Der eiserne Kern der Erde

Jeffreys zeigte sich hinsichtlich der Entdeckung seiner Kollegin zunächst skeptisch, lenkte aber später ein. Anders Gutenberg: Schon zwei Jahre später ermittelte er zusammen mit dem US-amerikanischen Seismologen Charles Richter den Radius des festen Eisenkerns, ebenfalls mit seismischen Methoden. Sie kamen auf 1.220 Kilometer – das entspricht etwa 70 Prozent des Mondradius.

Dynamischer Dynamo

Auch heute gibt es gute Gründe, warum sich die Forschung mit dem metallischen Kern unseres Planeten beschäftigt. Der wohl wichtigste: Dort wird das globale irdische Magnetfeld erzeugt. Dass der magnetische Tatort nicht der feste Eisenkern im Erdzentrum ist, wissen Geophysiker allerdings schon lange. Erneut erhärtet hat dies im Dezember 2024 ein internationales Team um die Materialwissenschaftlerin Sofia Balugani von der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble. Gemessen wurden die Temperaturen einer festen Probe aus reinem Eisen an der Schwelle zum Schmelzpunkt unter ähnlichen Druckverhältnissen wie im Erdkern. Ergebnis: 5.929 Grad Celsius. Zwar ist diese Temperatur als obere Schranke zu deuten. Doch liegt der Wert viel zu hoch, um im inneren, festen Erdkern Magnetismus zu ermöglichen. Denn die magnetische Ordnung von festem Eisen kollabiert jenseits der sogenannten Curie-Temperatur von 770 Grad.

Woher kommt nun der irdische Magnetismus? Es ist der äußere, flüssige Teil des Eisenkerns, der die Erde magnetisch macht. Dieser beginnt 2.900 Kilometer unter der Oberfläche und reicht bis in 5.100 Kilometer Tiefe. Neben dem Eisen enthält er auch einige Prozent des Elements Nickel. Beide bilden eine Legierung. Die Eisen-Nickel-Schmelze ist nicht nur flüssig, sondern auch elektrisch leitend. Und sie ist Schauplatz gewaltiger Materialumwälzungen, denn ihre geringe Viskosität sorgt für Konvektion. Gleichwohl strömt das flüssige Metall recht gemächlich. Eine auf Satellitendaten basierende Untersuchung von Philip W. Livermore und zwei Kollegen an der britischen University of Leeds kam auf einen Höchstwert von knapp fünf Meter pro Stunde unterhalb von Sibirien.

Teils wird die Konvektion thermisch angetrieben, wie in einem Kochtopf, in dem heißes Wasser aufsteigt und dabei Wärme von unten nach oben transportiert. Im flüssigen Erdkern wird die Strömung zusätzlich durch die Erddrehung verwirbelt. Dies setzt einen Prozess in Gang, der an einen elektrischen Dynamo erinnert. Bei diesem Geodynamo wird die Bewegungsenergie der Strömung in elektrische und magnetische Energie umgewandelt. Die Bewegung des elektrisch leitenden Metalls induziert dabei in Gegenwart des Erdmagnetfelds elektrische Ströme – und diese erzeugen wiederum ihr eigenes Magnetfeld. Infolge der Rückkopplung ist der irdische Dynamo selbsterhaltend, solange eine Energiequelle vorhanden ist, die die Konvektion aufrechterhält.

Das so erzeugte Erdmagnetfeld reicht weit ins Weltall hinaus und schützt uns vor den geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung und des Sonnenwinds. Diese schädlichen Partikel werden entlang der Magnetfeldlinien um die Erde gelenkt. Der flüssige Metallkern hat sich sehr früh herausgebildet: als die Erde aufgrund von Kollisionen mit kleineren planetaren Körpern noch heranwuchs (siehe BDW 1/2022, „Wie Kleinplaneten groß wurden“). Damals war unser Planet extrem heiß und deshalb flüssig.

