Seltsame Asymmetrie

Hat der Erdkern eine Beule?

Von Horst Rademacher
26.06.2021
, 15:00
Der Erdkern vom Weltraum aus durchleuchtet
Mit seismischen Wellen, ausgelöst von Erdbeben, haben Geophysiker tief ins Innere der Erde geblickt und den schwer zugänglichen Erdkern durchleuchtet. Dabei haben sie eine seltsame Asymmetrie entdeckt.
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In ihrem Aufbau gleicht die Erde einer kugelförmigen Zwiebel. Unter einer äußerst dünnen Schale, der Erdkruste, liegt der 2900 Kilometer mächtige Erdmantel. Darin eingebettet ist der aus zwei Teilen bestehende Erdkern. Dessen Äußeres ist eine 2200 Kilometer dicke Kugelschale, die hauptsächlich aus einer flüssigen Legierung aus Eisen und Nickel besteht. Sie umgibt den inneren Erdkern, eine – wie man bislang glaubte – hauptsächlich aus Eisen bestehende feste Kugel mit einem Radius von etwa 1200 Kilometern. Geophysiker von der University of California in Berkeley haben nun eine seltsame Entdeckung gemacht, die dem gängigen Bild widerspricht. Danach ist das Innerste unseres Planeten asymmetrisch aufgebaut und hat möglicherweise sogar eine Beule.

Weil selbst die tiefsten Bohrungen die Erdkruste gerade einmal zwölf Kilometer tief „anpiksen“, beruhen alle Modelle über den Aufbau der Erde auf indirekten Messungen. Das bevorzugte Werkzeug, mit dem Geowissenschaftler das Innere der Erde erkunden, sind seismische Wellen, die jedes Erdbeben aussendet. Ähnlich wie Ärzte den menschlichen Körper mit Röntgenstrahlen durchleuchten, nutzen Geophysiker diese den ganzen Erdkern durchlaufenden Wellen, um sich ein Bild vom unzugänglichen Erdinneren zu machen.

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Allerdings gibt es einen wichtigen Unterschied. Während Mediziner die Röntgenstrahlen gezielt auf bestimmte Körperteile richten oder sogar mithilfe der Computertomographie dreidimensionale Bilder des gesamten menschlichen Körpers erzeugen können, setzt die Natur der seismischen Wellen den Geophysikern Grenzen. Wären die Herde von Erdbeben nämlich flächendeckend über den Globus verteilt, könnten alle Teile des Erdinneren gleichmäßig durchleuchtet werden. Erdbeben kommen aber nur in wenigen, räumlich eng begrenzten Gebieten vor, und auch die Erdbebenmessstationen sind keinesfalls gleichmäßig rund um den Globus angeordnet.

Verteilung der Seismometer (Dreiecke), mit denen die Geophysiker  die seismischen Wellen von Erdbeben (Kreise).
Verteilung der Seismometer (Dreiecke), mit denen die Geophysiker die seismischen Wellen von Erdbeben (Kreise). Bild: UC Berkeley, Daniel Frost

So gibt es beispielsweise nur sehr wenige Seismometer auf dem Meeresboden, der fast drei Viertel der Erdoberfläche ausmacht. Dementsprechend werden bestimmte Teile des inneren Erdkörpers besser durchleuchtet als andere, was zu erheblichen Unsicherheiten über die Details des Erdaufbaus führt.

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Eisenkristalle asymmetrischer Orientierung

Daniel Forst und Barbara Romanowicz aus Berkeley haben für ihre neuen Untersuchungen am inneren Erdkern die Aufzeichnungen zahlreicher neuer seismischer Messstationen in der Antarktis, in Alaska, entlang der südamerikanischen Westküste und in Südafrika benutzt. Wie die beiden Forscher jetzt in der Zeitschrift Nature Geoscience schreiben, suchten sie in den Aufzeichnungen von Hunderten Erdbeben nach seismischen Wellen, die den Erdkern in verschiedenen Richtungen durchquert hatten. Dabei fiel ihnen auf, dass jene Wellen, die das Erdinnerste in Nord-Süd-Richtung, also entlang der Erdachse, durchlaufen, sich etwas schneller ausbreiten als jene Wellen, die den inneren Kern in ostwestlicher Richtung durchkreuzen.

Modellrechnungen zeigten schließlich, dass der Grund für diese Anisotropie Eisenkristalle sind, die unterschiedlich orientiert sind. Das Material im inneren Erdkern ist nämlich fest, weil in ihm das seit etwa einer Milliarde Jahren in flüssiger Form im Erdkern vorkommende Eisen erstarrt ist. Die dabei entstandenen Eisenkristalle sind asymmetrisch angeordnet: Offenbar richten sie sich aus noch unbekannten Gründen bevorzugt entlang der Erdachse aus, was sich in den Laufzeiten der Erdbebenwellen bemerkbar macht. Aber auch in Ost-West-Richtung gibt es Asymmetrien. So wachsen die Eisenkristalle tief unter Indonesien schneller als unter Brasilien. Das wiederum führt dazu, dass der östliche innere Kern unter Asien dichter ist als im Westen und möglicherweise sogar – so die Vermutung – eine leichte Ausbeulung hat.

Nach Meinung der Forscher ist die Ursache dafür nicht im inneren Kern selbst, sondern in der darüberliegenden Kugelschale, dem äußeren Kern, zu suchen. Die dort vorhandene flüssige Legierung aus Eisen und Nickel ist in ständiger Bewegung. Dabei entzieht sie dem inneren Kern einerseits Hitze. Die Strömungen lassen aber auch das Erdmagnetfeld entstehen. Offenbar leiten diese Strömungen unter Indonesien mehr Hitze ab als unter Brasilien, was wiederum zur beobachteten höheren Dichte der Eisenkristalle in dieser Region des inneren Erdkerns führt. Was diese neue Entdeckung nun für Folgen für die Geschichte und langfristige Entwicklung des irdischen Magnetfeldes hat, ist noch offen.

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Quelle: F.A.Z.
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