Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Unerwartete Spins im ErdinnerenStudien mit Synchrotronstrahlung bei hohem Druck undhohen Temperaturen haben eine unerwartete Änderungder Elektronenstruktur bei zweiwertigem Eisen im Innerender Erde ans Tageslicht gebracht.Das Innere der Erde ist größtenteils unzugänglich für direkteUntersuchungen. Will man hier Modelle erstellen, so istman in der Regel auf indirekte geophysikalische Daten wie dievon Erdbeben sowie Messungen im Labor angewiesen. SolcheModelle können nicht nur erklären, wie sich etwa die Temperaturund der Druck mit der Tiefe ändert, sondern auch, wie sichMateriebewegungen im Tiefen der Erde auf Prozesse an derOberfläche wie die Plattentektonik oder die Atmosphärenchemieauswirken.Das in der Erde am häufigsten auftretende Mineral, ein magnesium-und eisenhaltiges Silikat mit einer Perowskit-Struktur,ist Gegenstand vieler Laboruntersuchungen. Da Studien in Gegenwartdes Eisens schwieriger durchzuführen sind, werden oftnur die reinen Magnesiumsilikate untersucht.Eisen gehört jedoch zu den sogenannten Übergangselementen,die ihre Elektronenstruktur ändern können und dieserUmstand kann Auswirkungen auf die Eigenschaften des Erdinnerenhaben. Zweiwertiges Eisen kommt beispielsweise in dreiverschiedenen Spinzuständen vor. Ein hoher Spin liegt vor,wenn es vier ungepaarte Elektronen gibt, ein mittlerer Spin beizwei ungepaarten Elektronen und ein niedriger Spin, wenn keinesder äußeren Elektronen gepaart ist.Übergänge zwischen diesen Zuständen im Erdinneren wurdenvor nahezu 50 Jahren vorhergesagt, aber erst in den letztenJahren wurden sie bei Bedingungen, wie sie im unterenErdmantel herrschen, experimentell direkt beobachtet.Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung im Jahr 2003zeigten, dass die zweithäufigste Phase im unteren Erdmantel(Mg,Fe)O, ein Magnesium- und Eisenoxid, einen Übergang vomhohen zum niedrigen Spinzustand unterläuft. Aber die Spinzuständevon zweiwertigem Eisen im Perowskit im unteren Erdmantelwaren immer noch ungeklärt.Im Jahre 2008 nahmen sich Forscher der Universität Bayreuthin Zusammenarbeit mit Kollegen der ERSF dieses Problemsan und entdeckten klare Hinweise auf einen Übergangdes Spinzustandes. Die Forscher untersuchten das Mineral beihohem Druck und hoher Temperatur mit Hilfe einer Diamant-Stempel-Zelle und einer Miniatur-Heizapparatur unter Einsatzvon Synchrotronstrahlung. Sie machten die überraschende Entdeckung,dass der mittlere Spinzustand in großen Bereichen desunteren Erdmantels stabil ist.Diese überraschende Stabilität steht wahrscheinlich mit derungewöhnlichen Umgebung des Eisenatoms im unteren Erdmantelin Verbindung. Mit Hilfe von Computersimulationen unddes Einsatzes konventioneller Methoden lässt sich dieses Verhaltenbisher nicht reproduzieren. Um die Natur zufriedenstellendzu beschreiben, müssen also komplexere Modelleherangezogen werden.Die neuen Erkenntnisse wirken sich dabei auch auf die Annahmenaus, auf denen Modelle der Erde beruhen. Denn dieSpinzustände können auch die elektrische und die Wärme-Leitfähigkeitbestimmen. Sie haben damit Einfluss auf den Wärmetransportin der Erde und damit darauf, wie sich etwaSuperplume formen, wie Konvektion im Erdmantel erfolgt undwie das Magnetfeld und Wärme aus dem Erdinneren an dieOberfläche des Planeten gelangen.Abbildung:Querschnitt des unterenErdmantels. Der Übergangvon gelb nach grün zeigtden Wechsel der Häufigkeitvon zweiwertigemEisen vom hohen zummittleren Spinzustand.Temperaturänderungenim oberen Bereich desunteren Erdmantels,aufgrund von Materiebewegungen,sind für dieVerteilung der beidenSpinzustände verantwortlich.WissenschaftlicheVeröffentlichung:C. McCammon, I. Kantor,O. Narygina, J. Rouquette,U. Ponkratz, I. Sergueev,M. Mezouar, V. Prakapenka,L. Dubrovinsky:Stable intermediate-spinferrous iron in lowermantle perovskite. NatureGeoscience 1 (2008) 684Synchrotronstrahlung 2009 23