Die Erde ist nicht statisch, sondern in ständiger Bewegung: Kontinente wandern, neue Erdkruste entsteht. Der Motor für das Ganze sind Wärmeströmungen tief im Inneren des Planeten. Jetzt haben Wissenschaftler zum ersten Mal gemessen, wie viel Hitze vom geschmolzenen Erdkern nach außen in die unteren Schichten des Erdmantels fließt. In der Zeitschrift Science berichten sie über ihre neuen Erkenntnisse zum Geodynamo im Herzen der Erde.
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Die Grenze zwischen dem Erdkern und dem Mantel liegt auf halbem Wege zum Mittelpunkt der Erde, in einer Tiefe von 2.900 Kilometern. Der Erdkern, vorwiegend aus Eisen aufgebaut, besteht aus einem mondgroßen, festen inneren Kern, umgeben von einer äußeren, flüssigen Schicht. Zwischen dem Erdkern und dem Erdmantel, einer dicken Schicht aus Silikatgestein, wird fortwährend Wärme ausgetauscht: Die Abkühlung von oben löst Strömungen im äußeren Kern aus, die wiederum das irdische Magnetfeld erzeugen. Im Mantel bilden sich durch die Erwärmung von unten ebenfalls Strömungen, die das langsame Wandern der Kontinente, aber auch die Vulkane verursachen.
Bisher war aber noch unbekannt, wie viel Hitze eigentlich vom Kern in den Mantel abgegeben wird. Jetzt hat ein internationales Team von Geologen und Geophysikern unter der Leitung von Thorne Lay, Professor für Geo- und Planetenwissenschaften an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz, zum ersten Mal die Temperaturen in diesen gewaltigen Tiefen genauer bestimmen können. „Dies ist das erste Mal, dass wir ein ‚Thermometer’ haben, dass uns die Temperatur auf halbem Wege zum Mittelpunkt der Erde verrät“, so Lay. „Wärmeströmungen sind der heilige Gral, denn sie verraten uns, wie viel Energie den Geodynamo antreibt und wie stark der Mantel dabei aufgeheizt wird.“
Mit Supercomputer und extremem Druck
Die Wissenschaftler werteten dafür mithilfe eines Supercomputers große Mengen an seismischen Daten aus, mehr als bisher jemals möglich war. 72.000 Stunden lang brauchte der Rechner, dann war ein neues Modell fertig, das detailliert die Strömungsgeschwindigkeiten im Erdmantel tief unter dem zentralen Pazifik wiedergab.
Doch das war nur eine Hälfte der Arbeiten. Die andere fand im Labor statt – unter extremem Druck und hohen Temperaturen. Denn hier vollzogen die Forscher im Kleinen, auf mineralogischer Ebene, das nach, was im Erdinneren im Großen geschieht: Der so genannte Phasenübergang. Presst man beispielsweise das im Erdmantel häufige Mineral Olivin extrem stark zusammen, verändert sich die Struktur des Minerals, seine Kristalle ordnen sich um.
Dieser Phasenübergang verändert auch die seismischen Eigenschaften des Minerals und ermöglicht es damit den Forschern, diesen Übergang mithilfe künstlicher Erdebenwellen im Inneren der Erde zu lokalisieren. Die Tiefe, in der dies geschieht, erlaubt wiederum Rückschlüsse auf den Druck, der dort herrscht. Über die Laborversuche können die Forscher dann diesen Druck mit einer bestimmten Temperatur in Verbindung bringen und haben damit ein – wenn auch ziemlich aufwändiges – „Thermometer“ für das Erdinnere.
„Wenn unsere Interpretation stimmt, dann erhalten wir die Temperatur an zwei unterschiedlichen Stellen, direkt übereinander, so dass wir auch erfahren, wie sich die Temperatur mit der Tiefe, aber auch seitlich verändert“, erklärt Lay. „Dieser Temperaturgradient verrät uns dann die Hitzemenge, die an dieser Stelle vom Kern in die Basis des Mantels fließt.“
”Linse” im Erdinneren
Lay und seine Kollegen bestimmten mit diesen Methoden den Phasenübergang des Minerals Perovskit zu dem erst 2004 entdeckten Postperovskit. Dabei stellten sie fest, dass das entstehende Postperovskit mit wachsender Tiefe erst erscheint dann aber wieder verschwindet und so eine Art „Linse“ im Erdinneren bildet. „Der Grund, dass es sich zurück in Perovskit verwandelt, ist der schnelle Anstieg der Hitze direkt über dem Kern – so schnell, dass diese Hochdruckform des Minerals instabil wird“, erklärt Lay. Gleichzeitig dünnt die Postperovskit-Linse nach den Seiten hin aus – ein Hinweis auch auf einen lateralen Anstieg der Hitze.
Dreimal mehr als bisher angenommen
Konkret kalkulierten die Forscher die Temperaturen auf 2.500 Kelvin an der Oberkante der Linse, und auf 3.500 an ihrer Unterseite. Aus dem Gradienten zwischen beiden ergibt sich wiederum der Wärmestrom: rund 80 Millionen Watt pro Quadratmeter – eine gewaltige Hitzemenge. „Wir sind hier in einer relativ heißen Region des Mantels, kühlere Gebiete werden sogar einen noch höheren Wärmestrom haben“, so Lay. „Damit ist dies vermutlich eher die untere Grenze des Wärmestroms an der Kern-Mantelgrenze.“ Und liegt weit über dem, was zurzeit in den gängigen Lehrbüchern steht. Denn bisher wurde die Wärmemenge auf nur rund ein Drittel der jetzt gemessenen Summe geschätzt.
Außenränder der „Linse“ als Ursprungsort für Plumes?
Spannend wird das Ganze jedoch auch durch das, was die „Linse“ auslöst. Denn die Wissenschaftler vermuten, dass an den Kanten dieser Linse die entscheidenden Aufwärtsströmungen entstehen, die letztlich für Vulkanismus, aber auch für die Bewegungen der Krustenplatten verantwortlich sind. Die von ihnen entdeckte Linse liegt südöstlich von Hawaii, in einer Region, in der schon zuvor Studien darauf hingedeutet hatten, dass hier heißes Material aus dem Bereich des unteren Mantels bis nahe an die Oberfläche strömt. Dieser so genannte Plume gilt als verantwortlich für die Entstehung der hawaiianischen Vulkaninselkette. Die Entdeckung der Linse liefert jetzt auch eine mögliche Erklärung für den Mechanismus, der solche Plumes entstehen lässt.
Innerer Erdkern nur eine Milliarde Jahre alt
Die neuen Ergebnisse brachten auch Erkenntnisse über die Vergangenheit unserer Erde: Denn sie deuten darauf hin, dass der innere Erdkern noch relativ jung sein könnte. „Der Kern muss in der Vergangenheit extrem heiß gewesen sein, wenn selbst jetzt noch so viel Hitze ausströmt“, erklärt Lay. „Der innere Kern, der langsam von innen heraus fest wird, während er abkühlt, könnte sogar erst rund ein Milliarde Jahre alt sein.” – und damit weniger als ein Viertel so alt wie die Erde insgesamt.
(University of California – Santa Cruz, 24.11.2006 – NPO)
