sein scheint als der Schmelzpunkt von Eisen von etwa 1800 K, aber die Clausius-Clapeyron-Beziehung zeigt, dass sich die Schmelzpunkte mit zunehmendem Druck ändern, also ist alles in Ordnung.

Der Grund, warum die Wärme im Kern zurückgehalten wurde, ist, dass die einzigen Prozesse, um die Wärme zu bewegen, Konvektionstransport und Wärmeleitung sind, wobei letztere ein ziemlich langsamer Prozess ist (abgesehen davon: Es sind die Konvektionsströme, die das Magnetfeld verursachen ). Degeun et al. (2013) stellen fest,

...die dynamische Zeitskala der thermischen Konvektion im inneren Kern [ist]$\sim$1 Meine oder mehr.

Was, obwohl kürzer als das Alter des Planeten, immer noch ziemlich lang ist. Aber auch der innere Kern wächst mit einer Rate von etwa 0,5 mm/Jahr (mögliche Paywall) und das seit etwa einer Milliarde Jahren. Obwohl nicht referenziert, deutet diese Earth.StackExchange-Antwort darauf hin, dass der Kern seit seiner Bildung nur um 250 K abgekühlt ist (eine Rate von 55 K/Gyr). Bei dieser Rate "würde es etwa 91 Milliarden Jahre dauern, bis es auf 0 K abgekühlt ist." Also nein, sicher nicht zu unseren Lebzeiten!

Beachten Sie auch, dass der Mantel teilweise durch radioaktive Zerfälle von Uran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40 erhitzt wird, die alle Halbwertszeiten von mehr als 700 Millionen Jahren (bis zu etwa 14 Milliarden Jahren) haben für Thorium). Das schützt uns noch einige Zeit vor dem vollständigen Auskühlen des Kerns.

Zum Glück für unseren winzigen Planeten wird der Kern also noch ein paar Milliarden Jahre schön warm bleiben (meine Schätzung). Unglücklicherweise für den Planeten wird die Sonne in die rote Riesenphase übergehen und sie auffressen, bevor der Kern abkühlt.

^{Ich bin mit diesem Wort liberal. Wie ich an anderer Stelle feststelle, ist der Kern fest. OP beabsichtigt, dass es eher einen kalten Klumpen Eisen bedeutet als den gerösteten Klumpen Eisen, den wir haben}

Warum ist der Erdkern nicht fest geworden? Wird dies in absehbarer Zeit geschehen?

TL;DR antwortet:

• Warum ist der Erdkern nicht fest geworden?
  Viel Restwärme aus der Erdentstehung verbleibt im Erdinneren. Beim Gefrieren von Eisen und Nickel auf den festen inneren Kern wird Wärme freigesetzt, was diesen Gefrierprozess verlangsamt. Die Erde ist groß. Mond und Mars sind viel kleiner und haben immer noch flüssige äußere Kerne.

• Wird dies in absehbarer Zeit geschehen?
  Nein.

Die Antwort auf die zweite Frage lautet nein. Es könnte in ein paar Milliarden Jahren passieren, dann wieder könnte es überhaupt nicht passieren. Die Sonne wird sich in etwa fünf Milliarden Jahren in einen Roten Riesen verwandeln und könnte sich ausdehnen, um die Erde zu verschlingen. Wenn das passiert, wird die Erde verschwunden sein.

Die Kernantwort auf die erste Frage lautet, dass noch viel Restwärme aus der Erdentstehung im Inneren der Erde verbleibt und ein guter Teil dieser Restwärme im Erdkern konzentriert ist.

