Innerer Erdkern verformbarer als gedacht

Schnitt durch die Erde enthüllt Erdmantel und Erdkern. © Shutterstock/ Hdtrial-huni

Neue Studie enthüllt: Innerer Erdkern könnte plastisch verformbar sein

Wissenschaftliche Untersuchungen haben eine überraschende Entdeckung über den Erdkern ergeben, die möglicherweise die Länge eines Tages beeinflusst. Die neuen Erkenntnisse widersprechen bisherigen Annahmen über die Struktur und physikalischen Eigenschaften des inneren Kerns.

Der Erdkern, der aus einem flüssigen äußeren und einem festen inneren Bereich besteht, ist für die Erzeugung des Magnetfelds der Erde verantwortlich. Bisher galt der innere Kern als eine etwa 6000 Grad heiße, feste Nickel-Eisen-Kugel, doch aktuelle Forschungen deuten darauf hin, dass er formbarer sein könnte als bislang angenommen.

Ein Team der University of Southern California (USC) stellte fest, dass der innere Kern strukturellen Veränderungen unterliegt. Diese könnten mit einer als „viskose Deformation“ bekannten Verformung zusammenhängen, die durch Wechselwirkungen mit dem äußeren Kern verursacht wird. Schätzungen zufolge könnte sich der innere Kern um mehr als 100 Meter verformt haben.

Die Forschenden analysierten 121 sich wiederholende Erdbeben an 42 Standorten nahe der Südlichen Sandwichinseln in der Antarktis. Dabei zeigte sich, dass sich einige seismische Wellen anders verhielten als erwartet, was auf eine größere physische Aktivität des inneren Kerns hindeuten könnte. Die Beobachtungen legen zudem nahe, dass der turbulente äußere Kern den inneren Kern innerhalb einer menschlichen Zeitspanne beeinflusst – ein bisher nicht nachgewiesenes Phänomen.

Diese neuen Erkenntnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht und könnten weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis des Erdinneren haben.

Anomalie im Erdmagnetfeld vergrößerte sich

Mit dem Erdkern befasste sich auch eine weitere Entdeckung, die in diesen Tagen für Schlagzeilen sorgte: Wissenschaftler haben eine wachsende Schwachstelle im Magnetfeld der Erde entdeckt, die potenziell schwerwiegende Auswirkungen haben könnte. Diese sogenannte Südatlantische Anomalie (SAA) erstreckt sich über Südamerika und Afrika und könnte dazu führen, dass gefährliche Sonnenstrahlung ungehindert in die Erdatmosphäre eindringt.

Seit ihrer erstmaligen Identifizierung im Jahr 2020 hat sich die Anomalie um etwa sieben Prozent vergrößert. Experten beobachten fortlaufende Veränderungen in diesem Bereich, die sowohl biologische als auch technologische Risiken mit sich bringen könnten.

Das Erdmagnetfeld entsteht im wesentlichen durch Strömungen um plastischen äußeren Erdkern, der als Erddynamo angesehen wird. Da die Strömungen im Erdkern variieren kommt es auch zur Verlagerung der magnetischen Pole der Erde. Seit den 1950iger Jahren beschleunigte sich die Wanderung des magnetischen Nordpols, was von einigen Forschern als Anzeichen eine möglicherweise bevorstehenden Polsprungs interpretiert wird.

Studie ergab: Rotation des Erdkerns verlangsamt sich

Studie bestätigte Verlangsamung der Erdkernrotation – Tageslänge verringerte sich minimal

Eine neue Studie von Forschern der University of Southern California hat gezeigt, dass sich der innere Kern der Erde seit 2010 langsamer dreht als der Erdmantel und die Erdkruste. Diese Entwicklung wurde durch die Auswertung von 143 seismischen Datensätzen von Erdbeben und Atombombentests, die zwischen 1991 und 2023 gesammelt wurden, bestätigt. Vor allem wurden Erdbeben analysiert, die vor der Südspitze Südamerikas ausgingen und den Erdkern durchliefen, wodurch wertvolle Daten zur Rotationsgeschwindigkeit geliefert wurden.