In diesem Hexenkessel kam ein Prozess in Gang, den man planetare Differentiation nennt. Dabei sank schweres Material wie Eisen und Nickel der Schwerkraft folgend zum Erdzentrum. Weniger dichte Substanzen verspürten hingegen Auftriebskräfte und stiegen zur Oberfläche. Am Ende dieser Phase trennte sich im Erdinnern ein zunächst flüssiger Metallkern von dem darüber liegenden Mantel aus Silikatgestein, als oberste Schicht bildete sich eine vergleichsweise leichte, mit Basalten angereicherten Kruste. Ebenfalls früh in der Erdgeschichte sprang der Dynamoprozess an und magnetisierte unseren Planeten. Das geschah wohl schon vor vier Milliarden Jahren.

Das Alter der festen Metallkugel im Erdzentrum blieb hingegen lange unklar. Wann hatte sich dort erstmals das Eisen verfestigt? Die Kenntnis dieses Zeitpunkts ist wichtig, um die thermische Geschichte unseres Planeten zu entschlüsseln, von der wiederum Vulkanismus und Prozesse wie die Plattentektonik abhängen. Die Schätzungen des Kernalters variierten lange: Manche Forscher kamen auf Werte kaum weniger als das gesamte Erdalter von 4,5 Milliarden Jahren, andere gingen von einem erheblich jüngeren festen Kern aus.

Verräterische Kristalle

Neue Messungen stellte ein Forscherteam um Richard Bono, der heute in Tallahassee an der State University Florida arbeitet, im Jahr 2019 vor. Sie belegen ein ungewöhnliches Verhalten des irdischen Magnetfelds vor etwa 565 Millionen Jahren. Grundlage waren kristallhaltige Gesteinsproben des sogenannten Sept-Îles-Komplex im nördlichen Quebec.

Die Kristalle aus Kanada enthalten winzige Magnetnadeln mit „idealen Aufzeichnungseigenschaften“, erläutert John Tarduno von der University of Rochester im Bundesstaat New York, einer der Verfasser der Studie. „Der Feldspat schützt die Nadeln vor Veränderungen in späteren geologischen Zeitaltern. Wir messen die Stärke des urzeitlichen Magnetfelds mit hoher Zeitauflösung.“ Das Team fand heraus, dass damals die Intensität des Felds extrem niedrig war, „niedriger als alles, was wir je zuvor gesehen haben“, sagt Tarduno. Zudem stellten sie eine seltsame Variation der magnetischen Ausrichtung fest. Das deutet darauf hin, dass das damalige Magnetfeld keine Dipolstruktur hatte.

Zwar treten auch bei der Umkehr der Magnetfeld-Polarität sowohl schwache Intensitäten als auch Richtungsschwankungen auf. Solches geschah zuletzt vor rund 42.000 Jahren und wurde damals in den Jahresringen eines neuseeländischen Riesenbaums dokumentiert (BDW 12/2021, „Als das Erdmagnetfeld verschwand“). Aber Bono und sein Team gehen davon aus, dass sie etwas völlig anderem auf die Spur gekommen sind. Denn eine Umkehr dauert nur einige 100 bis wenige 1.000 Jahre, sie war also viel kürzer als es die Daten aus Quebec belegen.

Die Messungen deuten darauf hin, dass der Geodynamo damals kurz vor dem Kollaps stand. Die Wende kam jedoch mit der Bildung des festen Eisenkerns, der den Geodynamo wieder neu „aufgeladen“ hat, wie die Fachzeitschrift nature geoscience kommentierte. Denn die Bildung des festen Eisenkerns beeinflusste das Magnetfeld, indem sie – im Unterschied zur thermischen „Kochtopf-Variante“ – einen zweiten Konvektionstyp hervorrief.