Ein Argument gegen das baldige Einfrieren des Erdkerns (z. B. eine Milliarde Jahre ist „bald“) ist, dass der Mond (Williams 2006) und der Mars (Yoder 2003) immer noch flüssige äußere Kerne haben. Mond und Mars sind viel kleiner als die Erde. Das Quadratwürfelgesetz legt nahe, dass ein großer Körper wie die Erde eine noch langsamere Kernabkühlungsrate hat als diese viel kleineren Körper. Im Gegensatz dazu haben Mond und Mars stagnierende Deckelkonvektionssysteme, während die Erde ein aktives Plattentektoniksystem hat. Dass unser Mond noch immer einen flüssigen Kern hat, spricht dagegen, dass der Erdkern in absehbarer Zeit einfriert.

Ein Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage ist die Geschwindigkeit, mit der Wärmeenergie die Kern-Mantel-Grenze überschreitet. Die Schätzungen dieses Wärmeflusses variieren stark und reichen von weniger als 2 Terawatt bis über 15 Terawatt. Die möglichen Quellen dieses Wärmeflusses sind:

• Latente Gefrierwärme, wenn geschmolzenes Eisen und Nickel im äußeren Kern auf den inneren Kern gefrieren.
• Säkulare Abkühlung des inneren und äußeren Kerns der Erde.
• Gravitationserwärmung, da leichtere Elemente im äußeren Kern vom Gefrierprozess abgewiesen werden.
• Radiogene Erwärmung durch Zerfall radioaktiver Elemente im Erdkern.

Der letzte Punkt ist sehr umstritten. Die meisten Geochemiker und Geophysiker sind der Meinung, dass es im Erdkern nur vernachlässigbare Mengen an radioaktiven Elementen ( ²³⁵ U, ²³⁸ U, ²³² Th, ^{40 K) gibt.} Uran, Thorium und Kalium sind stark lithophile Elemente. Außerdem sind sie inkompatible Elemente. Im Vergleich zu Chondriten sind diese Elemente in der Erdkruste konzentriert, im oberen Mantel erschöpft und im unteren Mantel wahrscheinlich leicht erschöpft. Diese Elemente sollten einfach nicht im Kern sein.

Jüngste Experimente zum Nachweis von Geoneutrinos (KamLAND 2011) untermauern diese Ansichten, zumindest in Bezug auf ²³⁸ U und ²³² Th. ^{(Die von 235} U und ⁴⁰ K erzeugten Neutrinos haben eine zu niedrige Energie, um von bestehenden Detektoren nachgewiesen zu werden.) Dass Uran und Thorium im Erdkern nicht vorhanden sind, stimmt mit den Ergebnissen dieser Geoneutrino-Beobachtungen überein.

Nichtsdestotrotz argumentieren mehrere neuere Arbeiten (z. B. Lay 2008) für einen sehr hohen Wärmefluss an der Kern-Mantel-Grenze (CMB). Dies bringt mehrere Probleme mit sich. Zum einen bedeutet dies, dass der innere Kern der Erde sehr jung ist, eine Milliarde Jahre oder weniger alt (Labrosse 2001). Andere argumentieren, dass der innere Kern mindestens zwei Milliarden Jahre alt ist (Stacey 1999) und möglicherweise sogar noch älter. Ein verwandtes Problem: Wenn der innere Erdkern sehr jung ist, was trieb den Geodynamo vor der Bildung des inneren Kerns an? Ein weiteres Problem besteht darin, dass dieser hohe Wärmefluss eine nicht vernachlässigbare Menge an radiogener Erwärmung im Erdkern bedeutet.

Eine Möglichkeit, dieses Dilemma zu umgehen, besteht darin, dass der Erdkern eine nicht zu vernachlässigende Menge radioaktiver Elemente enthält, insbesondere ⁴⁰ K (Nimmo 2004). Andere argumentieren, dass selbst wenn Kalium in den Kern eindringen kann, es einfach nicht genug Kalium in der Erde gibt, um einen großen Wärmestrom aus dem Kern zu erklären (Lassiter 2006).

