Der Erdkern verhält sich seltsam…

Der Erdkern ist stehen geblieben

Haltet euch fest: Der Erdkern pausierte und ändert nun seine Richtung. Wie es dazu kommen konnte, ob es Gefahr für uns bedeutet und ob das vielleicht sogar etwas mit dem Polsprung zu tun hat.

Nicht nur da oben im Weltraum, sondern auch unter uns befindet sich eine geheimnisvolle Welt, über die wir noch sehr wenig wissen: Das Innere unserer Erde, der Erdkruste, dem Erdmantel und dem Erdkern. Der Erdkern ist etwa so groß wie der Pluto. Wir sprechen also über ein gigantisches, unerforschtes Reich der Tiefe. 

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Da könnte man sich jetzt wundern und fragen: Warum ist der Erdkern denn so unerforscht, er ist doch in unserer Nähe, Teil unseres Planeten. Das stimmt, aber wir kommen trotzdem nicht hin und können ihn daher allenfalls indirekt erforschen. Das tiefste Loch, das man jemals gebohrt hat, war die Kola-Bohrung in der Sowjetunion, die im Jahre 1970 begann und bei der man eine Tiefe, beziehungsweise der Fachbegriff bei Bohrungen ist “Teufe”,  von stolzen 12262 Metern erreichte. Das ist eine beachtliche Leistung, aber leider immer noch sehr weit weg vom Erdkern. Der beginnt in einer Tiefe von 2900 Kilometern. Die Kola-Bohrung hätte also mehr als 200 mal tiefer gehen müssen, um ihn zu erreichen.

Öffnung der Kola-Bohrung
Öffnung der Kola-Bohrung

Erdkern dreht sich nicht mehr

Man kann sich nicht zum Erdkern durch graben und ihn erforschen. Nur indirekt können wir ihn erforschen. Und dabei helfen uns vor allem seismische Wellen, wie sie bei Erdbeben ausgelöst werden. Die bewegen sich durch die verschiedenen Schichten der Erde. Durch die Analyse der Wellen können Geophysiker Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der verschiedenen Erdschichten ziehen. Und eine Untersuchung solcher seismischer Wellen haben chinesische Forscher in den vergangenen Jahren durchgeführt. Sie kamen zu dem ebenso deutlichen wie erschreckenden Ergebnis: Der Erdkern hat aufgehört sich zu drehen.

Wie kamen die Forscher denn nun zu ihrer erschreckenden Erkenntnis über den Erdkern? Zunächst geht es um den inneren Erdkern, der aus festem Eisen besteht. Um ihn herum liegt der flüssige äußere Erdkern. Wir können uns den inneren Erdkern also wie eine Art Schokokugel umgeben von Vanillepudding vorstellen. Und nach jahrzehntelanger seismischer Forschung sind Geologen zu der Überzeugung gelangt, dass der innere Kern oszilliert, sich also über einen bestimmten Zeitraum in bestimmte Richtungen dreht. Die Forscher von der Uni Peking untersuchten seismische Daten aus den 1990er und 2000er Jahren, die von Erdbebenpaaren stammen. Erdbebenpaare nennt man auch seismische Dubletten – also zwei Erdbeben, die fast dieselbe Stärke am selben Ort zu unterschiedlicher Zeit hatten.

Analyse des Erdinneren durch seismische Wellen (© Ingo Wölbern)
Analyse des Erdinneren durch seismische Wellen (© Ingo Wölbern)

Seismische Wellen und der Erdkern

Seismische Dubletten gleichen sich in Stärke und Ort. Wenn die Analyse ergibt, dass die seismischen Wellen der beiden Erdbeben sich trotzdem unterscheiden, dann muss die Ursache tiefer liegen, wesentlich tiefer. Im Inneren der Erde. Und die Forscher stellten fest, dass bei seismischen Dubletten zwischen 1995 und 2008 die seismischen Wellen erheblich voneinander abwichen – zwischen 2009 und 2020 gab es jedoch eine große Übereinstimmung bei den Erdbebenpaaren. Irgendwann um 2009 herum muss sich also etwas geändert haben und das ist höchstwahrscheinlich das Stoppen der Bewegung des Erdkerns. Der innere Erdkern rotierte wohl seit den frühen 1970ern in Richtung Osten – und zwar schneller als die Erde. Etwa 2009 pausierte diese Rotation und kehrt nun ihre Richtung um. Insgesamt deutet dies wohl auf einen rund 70-jährigen Bewegungsrythmus des Erdkerns hin, den die Forscher als Superrotation bezeichnen. 

Erdkern rotiert nicht mehr – gefährlich?

