Der feste innere Kern (Abb. 1) ist der entfernteste und rätselhafteste Teil unseres Planeten und neben der Kruste die kleinste „offizielle“ Unterteilung des Erdinneren. Es wurde 1936 entdeckt (1), und 1972 wurde festgestellt, dass es fest war, wenn auch mit einer sehr geringen Steifigkeit (2-4). Bis 1993 war festgestellt worden, dass es kristallin war (5)., Der innere Kern ist durch den niederviskosen flüssigen äußeren Kern vom Rest der Erde isoliert und kann sich drehen, nicken, wackeln, voranschreiten, oszillieren und sogar umdrehen, wobei er nur lose durch die umgebenden Schalen eingeschränkt wird. Seine Existenz, Größe und Eigenschaften beschränken die Temperatur und Mineralogie in der Nähe des Erdmittelpunkts. Zu seinen anomalen Eigenschaften zählen geringe Steifigkeit und Viskosität (im Vergleich zu anderen Feststoffen), Massendämpfung, extreme Anisotropie und Superrotation (oder Verformung; Refs. 5–8)., Aus seismischen Geschwindigkeiten und kosmischen Abundanzen wissen wir, dass es hauptsächlich aus Eisen-Nickel-Kristallen besteht und die Kristalle ein hohes Maß an gemeinsamer Orientierung aufweisen müssen. Es wird vorausgesagt, dass der innere Kern eine sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, eine nichtpherikalische Form und frequenzabhängige Eigenschaften aufweist; Es kann auch teilweise geschmolzen sein. Es kann für die Existenz des Magnetfeldes und für Polaritätsumkehrungen dieses Feldes wesentlich sein (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price und M. Gillan, unveröffentlichte Arbeit)., Das Einfrieren des inneren Kerns und das Ausstoßen von Verunreinigungen ist wahrscheinlich für die Stromversorgung des Geodynamos verantwortlich. Der innere Kern macht jedoch weniger als 1% des Erdvolumens aus, und nur wenige seismische Wellen erreichen ihn jemals und kehren an die Oberfläche zurück. Der innere Kern ist ein kleines Ziel für Seismologen, und seismische Wellen werden verzerrt, indem sie die gesamte Erde passieren, bevor sie sie erreichen. Die Bedingungen in der Nähe des Erdmittelpunkts sind so extrem, dass sowohl Theoretiker als auch Experimentatoren Schwierigkeiten haben, ihre Umgebung zu duplizieren., Nichtsdestotrotz gab es kürzlich eine Flut von Aktivitäten über den inneren Kern durch Seismologen, Geochemiker, Dynamiker, Materialwissenschaftler und Geodynamietheoretiker. Fast alles, was aus der Seismologie oder aus indirekten Schlussfolgerungen über den inneren Kern bekannt oder abgeleitet ist, ist umstritten. In dieser Ausgabe von PNAS fügen Ishii und Dziewoński (8) Phänomenen in der Nähe des Erdzentrums weitere Intrigen und Komplikationen hinzu und schlagen eine komplexe Geschichte für dieses kleine Objekt vor.,