Eine solche Strömung wurde durch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung in Gang gesetzt. Denn neben den vorherrschen Metallen Eisen und Nickel im Erdkern gibt es auch geringe Anteile leichter Elemente, beispielsweise Silizium und Sauerstoff. Sie fügen sich im Zuge der Erstarrung jedoch nicht in die feste Legierung ein, sondern reichern sich in der umgebenden Flüssigkeit an, die dadurch leichter als die eisenreiche Flüssigkeit darüber wird und deshalb aufsteigt. Das Wachstum des festen Eisenkerns treibt also ebenfalls eine Konvektionsströmung an.

Maylis Landeau von der Johns Hopkins University in Baltimore und ihr Team wie auch Peter E. Driscoll von der Carnegie Institution for Science in Washington kamen mit Dynamo-Modellrechnungen am Computer zu ähnlichen Ergebnissen. Demnach hat vor der Bildung des festen Metallkerns eine nur schwache thermische Konvektion ein ebenfalls schwaches Magnetfeld erzeugt. Dessen verstreute Feldgeometrie hatte keine Vorzugsrichtung wie die heutige. Erst nach der Kernbildung stellte sich wieder mit einer Dipol-Geometrie ein deutlich stärkeres Feld ein. So lässt sich der magnetische Schwenk nachvollziehen, der mit der Bildung des festen Metallkerns einherging.

Zweifellos war die Geburt des festen Kerns ein wichtiger Moment in der Erdgeschichte. Und der vollzog sich zwei- bis dreimal eher als zuvor angenommen. Das ergab die Analyse von Richard Bono und seinem Team.

Einfluss auf die Evolution?

Womöglich war durch die Verfestigung im Erdzentrum sogar die Evolution des Lebens betroffen, überlegen die Autoren. Im Zeitalter des Ediacarium vor 539 bis 635 Millionen Jahren entwickelten sich die ersten komplexeren Lebewesen. Die bizarren Meerestiere ähnelten kaum heutigen Spezies. Dazu gehörten etwa die flache, meist ovale Dickinsonia, die über einen Meter lang wurde, und die bis zu 15 Zentimeter große, birnenförmige Kimberella.

Auch eine im Mai 2024 publizierte Studie sieht die Kerngeburt und die Evolution in einem Zusammenhang: Das internationale Team um den Geologen Wentao Huang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking hatte 591 Millionen Jahre alte Felsen untersucht. Sie stammten von einer Fundstelle im südlichen Brasilien. Den Forschern ging es dabei hauptsächlich um Anorthositgestein mit eingelagerten Feldspat-Kristallen. Partikel darin haben die Magnetisierung aus der Zeit ihrer Entstehung bewahrt. Durch die Datierung der Gesteine konnten die Forscher eine Zeitleiste zur Entwicklung des Erdmagnetfelds erstellen. Danach war das Feld bis zu 30-mal schwächer als heute. Diese Erkenntnis stützt die Resultate der älteren Quebec-Studie. Die Schwächephase dauerte mindestens 26 Millionen Jahre.

Huang und sein Team spekulieren, dass die erheblich geringere magnetische Abschirmung des Sonnenwinds die Zusammensetzung der damaligen Atmosphäre beeinflusste. Schon länger wird die Entstehung der frühesten komplexen Tiere mit dem Anstieg des Sauerstoff-Gehalts in Wasser und Luft in Verbindung gebracht. Denn größere und bewegliche Spezies brauchen höhere Konzentrationen – anders als Mikroben. Bisher wurde der Sauerstoff-Anstieg im Ediacarium dem Stoffwechsel von Cyanobakterien zugeschrieben. Sie sollen dafür gesorgt haben, dass sich das reaktive Gas anreicherte.