Jetzt stellt sich natürlich die Frage: Ist das gefährlich für uns? Ein paar Auswirkungen könnte es schon haben. Der beteiligte Forscher Xiaodon Song sagt: “Wenn das Oszillationsmodell korrekt ist, erwarten wir, dass der innere Kern bis Mitte der 2040er Jahre langsamer rotieren wird als die Oberfläche der Erde.” Das Ganze beeinflusst sogar die Länge der Tage, also der Dauer der Eigenrotationsbewegung unseres Planeten. Die Tage auf der Erde werden 0,01 Millisekunden kürzer, wenn der innere Erdkern in westlicher Richtung rotiert. Bewegt er sich dagegen nach Osten – die Richtung, in die auch die Erde rotiert – wird ein Tag um 0,12 Millisekunden länger. 

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Das sind minimale Effekte, die für uns nicht wahrnehmbar sind. Wesentlich wahrnehmbarer ist das Erdmagnetfeld, das als Schutzmechanismus gegen die energiereiche Strahlung der Sonne fungiert und das durch Prozesse im Erdkern überhaupt erst entsteht. Könnte das Langsamerwerden des Erdkerns das Magnetfeld gefährden und vielleicht sogar einen Polsprung herbeiführen, von dem in letzer Zeit oft die Rede ist? Da müssen wir zwischen innerem und äußerem Erdkern unterscheiden, denn das Magnetfeld wird durch Prozesse im flüssigen äußeren Erdkern gebildet; gestoppt hat aber der feste innere Erdkern. Der Seismologe Jon Vidale sagt: “Einige Leute argumentieren, dass das Vorhandensein des inneren Kerns die Umkehrung des Magnetfelds erschwert; man weiß, dass das Magnetfeld alle paar Millionen Jahre die Polarität wechselt. Aber das hat keinen Einfluss auf diese jährliche Bewegung des inneren Kerns.”

Innerer Erdkern stabilisiert die magnetischen Pole

Anders gesagt: Dass es den inneren Eisenkern unseres Planeten gibt, stabilisiert die magnetischen Pole, aber seine Drehbewegung hat nichts mit der Umkehrung des magnetischen Nord- und Südpols zu tun. Das Anhalten des Erdkerns wird uns nicht unmittelbar einen apokalyptischen Polsprung bescheren, was gut ist, weil das unsere gesamte Technik und Stromversorgung lahmlegen würde.

Aufbau des Erdinneren
Aufbau des Erdinneren

Dieser 70-jährige Oszillationzyklus scheint sich auch auf andere Erdschichten auszuwirken und entsteht wohl aus einem Wechselspiel zwischen magnetischen Prozessen und der Schwerkraft des Erdmantels. Was super interessant ist: Dieser 70-Jahre-Rhythmus findet sich auch in vielen anderen irdischen Prozessen wieder, allen voran im Erdklima. Auch die globalen Mitteltemperaturen und die Meeresspiegel zeigen subtile Schwankungen im Takt von rund 70 Jahren. Unglaublich, oder? In der Forschungsarbeit heißt es: “Diese Periodizität von 60 oder 70 Jahren scheint demnach auf ein resonantes System hinzuweisen. Damit könnten unsere Erkenntnisse auf dynamische Wechselwirkungen zwischen den tiefsten und höchsten Schichten des Erdsystems hindeuten.”

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Die Erde kühlt schneller ab als erwartet

Das ist eine überraschende Nachricht: Unsere Erde kühlt immer schneller aus! 

Je tiefer man in das Innere unseres Planeten vordringt, desto wärmer wird es. Der Aufbau des Erdinneren ist dabei aber noch relativ rätselhaft, denn es gibt keine technische Möglichkeit wirklich bis in die Untiefen des Planeten zu bohren. Die tiefste Bohrung bislang war die Kola-Bohrung in der damaligen Sowjetunion, bei der man eine Tiefe von 12.262 Metern erreichte. Definitiv eine beachtliche Leistung, aber nicht wirklich hilfreich um Erkenntnisse über den Tiefenaufbau des Planeten zu gewinnen, denn selbst der obere Erdmantel beginnt erst in einer Tiefe von 35 Kilometern. Grob zusammengefasst besteht der innere Aufbau der Erde aus folgenden Schichten: Kruste, Mantel, äußerer Kern und innerer Kern. Die Wärme, die aus dem inneren des Planeten nach außen strömt, ist immens wichtig. Sie ist die Basis für geologische Prozesse wie die Plattentektonik und den Vulkanismus und vor allem hält sie den Geodynamo unseres Magnetfelds am Laufen. Im äußeren Erdkern rotiert leitfähige Materie, vor allem geschmolzenes Metall. Diese Masse von geschmolzenem Metall umhüllt den Inneren Erdkern aus festem Metall. Hierdurch entsteht ein Strom, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld ist selbsterhaltend und wenn es fehlen würde, wäre die Erde sehr viel weniger lebensfreundlich und würde heutzutage wohl eher dem Mars ähneln. Denn der Geodynamo erzeugt das Magnetfeld der Erde, welches die Erdoberfläche vor dem Bombardement mit kosmischer Strahlung beschützt. 