Planeten unterscheiden sich, wenn sie sich ansammeln und Gravitationsenergie gewinnen. Timing dieser Differenzierung ist ein langjähriges Ziel der Erdwissenschaft (9-13). Dichte Schichtung erklärt die Standorte der Kruste, Mantel und Kern., Der innere Kern ist wahrscheinlich auch das Ergebnis einer chemischen Schichtung, obwohl die Wirkung des Drucks auf den Schmelzpunkt einen festen inneren Kern erzeugen würde, selbst wenn er chemisch mit dem äußeren Kern identisch wäre. Materialien mit niedriger Dichte sind ausgeschlossen, wenn die Erstarrung langsam ist, so dass der innere Kern reiner und dichter sein kann als der äußere Kern. Wenn der innere Kern kristallisiert und der äußere Kern abkühlt, wird das in Lösung und Suspension gehaltene Material an der Kernmantelgrenze austrocknen oder sich absetzen und kann in den untersten Mantel eingebaut werden., Der Mantel wird normalerweise als chemisch homogene Schicht behandelt, dies ist jedoch unwahrscheinlich. Dichtere Silikate, möglicherweise silizium-und eisenreich, tendieren ebenfalls zu den unteren Teilen des Mantels. Krusten – und seichte Mantelmaterialien wurden beim Anwachsen aus der Erde geschwitzt, und einige waren anscheinend nie im Gleichgewicht mit Kernmaterial., Der Einfluss des Drucks auf die physikalischen Eigenschaften impliziert, dass Mantel und Kern bei der Akkretion wahrscheinlich irreversibel geschichtet sind, dass nur die äußeren Schalen des Mantels an Oberflächenprozessen wie Vulkanismus und Plattentektonik teilnehmen und dass nur die tieferen Schichten derzeit mit dem Kern interagieren.

Die Kruste, der obere Mantel, der untere Mantel, der Kern und der innere Kern sind die Lehrbuchunterteilungen des Erdinneren. Die seismische Tomographie wird verwendet, um große laterale Variationen in diesen Hauptunterteilungen abzubilden., Seismische Techniken mit höherer Auflösung wurden verwendet, um kleine Merkmale oben und unten im Kern zu entdecken und abzubilden (14-16). Die klassischen Grenzen innerhalb der Erde (6) wurden alle Anfang des letzten Jahrhunderts entdeckt. In den 1960er Jahren wurden Grenzen innerhalb des Mantels in Tiefen von 400 und 650 km entdeckt und wurden im Gegensatz zu den anderen chemischen oder Erstarrungsgrenzen Festkörperphasenveränderungen zugeschrieben (17). In jüngerer Zeit wurde eine wahrscheinliche chemische Diskontinuität tief im Mantel gefunden (16), und eine weitere wurde in der Nähe von 900 km abgeleitet (18)., Seismische Diskontinuitäten werden üblicherweise durch die Reflexion und Brechung von seismischen Wellen gefunden, aber in letzter Zeit wurden Faktoren wie Anisotropie, Dämpfung, Streuung, spektrale Dichte und statistische Zusammenhänge verwendet, um die subtileren Merkmale zu finden. Die neue Region tief im inneren Kern stellt eine Charakteränderung des Anisotropie-Musters (8) dar und kann ein grundlegend anderes Phänomen darstellen.

Die langjährige Kontroverse um einen ausgezogenen (100 Millionen Jahre) vs., eine schnelle (≈1 Million Jahre) terrestrische Akkretion scheint sich zugunsten der kürzeren Zeitskalen und eines Hochtemperaturursprungs zu lösen. Geophysikalische Daten erfordern eine schnelle Akkretion der Erde und eine frühe Bildung des Kerns (9). Bis vor kurzem stand die schnelle Akkretion im Widerspruch zur Akkretionstheorie und zu Isotopendaten, aber jetzt bevorzugen diese Disziplinen auch eine kontrahierte Zeitskala. Eine Vielzahl von Isotopen hat kurze Zeitintervalle zwischen der Bildung des Sonnensystems und planetarischen Differenzierungsprozessen bestätigt (10-13)., Dieser Befund hat Einfluss auf das Alter des inneren Kerns und seine Kühlgeschichte.

