Ist im inneren Erdkern noch ein weiterer Kern verborgen?

Die Erde ist die gemeinsame Heimat aller Lebewesen und ein tiefes Verständnis der inneren Struktur der Erde ist für die Menschheit von großer Bedeutung. Ich glaube, viele Menschen haben das Strukturdiagramm der Erde gesehen. Es besteht hauptsächlich aus vier Teilen: der äußersten Kruste, dem Hauptteil des Mantels sowie dem äußeren und inneren Kern des Kernteils.

Doch im Februar 2023 zeigte eine von der Australian National University veröffentlichte Studie, dass der innere Erdkern möglicherweise auch eine innerste Kugel mit einer Dicke von etwa 650 Kilometern enthält! Wie also haben die Forscher diese verborgene Struktur entdeckt?

Methoden zur Erforschung der Struktur der Erde

Zunächst müssen wir wissen, wie Wissenschaftler die innere Struktur der Erde erkennen.

Stellen wir uns das Szenario eines Erdbebens vor. Bei einem Erdbeben spüren die Menschen normalerweise, wie der Boden „bebt“. Dabei handelt es sich um die Auswirkung der Ausbreitung seismischer Wellen. Wenn wir diese sogenannten „seismischen Wellen“ aufzeichnen wollen, müssen wir einen Seismographen verwenden.

Was der Seismograph aufzeichnet, ist eine Kurve mit unterschiedlichen Schwankungen, die wir als Seismogramm bezeichnen können. Eine solche Kurve kann uns tatsächlich eine Menge Informationen liefern. Beispielsweise können wir durch die Amplitude und Dichte der angezeigten seismischen Wellen die Art der Wellen und den Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen verschiedener Wellenarten analysieren. Wir können auch die maximale Amplitude und Periode seismischer Wellen verwenden, um die Stärke eines Erdbebens zu berechnen.

Wenn wir außerdem mehr als zwei Beobachtungsstationen haben, die dasselbe Erdbeben gleichzeitig beobachten, können wir durch die tatsächliche Zeitdifferenz zwischen den von den beiden Stationen empfangenen seismischen Wellen sogar den Erdbebenort und die Herdtiefe berechnen.

Doch wenn seismische Wellen nur diese Informationen auslesen können, wie können sie dann dazu verwendet werden, die Tiefenstruktur der Erde zu erkennen? Tatsächlich besitzen seismische Wellen auch die Eigenschaft der „Transformation“. Das Erdinnere ist nicht homogen. Wenn sich das Medium verändert, können sich die Eigenschaften und das Verhalten seismischer Wellen ändern. Dies wird als „Transmutation“ bezeichnet. Generell gilt, dass die Geschwindigkeit seismischer Wellen mit zunehmender Tiefe von der Oberfläche zunimmt. Wenn sich die Geschwindigkeit seismischer Wellen plötzlich verlangsamt oder ungewöhnliche Phänomene wie Ablenkungen auftreten, kann dies bedeuten, dass die seismischen Wellen auf eine Mutationszone gestoßen sind, in der sich das Medium auf ihrem Weg verändert hat. Tatsächlich ist dies die theoretische Grundlage für Wissenschaftler, um tief im Inneren der Erde kontinuierlich unterschiedliche Schichtungszustände zu entdecken.

Der Kern des Kerns

Das Problem besteht nun darin, dass der innere Kern sehr klein ist und weniger als 1 % des Erdvolumens ausmacht. Um ein so kleines Volumen zu untersuchen, müssen die Forscher ein Seismometer auf der anderen Seite der Erde platzieren, am oder in der Nähe des Antipodenpunkts, an dem das Erdbeben stattfand.

In diesem Fall beginnen die seismischen Wellen an der Oberfläche, durchlaufen dann nacheinander den Erdmantel, den äußeren Kern, den inneren Kern, den äußeren Kern und den Erdmantel und erreichen schließlich die Oberfläche auf der anderen Seite der Erde. Diese Welle wird PKIKP-Welle genannt. Die Ausbreitungszeit und Amplitude von PKIKP-Wellen sind zu den wichtigsten kurzzeitigen Werkzeugen für die Ableitung räumlicher Verteilungseigenschaften geworden.

