Das Neue Kernparadoxon, die stabile Schicht und doppelt-diffusive Konvektion im Erdkern

• Antragsteller: Dr. Johannes Wicht; Dr. Xiaojue Zhu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521319293

Sowohl thermische als auch chemische Konvektion haben dazu beigetragen, den Geodynamo im Laufe der Erdentwicklung anzureiben. Die meisten numerischen Dynamosimulationen vernachlässigen jedoch die Unterschiede in beiden Konvektionsarten und beschreiben Dichtevariationen mit nur einer Variablen. Darum kann eine Reihe von sehr interessanten doppelt-diffusiven Instabilitäten, die auf die enormen Unterschiede in der Diffusivität beruhen, in diesen Simulationen nicht auftreten. Das ist besonders problematisch, wenn es um die Entstehung und die Dynamik von stabilen Schichten geht, in denen eine Konvektionskomponente Bewegungen antreibt, während die andere diese unterdrückt. Seismische Beobachtungen legen in der Tat nahe, dass es eine stabile Schicht mit einer Dicke von vielleicht 100 km direkt unterhalb der Kern-Mantle-Grenze gibt. Möglicherweise existiert diese Schicht schon seit der frühen Erdgeschichte. Seit die Erde anfing, den inneren Kern zu bilden, tragen die leichten Elemente, die beim Kristallisationsprozess an seiner Oberfläche frei werden, dazu bei, den Geodynamo anzutreiben. Vor diese Zeit jedoch könnte die ‘Exsolution” von etwa MgO eine ähnliche Rolle gespielt haben. Ein signifikanter Beitrag dieser beiden Typen von chemischer Konvektion könnte dazu beitragen, das Neue Kernparadoxon zu lösen. Das Paradoxon sagt aus, dass ein im Wesentlichen thermisch getriebener Dynamo unrealistische hohe Temperaturen im frühen Erdkern und unterem Mantel benötigen würde. Wir schlagen vor, doppel-diffusive Dynamos sowohl in der Vollkugel (ohne inneren Kern) als auch in der Kugelschale (mit innerem Kern) mit dem Simulationscode MagIC zu untersuchen. Um die besonderen kleinskaligen doppelt-diffusiven Instabilitäten in stabilen Schichten besser zu verstehen, werden wir zudem Simulationen mit dem Box-Code AFiD durchführen. Die Ergebnisse werden dann in parametrisierter Form in MagIC implementiert. Ein besseres Verständnis der Rolle, die doppelt-diffusive Konvektion im allgemeinen und die stabile Schicht im speziellen für die Evolution der Kerns, für den Dynamo Prozess und für die Interaktion des unteren Mantels mit dem Kern spielt, ist von großer Wichtigkeit für das SPP DeepDyn.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2404: Rekonstruktion der Dynamik des tiefen Erdinnern über geologische Zeiträume (DeepDyn)
• Internationaler Bezug: China
• Mitverantwortlich: Dr. Stephan Stellmach
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yantao Yang