Erdkerndynamik

Innerhalb dieser Thematik werden geophysikalische Ursachen dekadischer Erdrotationsschwankungen untersucht. Nach Abzug der Beiträge oberflächennaher Prozesse, beispielsweise infolge atmosphärischer und ozeanischer Dynamik, von den beobachteten Erdrotationsparametern (ERP) erhält man signifikante Residuen, die nur durch Prozesse im Erdinneren erklärt werden können. Hierbei spielt der Drehimpulsaustausch zwischen Kern und Mantel über die Kern-Mantel-Kopplung (KMK) eine maßgebliche Rolle. Die Hypothese interner Ursachen wird durch die Korrelationen zwischen den dekadischen Variationen der ERP und des geomagnetischen Feldes bestätigt. 
In diesem Forschungsthema wurden bisher zwei Typen der KMK untersucht: die elektromagnetische und die topographische Kopplung. Diese erzeugen signifikante Variationen der Komponenten des Erdrotationsvektors (Tageslänge und Polbewegung), wenn die angenommenen Werte der Parameter der Kern-Mantel-Übergangszone ausreichend groß sind; das sind die elektrische Leitfähigkeit des untersten Mantels und die topographischen Höhen der Kern-Mantel-Grenze (KMG) im Vergleich zu einem Referenzellipsoid (siehe Abbildung).

Topographiemodell der Kern-Mantel Grenze (KMG) von Sze & van der Hilst (2003).

Um die entsprechenden Drehmomente zu berechnen, muss man das geomagnetische Feld an der KMG und im Mantel, wie auch das Geschwindigkeitsfeld an der Kernoberfläche kennen (siehe Flussbild). Um diese Felder aus dem geomagnetischen Feld an der Erdoberfläche zu berechnen, benutzen wir die nichtharmonische Feldfortsetzung, die am GFZ für das an der Erdoberfläche beobachtbare poloidale Feld entwickelt wurde. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, um das toroidale Feld aus dem poloidalen und dem Geschwindigkeitsfeld des Kerns an der KMG zu berechnen (für weitere Informationen siehe STR08/06). Das Geschwindigkeitsfeld an der KMG wird ebenso verwendet, um das topographische Kopplungsdrehmoment zu bestimmen: Die Flüssigkeitsbewegungen im äußeren Erdkern üben einen dynamischen Druck auf die Topographie der KMG aus, der ein Drehmoment bewirkt (für weitere Informationen siehe STR08/11). Über die Nutzung dieser neuen Methoden für das Studium der Kopplungen und Kernbewegungen hinausgehend, liefern sie neue Erkenntnisse zu den geomagnetischen Variationen an der KMG und unterstützen das Studium transienter Phänomene, wie beispiesweise das des geomagnetischen 'jerks' an der Kernoberfläche.
Systematische Untersuchungen von verschiedenen Leitfähigkeitsmodellen des Erdmantels und Topographiemodellen der KMG zeigen auf, dass die elektromagnetische und topographische Kopplung signifikante Beiträge zur dekadischen Variation der ERP liefern. Darüber hinaus zeigen diese Vergleiche aber auch, dass weitere Kopplungsmechanismen zu berücksichtigen sind. Zur Zeit wird an der theoretischen Beschreibung des gravitativen Kopplungsdrehmoments gearbeitet, die die Wechselwirkung zwischen dem Gravitationspotential des Mantels und den Relativbewegungen des Innenkerns berücksichtigt. Diese weitere Kopplung soll dann konsistent mit den anderen Kopplungen in einem einheitlichen Modell kombiniert werden, so dass auch die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kopplungsmechanismen berücksichtigt werden können.
Diese Arbeiten waren eingebunden in das Projekt 4 der DFG Forschergruppe FOR 584. Die benötigten geomagnetischen Felder an der Erdoberfläche für die Feldfortsetzung zur KMG und die Geschwindigkeitsfelder an der Kernoberfläche wurden uns innerhalb einer Kooperation von der Sektion 2.3 "Erdmagentfeld" des GFZ bereitgestellt.    

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Prof. Dr. Maik Thomas
Erdsystem-Modellierung

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Publikationen

Für weitere Informationen lesen Sie bitte die
Scientific Technical Reports

  • STR08/06 Core-Mantle Coupling
    Part I: Electromagnetic coupling torques 
  • STR08/11 Core-Mantle Coupling
    Part II: Topographic cpupling torques