Geht es nach Tarduno, der maßgeblich an der neuen Studie beteiligt war, könnten auch mehrere Prozesse gleichzeitig stattgefunden haben. Demnach hätte es das schwache Magnetfeld vor der Kernbildung dem Sonnenwind ermöglicht, leichte Atome wie Wasserstoff aus der Luft zu entfernen; diese verflüchtigten sich ins Weltall. Da der Wasserstoff in der Regel aus H₂O-Molekülen stammt, könnte bei starkem Wasserstoff-Verlust mehr vom übriggebliebenen Sauerstoff in die Atmosphäre gelangt sein. Im Lauf der Zeit hätte sich die Konzentration von Sauerstoff erhöht.

Peter Driscoll ist skeptisch: Es sei schwer, diese Hypothese zu überprüfen. An der Datierung der Kernbildung und der damaligen Schwäche des Magnetfelds zweifelt der Dynamo-Experte allerdings nicht.

Seltsamer Dreh

So bleibt der Erdkern trotz aller Erkenntnisfortschritte immer noch eine Terra incognita. Das betrifft auch seine Eigendrehung. Im Februar 2023 publizierte die Fachzeitschrift nature geoscience eine Untersuchung zur Kernrotation. Sie stammt von Yi Yang und Xiaodong Song an der Universität Peking. Beide werteten Daten von Erdbeben aus, die sich zu verschiedenen Zeiten am selben Ort ereignet hatten (Repeater) und deren Wellen zudem durch den festen Erdkern liefen. Die Messungen decken einen Zeitraum von 56 Jahren ab. Wäre der Erdkern eine perfekte Kugel und hätte überall genau die gleiche Struktur, so müssten die aufgezeichneten Bebenwellen unabhängig vom Zeitpunkt identisch aussehen. Dies ist jedoch nicht der Fall, was die chinesischen Forscher nutzten, um daraus eine veränderte Kernrotation abzuleiten.

Der feste Erdkern und der ebenfalls weitgehend feste Mantel sind durch die flüssige metallische Zone dazwischen nur lose miteinander verbunden. Offenbar veranlasst dies den Kern zu einem eigenwilligen Drehverhalten. Denn noch vor 20 Jahren rotierte der innere Erdkern etwas schneller als Erdmantel und Kruste. Hätte man damals auf der Erdoberfläche stehend zum Kern hinuntergeschaut, hätte sich dieser vorwärts gedreht. Jedoch verlangsamte sich die Bewegung ab etwa 2009. Im aktuellen Jahrzehnt würde ein Blick nach unten anderes ergeben: Der Erdkern dreht sich nun im Gleichtakt mit der Erdoberfläche. Die letzte Wende ereignete sich der chinesischen Studie zufolge in den frühen 1970er-Jahren. Den Zeitpunkt nennt auch eine Untersuchung von Wei Wang und John E. Vidale. Die Geowissenschaftler von der University of Southern California werteten 2022 die seismischen Wellen unterirdischer Kernwaffentests aus. Offenbar ändert sich die Rotation des festen Eisenkerns regelmäßig. Yang und Song haben eine Periode von knapp sieben Jahrzehnten extrapoliert.

Solche Veränderungen könnten durch Kräfte zwischen dem festen Erdmantel und dem festen Metallkern verursacht worden sein, vermuten die Forscher. Denn beide Bereiche des Erdinnern haben ihre eigene Topographie. Deshalb zerrt die Schwerkraft an diesen „Bergen“ und Tälern und verändert so die Drehung. Allerdings ist der Mantel viel schwerer als der innere Kern, sodass die Wirkung auf Mantel und Kruste weniger spürbar ist. Gleichwohl passt die Rotationsdauer auf der Erdoberfläche zu den Messungen der Studie, denn die Tageslänge schwankt mit mehreren übereinander gelagerten Perioden, darunter auch im Rhythmus von 65 Jahren. Selbst Variationen im Klimasystem könnten Yang und Song zufolge mit diesen Vorgängen tief im Erdinnern zusammenhängen. Die mysteriöse Metallkugel in der Mitte unseres Planeten wird deshalb weiterhin im Zentrum der Forschung stehen.