So stellt man sich den Aufbau unseres Planeten vor

Wir haben also ein starkes Interesse daran, dass weiterhin Wärme im Erdkern produziert wird und in die äußeren Schichten dringt. Ein Forscherteam der ETH Zürich um den Physiker und Geochemiker Professor Motohiko Murakami hat indes nun erschreckenderweise herausgefunden, dass die Erde viel schneller abkühlt als bisher gedacht. Murakami sagt dazu: 

“Unsere Ergebnisse könnten uns eine neue Perspektive auf die Entwicklung der Dynamik der Erde eröffnen. Sie deuten darauf hin, dass die Erde wie die anderen Gesteinsplaneten Merkur und Mars viel schneller als erwartet auskühlt und inaktiv wird.“

Prof. Motohiko Murakami

Wie ist das Forscherteam zu dieser Erkenntnis gelangt? Das Wärmereservoir im Erdkern ist natürlich nicht unerschöpflich, andernfalls wäre es ja eine Art Perpetuum Mobile. Wärme dringt nach außen und dadurch kühlt der Erdkern nach und nach ab. Die Frage ist, wie schnell das geschieht und entscheidend dafür ist die sogenannte Kern-Mantel-Grenze. Hier treffen heiße geschmolzene Metalle aus dem äußeren Erdkern, vor allem Eisen und Nickel, auf das Gestein des Erdmantels, das rund 1000 Grad kühler ist. Ein bisschen kann man sich das vorstellen wie den Bereich, in dem heiße Vulkanlava ins kalte Meer fließt – nur dass die Kern-Mantel-Grenze natürlich eine noch viel deutlicher Abgrenzung darstellt, sie ist tatsächlich die größte thermische Grenze unseres Planeten. Und genau an dieser Grenze bestimmt sich, wie viel der Wärme aus dem Erdinneren weiter nach außen dringen kann. Anders gesagt: Um herauszufinden, wie schnell die Erde abkühlt, muss herausgefunden werden, wie wie viel Wärme an der Grenze zwischen Kern und Mantel abgefangen wird. Und dafür hat das Forscherteam aus Zürich sich etwas Schlaues überlegt: Sie haben das dort vorherrschende Mineral eingehender untersucht. 

Bridgmanit: Häufigstes Mineral der Erde in Meteorit entdeckt - DER SPIEGEL
Bridgmanit entsteht unter dem extremen Druck im Erdinneren – Foto: Chi Ma/Caltech

Im Erdinneren tummeln sich jede Menge kuriose Mineralien, die nur dort unten aufgrund des immensen Drucks entstehen können. Eins davon ist Bridgmanit. Es ist grundsätzlich nur im Erdmantel zu finden und an der Oberfläche allenfalls eingeschlossen in Meteoriten, die auf der Erde eingeschlagen sind. Bridgmanit ist das dominierende Mineral in der Kern-Mantel-Grenze und bislang war höchst umstritten, wie gut es Wärme leitet. Das Problem: Man kann sich nicht eben einfach mal zur Kern-Mantel-Grenze graben und das Bridgmanit dort untersuchen. Deswegen haben die Forscher Folgendes getan: Sie erzeugten einfach selbst Bridgmanit-Kristalle und zwar mit extremem Hochdruck und Hitze unter Laborbedingungen.

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Jeweils einen der Kristalle platzierten sie in einer Diamantstempelzelle und setzten sie dem Druck von 80 Gigapascal aus. Mithilfe eines Lasers heizten sie die Kristallprobe nun allmählich bis auf rund 2.200 Grad auf. Im Prinzip haben sie also die Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze nachgestellt – und mit einem Spektroskop zeichneten sie dann währenddessen die vom Kristall ausgehende Strahlung auf, daraus kann man dann Hitze, Wärmefluss und Zustand des Kristalls ablesen. Das Ergebnis enthüllte dann: Bridgmanit leitet die Wärme anderthalb mal besser ab als man bislang angenommen hatte. Und das heißt: Die Kern-Mantel-Grenze lässt viel mehr Wärme durch als man bislang dachte, der Erdkern kühlt wesentlich schneller aus. 

Die Kern-Mantel-Grenze ist durchlässiger als bislang angenommen

Nicht nur das Erddynamo wird also früher den Geist aufgeben, als bislang berechnet, auch die Plattentektonik, der Drift der Kontinente, die Gebirgsbildung und der Vulkanismus werden schneller zum erliegen kommen als angenommen. Und wie schnell? Das weiß man leider trotzdem nicht, da solche geologischen Prozesse sich über gewaltige Zeiträume abspielen, die sich sehr schwer konkret berechnen lassen. Unter anderem spielen dafür auch noch der Zerfall radioaktiver Elemente im Erdkern eine Rolle und die genaue Bewegung der sogenannten Mantelkonvektion. Auch wenn der Erdkern schneller abkühlt als gedacht, wird seine Hitze uns also noch viele Erdzeitalter erhalten bleiben.

Noch mehr Informationen über das Abkühlen unseres Planeten erhaltet Ihr in diesem Video:

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