Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung der Columbia University (NY) hat in einem der Mineralien, aus denen das Erdinnere besteht, Quantenphasenübergänge auf globaler Ebene entdeckt: In mehr als 660 Kilometern Tiefe drückt dieses Quantenphänomen auf die tektonischen Massen und verstärkt Erdbeben und Vulkanausbrüche auf dem gesamten Planeten.
Das Erdinnere ist ein Mysterium, vor allem in großen Tiefen: Es handelt sich um Regionen, die sich mehr als 660 Kilometer unter der Erdoberfläche befinden.
Dabei handelt es sich um den unteren Erdmantel, der hauptsächlich aus Bridgmanit, Ferroperiklas und Kalziumsilikat-Perowskit besteht.
Der untere Erdmantel beginnt in 660 Kilometern Tiefe und reicht bis in 2.900 Kilometer Tiefe, wo der äußere Erdkern beginnt.
Es handelt sich um uneinnehmbare Regionen: Bislang konnten wir nur 12,3 Kilometer tief unter die Erdoberfläche vordringen (Supertiefbohrung von Kola).
Um zu wissen, was in diesen tiefen Regionen passiert, verfügen die Forscher nur über seismische Tomographien dieser Region: Um sie zu interpretieren, müssen sie die seismischen (akustischen) Geschwindigkeiten in Mineralien bei hohen Drücken und Temperaturen berechnen.
Mit diesen Berechnungen können sie 3D-Geschwindigkeitskarten erstellen und die Mineralogie und Temperatur der beobachteten Regionen ermitteln - sie ermöglichen ein besseres Verständnis von Erdbeben und Vulkanausbrüchen, die an der Oberfläche stattfinden.
Phasenübergänge
Phasenübergänge Zu den Vorgängen in der Materie gehören die so genannten Phasenübergänge, die für die Bestimmung der Beschaffenheit und Dynamik von Materialien äußerst wichtig sind.
Phasenübergänge treten auf, wenn sich die Materie verändert: zum Beispiel von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit oder einem Gas. Aber auch, wenn ein kristalliner Festkörper nicht mehr homogen ist und die Translationssymmetrie bricht (seine bisherige Identität verliert).
Phasenübergänge kommen häufig vor, aber wenn der Übergang bei Null oder sehr niedriger Temperatur stattfindet, spricht man von einem Quantenphasenübergang: Hier überwiegen Quanteneffekte.
Die Quantenpartikel, aus denen die Materialien bestehen, haben spezifische Eigenschaften wie Energie, Impuls, Drehimpuls und Spin (Eigendrehimpuls des Elektrons) und sind unter bestimmten Bedingungen Phasenübergängen ausgesetzt.
Wenn sich die Kristallstruktur eines Minerals unter Druck ändert, beobachten Wissenschaftler im Allgemeinen eine scharfe Diskontinuität in der seismischen oder akustischen Geschwindigkeit, die Aufschluss über die tellurische Dynamik gibt.
Erste Verdachtsmomente
Erste Vermutungen Im Jahr 2003 beobachteten Wissenschaftler zum ersten Mal im Labor eine neuartige Phasenänderung in Mineralien: eine Spinänderung des Eisens von Ferroperiklas, einer Varietät der mineralischen Form von Magnesiumoxid namens Periklas, die der zweithäufigste Bestandteil des unteren Erdmantels ist.
In Mineralien wie Ferroperiklas kann es durch äußere Einflüsse wie Druck oder Temperatur zu einer Spinveränderung oder einem Spin-Crossover kommen.
In den letzten Jahren haben experimentelle und theoretische Gruppen diesen Quanten-Phasenwechsel im Labor bestätigt, und zwar sowohl in Ferroperiklas als auch in Bridgmanit, einer sehr dichten Mischung aus Eisen- und Magnesiumsilikaten, die das häufigste Mineral im unteren Erdmantel ist.
2006 veröffentlichte die brasilianische Ingenieursprofessorin Renata Wentzcovitch von der Columbia University ihren ersten Artikel über Ferroperiklas, in dem sie eine Theorie für die Spin-Kreuzung in diesem Mineral aufstellte: Sie schlug vor, dass dieser Quanten-Phasenübergang über tausend Kilometer des unteren Erdmantels stattfindet.
Im Jahr 2014 sagte Wenzcovitch voraus, wie dieses Phänomen der Spinverschiebung in seismischen Tomografiebildern nachgewiesen werden könnte, aber Seismologen konnten es nicht verifizieren.
Geprüft: findet statt
Wenzcovitchs jüngste Arbeit, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, beschreibt, wie er das Spin-Crossing-Signal in Ferropericlase, einem Quantenphasenübergang tief im Erdmantel, identifiziert hat.
Dazu untersuchte er bestimmte Regionen im Erdmantel, in denen Ferropericlase vermutlich reichlich vorkommt.
Der Twist-Übergang wird üblicherweise bei Materialien verwendet, die z. B. für magnetische Aufzeichnungen eingesetzt werden. Wenn nur einige wenige Schichten eines nanometerdicken magnetischen Materials gedehnt oder gestaucht werden, kann dies die magnetischen Eigenschaften der Schicht verändern und die Aufzeichnungseigenschaften des Mediums verbessern, erklären die Forscher.
Die neue Studie von Wentzcovitch zeigt, dass dasselbe Phänomen über Tausende von Kilometern im Erdinneren auftritt, was dieses Phänomen von der Nano- auf die Makroskala überträgt.
Ursprung von Erdbeben und Vulkanausbrüchen
Ursprung von Erdbeben und Vulkanausbrüchen, "Geodynamische Simulationen haben gezeigt, dass die Spin-Kreuzung die Konvektion im Erdmantel und die Bewegung tektonischer Platten verstärkt. Wir denken also, dass dieses Quantenphänomen auch die Häufigkeit tektonischer Ereignisse wie Erdbeben und Vulkanausbrüche erhöht", erklärt Wentzcovitch in einer Mitteilung.
Es gibt noch viele Bereiche des Erdmantels, die die Forscher nicht verstehen, und die Änderung des Spinzustands ist unerlässlich, um die Geschwindigkeiten, Phasenstabilitäten usw. der Materialien, aus denen er besteht, zu kennen, betonen die Autoren dieser Forschung.
Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten, in die unzugänglichen Tiefen der Erde vorzudringen, da die Simulationsmethoden auch auf andere Materialien im Erdinneren angewendet werden können, fügen die Wissenschaftler hinzu.
Das bedeutet, dass wir nun besser in der Lage sind, 3D-Tomografiebilder der Erde zu analysieren und besser zu verstehen, wie diese Quantenphasenübergänge, die im Inneren des Planeten einen erdrückenden Druck ausüben, indirekt unser Leben an der Oberfläche beeinflussen.
Referenz:
Seismologischer Ausdruck des Eisen-Spin-Crossovers in Ferropericlase im unteren Erdmantel.
Quelle: http://www.thespaceacademy.org/2021/11/a-quantum-phenomenon-deep-in-earth.html
[max...ja die liebe Innererde...]
Keine Kommentare:
Kommentar veröffentlichen
Bei Kommentaren bitten wir auf Formulierungen mit Absolutheitsanspruch zu verzichten sowie auf abwertende und verletzende Äußerungen zu Inhalten, Autoren und zu anderen Kommentatoren.
Daher bitte nur von Liebe erschaffene Kommentare. Danke von Herzen, mit Respekt für jede EIGENE Meinung.