Eine Alternative besteht darin, dass am CMB in der D''-Schicht eine beträchtliche Wärmemenge erzeugt wird. Die jüngste Entdeckung von Post-Perowskit könnte einen Mechanismus liefern. Es könnte sehr wohl einen tiefen Magmaozean oder eine teilweise Schmelze an der Basis des Mantels geben (Labrosse 2007, Stixrude 2009). Da Uran, Thorium und Kalium unverträgliche Elemente sind, würde dieser tiefe Magmaozean natürlicherweise konzentrierte Mengen dieser Elemente enthalten.

Verweise

KamLAND 2011. KamLAND Collaboration (2011), „Teilweises radiogenes Wärmemodell für die Erde, enthüllt durch Geoneutrino-Messungen“, Nature Geoscience 4.9: 647-651.

Labrosse 2001. Stephane Labrosse, Jean-Paul Poirier und Jean-Louis Le Mouël (2001), „The age of the inner core“, Earth and Planetary Science Letters 190.3: 111-123.

Labrosse 2007. Stéphane Labrosse, JW Hernlund und Nicolas Coltice (2007), „Ein kristallisierender dichter Magmaozean an der Basis des Erdmantels“, Nature 450.7171: 866-869.

Lassiter 2006. JC Lassiter (2006), „Einschränkungen der gekoppelten thermischen Entwicklung des Erdkerns und des Erdmantels, des Alters des inneren Kerns und des Ursprungs des ¹⁸⁶ Os/ ¹⁸⁸ Os „Kernsignals“ in Plume-derived Lavas, " Earth and Planetary Science Letters 250.1: 306-317.

Lay 2008. T. Lay, J. Hernlund und BA Buffett (2008), „Core-Mantle Border Heat Flow“, Nature Geoscience 1.1: 25-32.

Nimmo 2004. F. Nimmo, et al. (2004), "Der Einfluss von Kalium auf die Kern- und Geodynamo-Evolution", Geophysical Journal International 156.2: 363-376.

Stacey 1999. Frank D. Stacey und Conrad HB Stacey (1999), "Gravitationsenergie der Kernentwicklung: Auswirkungen auf die thermische Geschichte und die Geodynamo-Leistung." Physik der Erde und des Planeteninneren 110.1: 83-93.

Stixrude 2009. Lars Stixrude, et al. (2009), „Thermodynamik von Silikatflüssigkeiten in der tiefen Erde“, Earth and Planetary Science Letters 278.3: 226-232.

Williams 2006. JG Williams, et al. (2006), "Lunar Laser Ranging Science: Gravitationsphysik und Mondinneres und Geodäsie", Advances in Space Research 37.1: 67-71.

Yoder 2003. CF Yoder, et al. (2003), „Fluid core size of Mars from Detection of the solar tide“, Science 300.5617: 299-303.

Heißes Material auf der Erdoberfläche kühlt schnell ab, weil Luft die Wärme ziemlich leicht durch Konvektion abführen kann. Diese Wärme wird schließlich zurück in den Weltraum abgestrahlt.

Der äußere Kern hingegen berührt den heißen Mantel. Aufgrund des relativ geringen Temperaturunterschieds gibt es nicht viel Wärmeübertragung auf den Mantel. Der Mantel selbst kühlt zwar langsam ab, jedoch an den Subduktionszonen im Ozean (die im Vergleich zur gesamten Oberfläche des Mantels relativ wenige sind), da die felsige Kruste den Mantel isoliert.

Abgesehen davon trägt der radioaktive Zerfall wesentlich dazu bei, den äußeren Kern geschmolzen zu halten.

Also nein, der Kern wird in absehbarer Zeit nicht wesentlich abkühlen.

1. Die Erde ist groß und braucht lange, um sich abzukühlen. Beachten Sie, dass der Mars, da er kleiner ist, bereits auf diesen Punkt abgekühlt ist.
2. Die Wärme aus dem Zerfall von Radioisotopen über etwas mit dem Masse/Flächen-Verhältnis der Erde ist beträchtlich.

