Hochgenaue Zeitmessungen leiden unter einem Problem: Die Länge des Tages ist nicht konstant. Die Drehung der Erde schwankt im Laufe von Jahrzehnten um einige tausendstel Sekunden. Schuld daran könnte eine Gesteinsschicht in 2.900 Kilometern Tiefe sein, glauben japanische Forscher. Sie vermuten, dass die sogenannte D”-Schicht an der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel aus elektrisch leitfähigem Gestein besteht. Dadurch gebe es eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Dynamo im flüssigen Erdkern und dem festen Teil des Planeten, durch die dieser gebremst oder beschleunigt werde, so das Team um Kenji Ohta vom Tokyo Institute of Technology.
Die Forscher setzten das Mineral Perowskit, eine Verbindung aus Magnesium, Eisen und Siliziumoxid, dem Hauptbestandteil des Erdmantels, mit einer Diamant-Presse hohen Drücken und Temperaturen aus, wie sie im tiefen Erdmantel herrschen. Dabei bestimmten sie die elektrische Leitfähigkeit des Materials. Sie stellten fest, dass der Perowskit einen relativ hohen Widerstand hat. Bei Temperaturen von knapp 2.000 Grad Celsius und einem Druck, der dem 1,4-millionenfachen Atmosphärendruck entsprach, stieg die elektrische Leitfähigkeit jedoch um das Hundertfache an.
Die Forscher nehmen an, dass dies mit einer Umwandlung der Kristallstruktur zusammenhing. Vor vier Jahren hatte ein anderes japanisches Team festgestellt, dass aus Perowskit bei Bedingungen, wie sie an der Kern-Mantel-Grenze herrschen, Post-Perowskit entsteht. Dieses Mineral hat einen schichtförmigen Aufbau. Seit seiner Entdeckung gilt Post-Perowskit als mögliche Ursache für die rätselhaften Eigenschaften der D”-Schicht.
Diese Schicht an der unteren Grenze des Erdmantels ist etwa 200 bis 300 Kilometer dick. Ihr oberer Rand wellt sich aber in Täler und Berge, die Höhenunterschiede von mehr als hundert Kilometern aufweisen. Die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen hängt davon ab, in welcher Richtung sie durch die D”-Schicht laufen. Der Übergang von Perowskit zu Post-Perowskit könnte diese merkwürdigen Besonderheiten erklären.
Die von Ohta und Kollegen festgestellte Tatsache, dass Post-Perowskit eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, würde ebenfalls ins Bild passen. Schon lange hatten einige Geowissenschaftler vermutet, dass sich Veränderungen des Erdmagnetfeldes besser verstehen lassen, wenn man annimmt, dass der unterste Teil des Erdmantels elektrisch leitfähig ist. Allerdings scheint die Leitfähigkeit zu schwanken: Unterhalb von Afrika und dem Südpazifik leitet die D”-Schicht den Strom besonders gut. Wie die Forscher um Ohta schreiben, hängt das nicht, wie bislang vermutet, mit besonders hohen Temperaturen zusammen. Ihren Messungen zufolge ändert sich die Leitfähigkeit von Post-Perowskit kaum mit der Temperatur. Sie vermuten, dass die chemische Zusammensetzung der Schicht variiert.
Auch für ein zweites Phänomen könnte der leitfähige Post-Perowskit eine Erklärung liefern: Die turbulenten Bewegungen des flüssigen Eisens im Erdkern beeinflussen offenbar die Drehung des festen Erdmantels und damit die Tageslänge, wurde schon seit einiger Zeit spekuliert. Mechanische Reibung wäre für die beobachteten Änderungen aber zu schwach. Über die elektrisch leitfähige D”-Schicht kann jedoch Drehmoment vom Erdkern auf den Erdmantel übertragen werden, schreiben Ohta und seine Kollegen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der Wirbelstrombremse einer Straßenbahn.
Kenji Ohta (Tokyo Institute of Technology) et al.: Science, Bd. 320, S. 89 Ute Kehse