Um die innerste Schicht des inneren Kerns (IMIC) besser zu untersuchen, demonstrierten die Forscher in dieser neuen Studie eine völlig neue seismologische Methode, die zusammengesetzte PKIKP-Methode.

Bevor wir mehr über diese Methode erfahren, wollen wir zunächst mehr über seismische Wellen erfahren. Je nach Wellenart werden seismische Wellen hauptsächlich in drei Typen unterteilt: Körperwellen, Oberflächenwellen und Codawellen. Entitätswellen sind Wellen, die in Objekten übertragen werden können, und sie können in zwei Typen unterteilt werden: P-Wellen (Longitudinalwellen) und S-Wellen (Transversalwellen). P-Wellen können sich durch Feststoffe und Flüssigkeiten ausbreiten, S-Wellen hingegen nur durch Feststoffe, sodass nur P-Wellen den Kern erreichen können.

Nachdem die P-Welle den Antipodenpunkt erreicht hat, der der Erdbebenquelle entspricht, kann sie vom Boden reflektiert werden und eine reflektierte Welle erzeugen. Wenn Sie mehrere reflektierte Wellen erzeugen möchten, müssen Sie auf eine gute Reflexionsschnittstelle stoßen. Da der Reflexionskoeffizient einer allgemeinen Reflexionsschnittstelle gering ist, ist die Intensität einer einzelnen reflektierten Welle sehr gering und die Energie der Welle nach mehreren Reflexionen noch geringer. Daher ist es im Allgemeinen schwierig, sie von Rauschen zu unterscheiden. Nur Mehrfachreflexionen, die an einer Reflexionsschnittstelle mit einem großen Reflexionskoeffizienten (z. B. einer Diskordanzoberfläche) erzeugt werden, können starke Mehrfachwellen bilden. Dies ist die Anwendungsgrundlage der zusammengesetzten PKIKP-Methode.

In diesem Bild (unten) ist der gelbe fünfzackige Stern im großen Kreis rechts die Signalquelle und das kleine blaue Dreieck der Signalempfänger. Die blaue Linie stellt den Weg der seismischen Welle dar, wo das Signal zum ersten Mal empfangen wurde, und die orange Linie stellt den Weg der seismischen Welle dar, wo das Signal zum zweiten Mal empfangen wurde.

Wie konnten die Forscher durch diese hin- und herspringenden Wellen den verborgenen Kern freilegen? Der Schlüssel liegt hier in der „Transformation“, die ich gerade erwähnt habe.

Die Forscher stellten fest, dass seismische Wellen im äußeren Kern und in der innersten Schicht des inneren Kerns deutlich unterschiedliche Anisotropien aufweisen. Auf diesem Bild können wir erkennen, dass im äußeren Kern und in der innersten Schicht des inneren Kerns die schnellste Ausbreitungsrichtung seismischer Wellen parallel zur Rotationsachse der Erde verläuft. aber die langsamste Ausbreitungsrichtung ist offensichtlich eine andere. Das heißt, die Richtung der Verlangsamung der Wellen, die durch den innersten Kern laufen, ist eine andere als die Richtung der Verlangsamung der Wellen, die durch den äußeren Kern laufen.

Aufgrund der beiden Anisotropien des inneren Kerns gehen die Forscher schließlich davon aus, dass es im inneren Erdkern einen kleineren Kern gibt.

Auswirkungen und Bedeutung der neuen Forschung

Diese Forschung bietet uns eine neue Möglichkeit, seismische Daten zu nutzen, um Strukturen tief im Inneren der Erde zu erkennen. Durch erneutes Prüfen und Analysieren der vorhandenen Daten können wir möglicherweise neue Erkenntnisse gewinnen.

Auch in Zukunft gibt es noch viele Fragen, über die es sich nachzudenken lohnt, beispielsweise, ob der Transformationsprozess zwischen der innersten Schicht des inneren Kerns und dem äußeren inneren Kern als Fossilienfund für bedeutende Erdereignisse in der Vergangenheit dienen kann. Gibt es eine bessere Möglichkeit zur Tiefenerkennung? Gibt es innerhalb der innersten Schicht des Kerns eine teilbare innere Struktur?

Bilder von Drew Whitehouse, Son Phạm und Hrvoje Tkalčic.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Xiao Long

Gutachter: Ren Ye (leitender Ingenieur der Erdbebenbehörde von Shanghai)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.