Der innere Kern der Erde ist bereits fest. Allerdings nicht wegen der Kälte, sondern wegen des hohen Drucks. Nun, ob der äußere Kern der Erde einfrieren wird, der radioaktive Zerfall heizt den äußeren Kern der Erde auf. Der Druck verhindert auch, dass der äußere Kern der Erde Wärme verliert. Natürlich erstarrt ein Teil des äußeren Erdkerns. Leichtere Elemente verfestigen sich auf der Oberfläche des äußeren Kerns, wenn der äußere Kern Wärme an den Mantel abgibt. Dies verursacht dynamische Muster und ist einer der Gründe dafür, warum die Erde ein Magnetfeld hat. Während dies geschieht, bewegt sich geschmolzenes Eisen durch diese erstarrten leichteren Elemente. Verstärken des Magnetfelds, das tiefer aus dem äußeren Kern kommt.

Vergessen Sie nicht die kombinierten Gravitationskräfte von Mond und Sonne, die die Erde dehnen und kühlen und auch Wärme innerhalb des Planeten erzeugen.

Nimm zum Beispiel einen Plastiklöffel oder ähnliches und beginne ihn langsam zu biegen – biege ihn langsam hin und her, damit er nicht bricht und er langsam weich wird, und wenn er weich wird, biege ihn immer schneller zurück, bis es wird tatsächlich heiß genug, um an der Stelle, die sich am stärksten gebogen hat, eine erste richtige Verbrennung ersten Grades zu verursachen.

Wenn wir den Mond nicht gehabt hätten, wären wir wie Mars gelandet. Der Mars hat keine nennenswerten echten Monde – er hat zwei große Asteroiden. Wenn der Mars einen ähnlichen Mond wie wir hätte, hätte er das Zentrum des Planeten flüssig und heiß gehalten, was sein Magnetfeld hätte und verhindert hätte, dass die Atmosphäre von Sonnenwinden weggeblasen wird ....

Der Mars hatte einst einen riesigen Ozean und eine Atmosphäre, aber dann verlor er sie … Und der einzige Weg, das zu verlieren, ist, sein Magnetfeld zu verlieren … Und der einzige Weg, das zu verlieren, besteht darin, dass der Kern des Planeten abkühlt.

Die Menge an Radioaktivität, die auf den Materialien unseres Planeten Erde basiert, reicht nicht aus, um unseren Planeten so warm und heiß zu halten, wie es unter der Kruste war ... Sicherlich hat der radioaktive Zerfall eine Rolle dabei gespielt, das Zentrum unseres Planeten warm zu halten ... Aber Die beiden Hauptfaktoren sind hoher Druck und Dichte in Kombination mit den Titelkräften von Sonne und Mond. Wenn Sonne und Mond in Opposition stehen, ist der Planet leicht gestreckt und hat eine ovalere Form … wenn Sonne und Mond in einem 90°-Winkel des Planeten stehen, zieht das auf andere Weise an dem Planeten … Und wenn die Sonne und Mond befinden sich auf derselben Seite des Planeten, was diese Seite dieser Seite des Planeten noch weiter in Richtung Sonne und Mond zieht.

Unser Planet wird also ständig wie Brotteig geknetet ... und wenn Sie jemals Brot geknetet haben, wissen Sie, dass der Teig dadurch warm bleibt.

Und vergessen Sie nicht, dass all dieses Ziehen und Ziehen eine enorme Reibung erzeugt … Und wie wir alle wissen, wenn Sie Ihre Hände aneinander reiben und Reibung erzeugen, werden sie warm. Dasselbe gilt für unseren Planeten.

Suchen Sie einfach im Internet nach „was wäre, wenn die Erde keinen Mond hätte“, und Sie werden viele wissenschaftliche Artikel finden, die besagen, dass wir heute genauso wie der Mars oder ihm nahe wären. Ich sage nicht, dass ein Mond erforderlich ist, damit ein Planet warm bleibt, aber in unserem Fall trägt er am meisten dazu bei, dass unser Kern nicht mehr kalt wird.