Die numerischen Modelle zeigen, dass die obere Grenze des äußeren Erdkerns keine einheitliche Temperatur aufweist. Scharfe Temperaturkontraste erzeugen Zonen mit langsamer Eisenbewegung unter heißeren Mantelregionen und starker Strömung unter kühleren. Diese Temperaturunterschiede bestimmen die Entstehung und Aufrechterhaltung des Magnetfelds und erklären, warum manche Aspekte des Felds über Hunderte von Millionen Jahren stabil bleiben, während andere sich rasch verändern.
Professor Andy Biggin, Hauptautor der Studie von der School of Environmental Sciences der Universität Liverpool, erklärte, die Ergebnisse zeigten starke Temperaturunterschiede im Erdmantel über dem Erdkern. Unterhalb heißerer Zonen könnte das flüssige Eisen stagnieren, anstatt sich dem starken Fluss unterhalb kühlerer Bereiche anzuschließen, was die Verteilung der magnetischen Energie im Erdkern verändern würde.
Das Team berichtet, dass Strukturen im tiefen Erdmantel eng mit großen Gebieten niedriger Scherwellengeschwindigkeit (LLSVPs – ausgedehnte Regionen mit anomal heißem, dichtem Material) korrespondieren, die mittels seismischer Tomographie nachgewiesen wurden.
Jedes dieser Gebiete erstreckt sich lateral über Tausende von Kilometern und ist von einem Ring aus kühlerem Material umschlossen, der den Erdkern umgibt. Ihre Beständigkeit über geologische Zeiträume hinweg deutet darauf hin, dass es sich um stabile thermochemische Domänen und nicht um kurzlebige Mantelplumes handelt.
Durch die Integration von Magnetfeldaufzeichnungen aus Gesteinen aller Kontinente konnten die Forscher bestätigen, dass die Konzentrationen des magnetischen Flusses mit diesen tiefen Mantelprovinzen übereinstimmen.
Die Erkenntnis stützt die Ansicht, dass das durchschnittliche Magnetfeld der Erde kein perfekter, entlang ihrer Rotationsachse ausgerichteter Stabmagnet ist, wie bisher angenommen. Solche Abweichungen können Einfluss darauf haben, wie Wissenschaftler die Positionen alter Kontinente und den Zeitpunkt der Entstehung von Superkontinenten rekonstruieren.
Langfristige magnetische Variabilität beeinflusst auch den Strahlungsschutz der Erde und die Chemie der oberen Atmosphäre. Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Erdkern und Erdmantel über Hunderte von Millionen Jahren kann Modelle zur Paläoklimastabilität und zur Entwicklung der Oberflächenbedingungen verbessern.
Laut den Autoren ist die Verfeinerung der Kopplungen unerlässlich für die Interpretation alter Klimasignale und der mit dem Verhalten von Magnetfeldern verbundenen Ressourcenbildung.
Die Studie wurde im Rahmen des DEEP-Projekts (Determining Earth Evolution using Palaeomagnetism) an der Universität Liverpool mit Unterstützung des Leverhulme Trust und des Natural Environment Research Council (NERC) durchgeführt. Mitarbeiter der Universität Leeds trugen zur Modellentwicklung und numerischen Analyse unter Einsatz von Hochleistungsrechnern bei.
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