Der innere Erdkern ist eine feste Metallkugel aus Eisen und Nickel mit einem Durchmesser von etwa 1.220 Kilometern. er wird vom äußeren Erdkern umhüllt, der vermutlich aus flüssigem Eisen besteht. Die Rotation des inneren Kerns ist an die Erzeugung des Magnetfelds beteiligt. Während direkte Auswirkungen auf die Plattentektonik und den Vulkanismus schwer zu belegen sind, könnten langfristige geodynamische Prozesse durch Veränderungen in der Rotationsgeschwindigkeit des inneren Kerns beeinflusst werden.

Obwohl bereits frühere Studien Fluktuationen in der Rotationsgeschwindigkeit des inneren Kerns vermuten ließen, überrascht die Entdeckung Wissenschaftler und Laien gleichermaßen und gibt Anlass zu weiteren Untersuchungen.

Forschungsleiter John Vidale und sein Team entdeckten ein V-förmiges Muster in den Seismogrammen, das auf eine Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit um das Jahr 2010 hindeutet. „Als ich die Seismogramme sah, war ich verblüfft“, sagte Vidale. „Doch als wir zwei Dutzend weitere Beobachtungen fanden, war das Ergebnis eindeutig.“

Vordergründig wirken sich die Variationen in der Rotationsgeschwindigkeit des Kerns auf die Tageslänge aus, die ebenfalls im Millisekundenbereich schwankt. Zuletzt wurde die Tageslänge um den Eintausendsten Teil einer Sekunde pro Jahr kürzer. Obwohl es Spekulationen darüber gibt, dass sich diese Rotationsverlangsamung auf die Stärke des Erdmagnetfelds auswirken oder zur Polwanderung beitragen könnte, gibt es hierfür bislang keine wissenschaftlichen Belege. Auch andere Änderungen der Erddynamik lassen sich nicht mit dem untersuchten Phänomen korrelieren. Betrachtet man geologische Zeiträume, lässt sich jedoch nicht ausschließen, dass geodynamische Prozesse beeinflusst werden.

Die neuen Erkenntnisse werfen weitere Fragen auf und erfordern neue Modelle zur Erklärung der Rotationsdynamik des inneren Erdkerns. Forscher planen, ihre seismischen Untersuchungen auszuweiten, um die Mechanismen hinter den Variationen der Rotation des inneren Erdkerns besser zu verstehen und deren mögliche Auswirkungen auf die Erde genauer zu untersuchen.

Erdkern dreht sich langsamer

Studie entdeckt Schwankungen in der Drehgeschwindigkeit des Erdkerns

Eine neue Studie chinesischer Wissenschaftler will Belege für Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit des Erdkerns gefunden haben. Sie soll ebensolche Schwankungen der Tageslänge erklären, die durch Anpassungen der Weltzeit korrigiert werden.

Zum Anfang des Jahrzehnts titelten viele Zeitschriften, dass die Tage kürzer werden statt länger. Die Schwankungen lagen zwar nur im Millisekundenbereich, doch sie wirkten sich auf die Weltzeit aus und man diskutierte eine Schaltsekunde. Normalerweise verlängert sich die Tageszeit jedes Jahr ein wenig, weil die Geschwindigkeit der Erdrotation abnimmt. Eine Folge der Mondgravitation, die uns abbremst. Doch wodurch die Verkürzung der Tageszeit bzw. die Beschleunigung der Erdrotation verursacht werden könnten, blieb spekulativ. Das könnte sich nun geändert haben, denn die Forscher Yi Yang und Xiaodong Song fanden heraus, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Erdkerns variiert, was weitreichende Folgen bis hin zur Beschleunigung und Abbremsung der gesamten Erde haben könnte.

Diesem Phänomen kamen die Forscher durch Untersuchungen von Erdbebenwellen auf die Spur. Sie nahmen die Daten von Erdbeben unter die Lupe, die sich in zwei unterschiedlichen Zeitabschnitten an ähnlichen Orten zutrugen. Als Perioden wählten sie die Intervalle zwischen 1995 bis 2008 und 2009 bis 2020 aus. Die Erdbebenwellen durchliefen den gesamten Planeten und passierten dabei auch den Erdkern. Sie fanden heraus, dass es während der ersten Periode Laufzeitunterschiede der Erdbebenwellen zweier Erdbeben in der gleichen Region gab, während das während der zweiten Periode kaum der Fall war. Daraus folgerten die Wissenschaftler, dass sich der Erdkern während der ersten Periode schneller drehte als der Erdmantel. In der zweiten Periode war der Unterschied der Rotationsgeschwindigkeiten deutlich kleiner, was auf eine fast gleichschnelle Rotation von Erdkern und Erdmantel hindeutet. Yi Yang und Xiaodong Song folgerten, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Erdkerns einem Zyklus unterliegt und postulierten, dass er gut 70 Jahre dauern könnte. Dieser Zyklus könnte zum Ende des letzten Jahrzehnts ausgelaufen sein und sich nun wieder beschleunigen.