Es gibt drei ganz unterschiedliche Mechanismen zur Herstellung eines Planetenkerns. In der homogenen Akkretionshypothese treten die Silikate und die Metalle zusammen auf, aber wenn sich die Erde erwärmt, versickern die Schwermetalle nach unten und bilden schließlich große dichte Ansammlungen, die schnell in Richtung Zentrum sinken und die siderophilen Elemente mitnehmen., In der heterogenen Akkretionshypothese beginnen die refraktären Kondensate (einschließlich Eisen und Nickel) aus einem Kühlnebel, den Kern eines Planeten zu bilden, bevor der Großteil der Silikate und Flüchtigen verfügbar ist. Das späte Furnier trägt Niedertemperaturkondensate und Gase, einschließlich Wasser, aus den fernen Bereichen des Sonnensystems bei. Schließlich können große späte Stöße ihre metallischen Kerne effizient und schnell in die Mitte des betroffenen Planeten injizieren und eine zusätzliche Trennung von Eisen vom Mantel auslösen. Der Mond ist ein Nebenprodukt einer dieser späten Auswirkungen., Das Material im Kern kann daher mehrere Ursprünge und eine komplexe Geschichte haben. Andere Probleme in Bezug auf den inneren Kern betreffen Alter, Wachstumsrate, Dichte, Temperatur, Textur und interne Energiequellen (Refs. 8 und 19-21 und D. Gubbin, D. Alfe, G., Meister, D. Price, M. Gillan, unveröffentlichte Arbeit).

Der äußere Kern wird üblicherweise wegen seiner niedrigen Viskosität und Unfähigkeit, Scherwellen zu übertragen, als vollständig geschmolzen angesehen. Es könnte jedoch mehr als 50% suspendierte Kristalle enthalten und sich dennoch als Flüssigkeit verhalten., Die Grenze des inneren Kerns könnte dann die Kreuzung der Geotherme mit der Schmelzkurve (die herkömmliche Erklärung) oder eine Verdichtungsgrenze darstellen, bei der die Partikeldichte der Aufschlämmung einen Schwellenwert überschreitet. Es wird normalerweise angenommen, dass der äußere Kern homogen, vollständig flüssig und turbulent konvektioniert ist. Der innere Kern kann auch einen erheblichen Schmelzanteil enthalten, insbesondere wenn ein großer Abstand zwischen dem Solidus und dem Liquidus besteht. Es wurde auch vorgeschlagen, dass der innere Kern eine viskose Flüssigkeit oder ein metallisches Glas (19) ist., Die neuen Ergebnisse zur Anisotropie machen dies unwahrscheinlich. Die niedrige, abgeleitete Viskosität des inneren Kerns bedeutet, dass er sich durch den Einfluss von Gezeiten-und Rotationsspannungen und äußeren Kernbewegungen sowie durch intern erzeugte Spannungen verformen und konvektionieren kann. Der innere Kern ist einer der wenigen Orte im Inneren, an denen man Veränderungen auf einer menschlichen Zeitskala erwarten könnte. Es kann eine semirigide Differentialrotation in Bezug auf den Mantel, aber auch und wahrscheinlicher eine nichtrigide oder plastische Verformung aufweisen. Anisotropie ist ein Indikator für eine solche Verformung oder Konvektion.,

Kristalle sind anisotrop und neigen dazu, durch Sedimentation, Einfrieren, Rekristallisation, Verformung und Strömung ausgerichtet zu sein. Daher erwarten wir, dass die festen Teile der Erde für die Ausbreitung seismischer Wellen und anderer Materialeigenschaften anisotrop sind. Trotz dieser Erwartungen, ging die Seismologie und blühte mit der Annahme der Isotropie bis in die 1960er Jahre. An diesem Punkt wurde die Theorie der seismischen Anisotropie ausgearbeitet und Beobachtungen verifiziert die Erwartungen (siehe Referenzen in ref. 6)., Dennoch ignorierten die meisten Seismologen die Anisotropie bis vor kurzem im Fortschritt der Seismologie. Anisotropie ist nicht nur ein nützliches Werkzeug zur Bestimmung der Zusammensetzung, Mineralogie und Verformung aus der Seismologie, sondern auch Erdmodelle, die auf Isotropie basieren, können völlig falsch sein. Anisotropie ist nicht einfach eine kleine Störung einer im Wesentlichen isotropen Erde. Die Variation der seismischen Wellengeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Richtung kann größer sein als die durch Temperatur und Zusammensetzung verursachten., Im Falle des inneren inneren Kerns (8) bewegen sich die durchdringenden seismischen Wellen fast radial, so dass nur sehr wenige Informationen extrahierbar sind, mit Ausnahme der Variation der Reisezeit mit Azimut, z. B. äquatorialen vs. polaren Pfaden, oder mit Wellen, die sich in verschiedene Richtungen in der Äquatorialebene ausbreiten. Die Größe der Fresnelzone begrenzt auch die seismische Auflösung des innersten Kerns. Glücklicherweise haben Hochdruckeisenkristalle eine große Anisotropie (21, 22); Ansonsten könnte wenig über Heterogenität oder Rotation/Verformung des inneren Kerns gesagt werden.,

