Der äußere Kern ist , der flüssige Teil der Erde Kern , einer Zwischenschicht über der festen Samen (befindet inneren Kern ) und unterhalb der Erdmantel . Der Kern ist wie das Saatgut eine Metalllegierung , die hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht . Die Flüssigkeit des äußeren Kerns wird durch schnelle konvektive Bewegungen angeregt, die am Ursprung des Erdmagnetfeldes einen Dynamoeffekt auslösen .
Studien über seismische Wellen, die sich innerhalb der Erdkugel ausbreiten, haben es Richard Oldham ermöglicht , auf die Existenz eines zentralen, dichteren Kerns innerhalb der Erde hinzuweisen. Tatsächlich brechen seismische P-Wellen oder Primär- oder Kompressionswellen an der Mantelkern-Grenzfläche in einer Tiefe von 2.900 km nach unten und hinterlassen eine "Schattenzone" auf der Erdoberfläche, dh einen Bereich, in dem die P-Wellen auftreten erscheinen nicht mehr in den aufgezeichneten Seismogrammen. Diese Schattenzone befindet sich in einem Abstand von 103 bis 142 ° vom Epizentrum des Erdbebens (siehe Abbildung). Diese seismische Diskontinuität wird nach dem Namen des deutschen Seismologen Beno Gutenberg, der diese Schnittstelle 1914 charakterisierte, als Gutenberg-Diskontinuität bezeichnet .
Später, im Jahr 1926, schlug Harold Jeffreys die fließende Natur der Materie im äußeren Kern unter Verwendung verschiedener Argumente vor, einschließlich des Fehlens von S-Wellen oder Sekundär- oder Scherwellen im äußeren Kern.
1936 entdeckte die dänische Seismologin Inge Lehmann jedoch seismische Signale in der Schattenzone. Sie interpretierte diese Signale als Brechung von P-Wellen auf der Oberfläche des festen Erdkeims ( innerer Kern ). Sie entdeckte so den irdischen Samen.
Diese Kernstruktur wurde durch die moderne Seismologie und insbesondere durch das inverse Modell PREM (Preliminary Reference Earth Model) bestätigt. Laut PREM ist der derzeitige äußere Kern eine Zwischenschicht, die an der Oberfläche des Keims mit einem Radius von 1.220 ± 5 km beginnt und an der Basis des Mantels mit einem Radius von 3.480 ± 10 km endet .
Der statische Druck kann aus der Kenntnis der Dichte als Funktion der Tiefe (und damit der Schwerkraft) abgeleitet werden. Es gibt einen Druck von 330 GPa an der Basis des flüssigen Kerns und 130 GPa an der Oberfläche des Kerns.
So wie die Erdoberfläche an den Polen abgeflacht ist (Abflachung f = 1 / 298.257), sind der äußere Kern und der Samen aufgrund ihrer eigenen Rotation abgeflachte Sphäroide ( f = 1/393 bzw. 1/416). Die Abflachung des äußeren Kerns und des Samens kann durch Beobachtung der Bodenmutationen mit guter Genauigkeit bestimmt werden .
Es gibt keine direkte Beobachtung der Materie, die den Erdkern ausmacht.
Die chemische Untersuchung von Meteoriten hat es Geochemikern ermöglicht , ein Erdmodell zu erstellen, das durch Subtrahieren des Erdmantels von undifferenzierten Meteoriten postulieren kann, dass der Erdkern hauptsächlich aus Eisen und etwas Nickel besteht . Diese Hypothese wird stark von der von Seismologen bestimmten Dichte des Kerns gestützt, die der von Eisen unter Druck- und Temperaturbedingungen von der Mantel-Kern-Grenze bis zum Erdmittelpunkt sehr nahe kommt.
1952 zeigte Francis Birch durch Experimente mit Mineralien bei hohem Druck und hoher Temperatur, dass der Erdmantel hauptsächlich aus Silikaten besteht , dem äußeren Kern aus flüssigem Eisen und dem inneren Kern aus festem, kristallinem Eisen. Genauere Messungen der Dichte von reinem Eisen unter den Druck- und Temperaturbedingungen des Kerns zeigen, dass die Dichte des flüssigen Kerns etwas niedriger ist (in der Größenordnung von 10%) als die von reinem Eisen. Der äußere Kern wäre daher eine Lösung von Eisen und leichteren Elementen wie Silizium , Sauerstoff , Schwefel und Kohlenstoff oder sogar Wasserstoff und Sauerstoff in Form von gelöstem Wasser .
