Über den Erdkern

Vor einem Jahrhundert wusste die Wissenschaft kaum, dass die Erde sogar einen Kern hatte. Heute sind wir fasziniert vom Kern und seinen Verbindungen zum Rest des Planeten. In der Tat stehen wir am Beginn eines goldenen Zeitalters der Kernstudien.

Die Bruttoform des Kerns

In den 1890er Jahren wussten wir aufgrund der Reaktion der Erde auf die Schwerkraft von Sonne und Mond, dass der Planet einen dichten Kern hat, wahrscheinlich Eisen. 1906 stellte Richard Dixon Oldham fest, dass sich Erdbebenwellen viel langsamer durch das Erdzentrum bewegen als durch den Erdmantel - weil das Zentrum flüssig ist.

1936 berichtete Inge Lehmann, dass etwas seismische Wellen aus dem Inneren des Kerns reflektiert. Es wurde deutlich, dass der Kern aus einer dicken Hülle aus flüssigem Eisen besteht - dem äußeren Kern - mit einem kleineren, festen inneren Kern in der Mitte. Es ist fest, weil in dieser Tiefe der hohe Druck den Effekt der hohen Temperatur überwindet.

Im Jahr 2002 veröffentlichten Miaki Ishii und Adam Dziewonski von der Harvard University Beweise für einen "innersten inneren Kern" mit einem Durchmesser von etwa 600 Kilometern. Im Jahr 2008 schlugen Xiadong Song und Xinlei Sun einen anderen inneren Kern mit einem Durchmesser von etwa 1200 km vor. Aus diesen Ideen kann nicht viel gemacht werden, bis andere die Arbeit bestätigen.

Was immer wir lernen, wirft neue Fragen auf. Das flüssige Eisen muss die Quelle des Erdmagnetfeldes sein - der Geodynamo - aber wie funktioniert es? Warum kippt der Geodynamo im Verlauf der geologischen Zeit um und wechselt dabei den magnetischen Norden und Süden? Was passiert am oberen Ende des Kerns, wo geschmolzenes Metall auf den Felsmantel trifft? In den neunziger Jahren tauchten erste Antworten auf.

Den Kern studieren

Unser Hauptinstrument für die Kernforschung waren Erdbebenwellen, insbesondere solche von Großereignissen wie dem Sumatra-Beben von 2004. Die klingelnden "normalen Modi", die den Planeten mit den Bewegungen pulsieren lassen, die Sie in einer großen Seifenblase sehen, sind nützlich, um die Tiefenstruktur im großen Maßstab zu untersuchen.

Aber ein großes Problem ist Einzigartigkeit-Jeder seismische Beweis kann auf mehrere Arten interpretiert werden. Eine Welle, die in den Kern eindringt, durchquert die Kruste mindestens einmal und den Mantel mindestens zweimal, sodass ein Merkmal in einem Seismogramm an mehreren möglichen Stellen entstehen kann. Viele verschiedene Daten müssen überprüft werden.

Die Barriere der Eindeutigkeit verblasste etwas, als wir begannen, die tiefe Erde in Computern mit realistischen Zahlen zu simulieren, und als wir mit der Diamant-Amboss-Zelle im Labor hohe Temperaturen und Drücke reproduzierten. Diese Werkzeuge (und Langzeitstudien) haben es uns ermöglicht, durch die Schichten der Erde zu blicken, bis wir endlich den Kern betrachten können.

Woraus der Kern besteht

Wenn man bedenkt, dass die gesamte Erde im Durchschnitt aus der gleichen Mischung von Dingen besteht, die wir an anderen Stellen im Sonnensystem sehen, muss der Kern aus Eisenmetall zusammen mit etwas Nickel bestehen. Aber es ist weniger dicht als reines Eisen, sodass etwa 10 Prozent des Kerns etwas leichter sein müssen.

Ideen darüber, was diese leichte Zutat ist, haben sich weiterentwickelt. Schwefel und Sauerstoff sind seit langem Kandidaten, und sogar Wasserstoff wurde in Betracht gezogen. In letzter Zeit ist das Interesse an Silizium gestiegen, da Hochdruckexperimente und -simulationen darauf hindeuten, dass es sich in geschmolzenem Eisen möglicherweise besser löst, als wir dachten. Vielleicht ist mehr als einer von diesen da unten. Es bedarf einer Menge genialer Überlegungen und unsicherer Annahmen, um ein bestimmtes Rezept vorzuschlagen - aber das Thema ist nicht jenseits aller Vermutungen.

Seismologen erforschen weiterhin den inneren Kern. Die östliche Hemisphäre des Kerns scheint sich von der westlichen Hemisphäre in der Ausrichtung der Eisenkristalle zu unterscheiden. Das Problem ist schwer anzugreifen, da seismische Wellen von einem Erdbeben durch das Erdzentrum bis zu einem Seismographen verlaufen müssen. Ereignisse und Maschinen, die genau richtig aufgereiht sind, sind selten. Und die Effekte sind subtil.

Kerndynamik

Im Jahr 1996 bestätigten Xiadong Song und Paul Richards eine Vorhersage, dass sich der innere Kern etwas schneller dreht als der Rest der Erde. Die magnetischen Kräfte des Geodynamos scheinen dafür verantwortlich zu sein.

Im Laufe der geologischen Zeit wächst der innere Kern mit der Abkühlung der gesamten Erde. Am oberen Ende des äußeren Kerns gefrieren Eisenkristalle und regnen in den inneren Kern. An der Basis des äußeren Kerns gefriert das Eisen unter Druck und nimmt einen großen Teil des Nickels mit. Das verbleibende flüssige Eisen ist leichter und steigt an. Diese aufsteigenden und abfallenden Bewegungen, die mit geomagnetischen Kräften zusammenwirken, rühren den gesamten äußeren Kern mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 Kilometern pro Jahr.

Der Planet Merkur hat auch einen großen Eisenkern und ein Magnetfeld, obwohl es viel schwächer als das der Erde ist. Jüngste Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Quecksilberkern reich an Schwefel ist und dass ein ähnlicher Gefrierprozess ihn bewegt, wobei "Eisenschnee" fällt und mit Schwefel angereicherte Flüssigkeit steigt.

Die Kernstudien nahmen 1996 zu, als Computermodelle von Gary Glatzmaier und Paul Roberts erstmals das Verhalten des Geodynamo reproduzierten, einschließlich spontaner Umkehrungen. Hollywood gab Glatzmaier ein unerwartetes Publikum, als es seine Animationen im Actionfilm verwendete Der Kern.

Neuere Arbeiten von Raymond Jeanloz, Ho-Kwang (David) Mao und anderen im Hochdrucklabor haben uns Hinweise auf die Kern-Mantel-Grenze gegeben, an der flüssiges Eisen mit Silikatgestein interagiert. Die Versuche zeigen, dass Kern- und Mantelwerkstoffe starke chemische Reaktionen eingehen. Dies ist die Region, in der viele glauben, dass Mantelwolken entstehen und sich zu Orten wie der Kette der Hawaii-Inseln, Yellowstone, Island und anderen Oberflächenmerkmalen entwickeln. Je mehr wir über den Kern lernen, desto näher rückt er.

PS: Die kleine, engmaschige Gruppe von Kernspezialisten gehört alle zur Gruppe SEDI (Study of the Earth Deep Interior) und liest deren Deep Earth Dialog Newsletter. Und sie nutzen das Special Bureau für die Core-Website als zentrales Repository für geophysikalische und bibliografische Daten.