Die Form und das Gewebe des inneren Kerns werden durch Gravitationskräfte aus dem Mantel, elektromagnetische und viskose Spannungen aus dem äußeren Kern sowie Rotations-und Gezeitenspannungen beeinflusst. Diese Spannungen verursachen irreversiblen Kunststofffluss, Kristallausrichtung und Rekristallisation. Seismische Anisotropie ist ein Ergebnis.

Der innere Kern ist einer Vielzahl von äußeren Spannungen ausgesetzt, die Schwankungen der Orbital-und Rotationsparameter, Gezeiten, Gravitationsschleppen aus dem Mantel, viskosem Widerstand des äußeren Kerns und elektromagnetischen Kräften beinhalten., Es kann auch innere Spannungen durch thermische und chemische Schwankungen, Anisotropie und Kühlung erzeugen und darauf durch poröse Strömung, differentielle Rotation, Konvektion und Verformung und Erzeugung von Materialanisotropie reagieren. Anisotropie kann sich auch durch Einfrieren des inneren Kerns und Sedimentation auf seiner Oberfläche bilden. Kleine Heterogenität kann beispielsweise Kanäle oder Exsolutionsgewebe schmelzen und auch scheinbare Anisotropie erzeugen.

Die konventionelle Erklärung der Bildung des festen inneren Kerns beinhaltet eine langsame Abkühlung und Kristallisation., Da die Schmelztemperatur mit dem Druck zunimmt, verfestigt sich der Kern von der Mitte nach außen. Dieser Effekt bedeutet jedoch auch, dass der Kern mit zunehmendem Druck aufgrund der Akkretion unter Druck gefrieren kann, wenn die Erde eine kritische Größe erreicht, es sei denn, es gibt eine große Menge Überhitzung. Obwohl wir wissen, dass das Magnetfeld uralt ist und dass ein fester und wachsender innerer Kern für seine Existenz wesentlich sein kann, ist es möglich, dass katastrophale Ereignisse wie der mondbildende Aufprall dazu geführt haben, dass sich der innere Kern ein-oder mehrmals reformiert hat., Anfängliche Überhitzung und episodisches Wachstum werden möglicherweise einige der aktuellen Energieprobleme lösen (Ref. 20, und D. Gubbin, D. Alfe, G., Meister, D. Price, M. Gillan, unveröffentlichte Arbeit). Ein wachsender innerer Kern wird benötigt, um den aktuellen Dynamo anzutreiben, aber eine schnelle Abkühlung könnte den alten Dynamo angetrieben haben (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price und M. Gillan, unveröffentlichte Arbeit). Der innere Kern kann daher viel jünger sein als die Erde. Die Heterogenität und Anisotropie des inneren Kerns kann dazu beitragen, seine scheinbar komplexe Geschichte einzuschränken.,

Der innere Kern hat Einfluss auf eine Vielzahl von geophysikalischen, geochemischen (23), Magnetfeld-und Planetenproblemen. Anisotropie ist nicht nur ein wichtiger Parameter, der die Kerndynamik beeinflusst, sondern ermöglicht auch die Charakterisierung und Überwachung des inneren Kerns. Anisotropie ist für Seismologen zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden und nicht zu dem, was früher in Betracht gezogen wurde. Und die Aussicht, beim nächsten Mal Unterschiede zu finden, bietet eine Aufregung, die bei den meisten routinemäßigen Kartierungsbemühungen ungewöhnlich ist.