Während der Erdakkretion schmelzen Meteoriten (und Protoplaneten ) beim Aufprall auf die Erde. Das dichtere Eisen (begleitet von Nickel) fließt dann in Richtung des zentralen Teils des Planeten, um den Kern zu bilden, der dann vollständig flüssig ist. Dieser Differenzierungsprozess zwischen Kern und Mantel wäre laut Geochemikern recht schnell (< 100 Millionen Jahre) verlaufen. Während seiner Wanderung zum Zentrum sammelt flüssiges Eisen in Kontakt mit Silikatgesteinen bestimmte chemische Elemente. Unter ihnen sind die sogenannten siderophilic Elemente , die, heute scheinen in Erdmantel zu fehlen im Vergleich zu ihrem Inhalt in Meteoriten (darunter Gold , Kobalt , Mangan , Platin , usw. ), sondern auch die Lichtelemente der aktueller äußerer Kern.
Wenn sich die Erde abkühlt, kristallisiert die Flüssigkeit und bildet den Samen in der Mitte des Kerns. Seismologische Studien zeigen, dass der Samen dichter ist als der ihn umgebende flüssige Kern. Es ist mit ziemlicher Sicherheit reiner in Eisen-Nickel, wodurch der flüssige Kern mit leichten Elementen angereichert wird, wenn der Samen wächst.
Die Temperatur im äußeren Kern wird aus Messungen der Hochdruck-Eisenschmelztemperatur abgeleitet, die 2013 in der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage durchgeführt wurden . Beim Druck der Oberfläche des Samens liegt die Schmelztemperatur von Eisen in der Größenordnung von 5000 K , variiert jedoch in Abhängigkeit von der genauen Zusammensetzung von 500 bis 1000 K. Unter der Annahme, dass der flüssige Kern isentrop ist , können wir bewerten, dass die Temperatur des äußeren Kerns an seiner Oberfläche 2000 K niedriger ist als an seiner Basis.
Die Flüssigkeit des Flüssigkeitskerns ist sehr niedrigviskos. Die Viskosität der im Kern enthaltenen Flüssigkeit wird von Geophysikern durch Beobachtung der Entwicklung der Erdrotation bewertet . In der Tat würde eine viskose Flüssigkeit den Kern stark an den Erdmantel binden und die Dämpfung der Schwingungen der Erdrotationsachse ( Präzession und Nutation ) würde stark beeinflusst. Andere Bewertungsmethoden führen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen und die Viskosität des flüssigen Kerns bleibt sehr schlecht bestimmt. In erster Näherung wird jedoch angenommen, dass die Kernflüssigkeit die gleiche dynamische Viskosität wie Wasser hat. Bei den Oberflächenmeeren wird die Dynamik des Flüssigkeitskerns stark von der Erdrotation beeinflusst.
Die Abkühlung der Erde verursacht thermische Konvektionsbewegungen im äußeren Kern. Das heiße, leichtere Material steigt im Schwerkraftfeld im Vergleich zu dem dichteren, oberflächengekühlten Material, das zum Samen hin abfällt. Die Coriolis-Kraft bewirkt , dass sich Materie in Form von Wirbeln windet . Aufgrund des Vorherrschens der Coriolis-Kraft richten sich die Wirbel nach der Rotationsachse der Erde aus. Diese Wirbel wandern durch den Erdkern als Welle, die als Rossby-Welle bekannt ist, durch die Erdatmosphäre und die Ozeane. Diese Ausrichtung der Wirbel mit der Rotationsachse, auch Geostrophie genannt, erklärt, warum das im Kern erzeugte Magnetfeld im Durchschnitt auch mit der Rotationsachse ausgerichtet ist.
Eine weitere Bewegungsquelle im flüssigen Kern ist die Zusammensetzungskonvektion . Es resultiert aus der fraktionierten Kristallisation von Flüssigkeit aus dem äußeren Kern, wodurch das innere Kern (oder der Keim) wächst . Da die Eisen-Nickel-Legierung , die sich auf der Oberfläche des Keims absetzt, reiner ist als das flüssige Metall, aus dem es ausfällt , setzt der Erstarrungsprozess leichte Elemente (Verunreinigungen) an der Basis des äußeren Kerns frei. Da das flüssige Metall auf diesem Niveau daher leichter ist, ist es dynamisch instabil und steigt durch den äußeren Kern auf, wobei es sich allmählich mit dem Rest der Flüssigkeit vermischt.
Die Geschwindigkeit der Konvektionsströme des äußeren Kerns wird aus der zeitlichen Variation des Magnetfeldes abgeleitet. Typische Geschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von mm / s (3,6 m / h ).
Der äußere Kern wird durch schnelle konvektive Bewegungen angeregt, die am Ursprung des Erdmagnetfeldes einen Dynamoeffekt auslösen .