Unterschiede in der Rotationsgeschwindigkeit des Erdkerns könnten sich auch auf das Erdmagnetfeld auswirken. Ob sie auch Erdbeben und Vulkanausbrüche beeinflusst, ist eine offene Frage. Kontrovers diskutierte Forschungen wollen zeigen, dass es auch hier eine gewisse Zyklizität gibt. (Quelle: nature.com)

Alter des Erdkerns genauer bestimmt

Der innere Erdkern besteht aus eine festen Eisen-Nickel-Legierung und ist an der Erzeugung des Erdmagnetfeldes beteiligt. Eine neue Studie belegt nun, dass der feste Erdkern jünger sein könnte, als von den meisten Forschern bisher angenommen wurde. Das Alter des festen Erdkerns wurde bisher mit einer relativ großen Zeitspanne angegeben und sollte zwischen 2 Milliarden und 500 Millionen Jahre alt sein. Diese Alter lässt sich nun genauer eingrenzen.

Schalenbau der Erde. © https://phys.org

Besagte Studie wurde unter Leitung des Geophysikers John Tarduno von der Uni Rochester durchgeführt. Das Forscherteam untersuchte die Magnetisierung von Einschlüssen in silikatischen Plagioklas-Kristallen. Dabei wurde entdeckt, dass das Magnetfeld der Erde während des Erdzeitalters Neoproterozoikum (Epoche Ediacarium) deutlich schwächer war als heute. Zudem wechselte die Polarisierung des Magnetfeldes sehr häufig: es müssen sich kurzfristig viele Polsprünge ereignet haben. Die Forscher schließen daraus, dass das Erdmagnetfeld kurz vor dem Kollaps stand. Grund hierfür könnte eine Temperatur-Abnahme im Erdkern gewesen sein. Damit einhergehend kamen Konvektionsströme zum Erliegen, welche den Geodynamo der Erde antreiben.

Vor 565 Millionen Jahren begannen sich erste mehrzellige Lebewesen zu entwickeln. Ein dauerhaftes Totalversagen des magnetischen Schutzschildes der Erde, wäre für die sich entwickelnde Lebewelt fatal gewesen. Doch glücklicherweise erhielt der Geodynamo neue Energie, so dass sich das Magnetfeld wieder stabilisieren konnte. Als Quelle für diesen Energieschub kommt eigentlich nur ein Vorgang infrage: Kristallisationsenergie! Diese soll durch die Kristallisation des -bis dahin flüssigen- Erdkerns freigesetzt worden sein. Dieser Vorgang lieferte genug Wärmeenergie, um die Konvektionsströme in Bewegung zu halten, bzw. um diese neu anzutreiben.

Rätselhaft ist bis heute die genaue Zusammensetzung des äußeren Erdkerns, denn wenn er aus dem gleichen Material wie der innere Erdkern bestehen würde, müsste auch der äußere Erdkern fest sein: Druck und Temperaturbedingungen reichen für eine Verflüssigung der Eisen-Nickel-Legierung eigentlich nicht aus. Ging man früher davon aus, dass sich dort nur Eisen befindet, nimmt man heute an, dass sich Silizium und Sauerstoff mit dem Eisen-Nickel mischten. Silizium und Sauerstoff sind die Grundbausteine von Silikaten und damit Hauptbestandteil der meisten Gesteine im Erdmantel und der Erdkruste.

Die Gesteine, die bei der neuen Studie Verwendung fanden, stammten aus einem Pluton in Kanada. Diese magmatische Intrusion aus dem Saguenay County in Quebec, wird Sept-Îles-Intrusion genannt und war schon Gegenstand mehrere wissenschaftlicher Untersuchungen. Mit einem Alter von 565 Millionen Jahren ist es ungewöhnlich alt und öffnet Wissenschaftlern ein Fenster in das Erdaltertum.

Weiterführender Link bei Vnet: geologische ZeitskalaPolsprung

(Quelle: nature.com)