Was enthält der Erdkern?

(Dan Tri) – Der feste Erdkern besteht nicht nur aus Eisen, sondern enthält auch Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium. Diese Entdeckung liefert die Lösung für das jahrhundertealte Rätsel, wie der Erdkern entsteht und das Magnetfeld aufrechterhält, das Leben schützt.

Der Erdkern besteht möglicherweise nicht nur aus Eisen, sondern enthält offenbar auch Kohlenstoff. Neue Forschungsergebnisse zeigen zudem, dass er Sauerstoff und Silizium enthält (Foto: Getty Images).

Der eisenreiche Erdkern spielt eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des Planeten. Er liefert nicht nur die Energie für das Magnetfeld – den Schutzschild, der Atmosphäre und Ozeane vor Sonnenstrahlung bewahrt –, sondern treibt auch die Plattentektonik an und formt so die Kontinente ständig neu.

Trotz seiner Bedeutung bleiben viele grundlegende Eigenschaften des Erdkerns ein Rätsel: Wie heiß ist er, woraus besteht er und wann begann er zu gefrieren? Eine kürzlich gemachte Entdeckung bringt Wissenschaftler der Beantwortung aller drei Fragen näher.

Die Temperatur des inneren Erdkerns wird auf etwa 5.000 Kelvin (4.727 °C) geschätzt. Der anfänglich flüssige Kern kühlt mit der Zeit ab, wobei sein festes Inneres kristallisiert und er sich nach außen ausdehnt. Diese Wärmefreisetzung erzeugt plattentektonische Strömungen.

Die Abkühlung ist auch die Quelle des Erdmagnetfelds. Ein Großteil der magnetischen Energie wird heute durch das Gefrieren des flüssigen äußeren Kerns aufrechterhalten, der den festen zentralen Kern antreibt.

Da Wissenschaftler jedoch keinen direkten Zugang haben, sind sie gezwungen, sich auf Schätzungen zu stützen, um den Abkühlungsmechanismus und die Eigenschaften des Erdkerns zu verstehen. Um dies zu klären, ist die Bestimmung seiner Schmelztemperatur der wichtigste Faktor.

Dank der Seismologie – der Lehre von Erdbebenwellen – wissen wir genau, wo die Grenze zwischen dem festen und dem flüssigen Erdkern verläuft. Die Temperatur an dieser Grenze ist zugleich der Schmelzpunkt, der Punkt, an dem das Gefrieren beginnt.

Wenn also die Schmelztemperatur genau bestimmt werden kann, werden die Menschen ein besseres Verständnis der wahren Temperatur des Kerns und der darin enthaltenen chemischen Zusammensetzung haben.

Geheimnisvolle Chemie

Es gibt zwei Hauptansätze, um die Zusammensetzung des Erdkerns zu verstehen: die Untersuchung von Meteoriten und die Analyse seismischer Daten.

Meteoriten gelten als Überreste von Planeten, die sich noch nicht gebildet haben, oder als Fragmente aus den Kernen zerstörter Planeten. Ihre chemische Zusammensetzung deutet darauf hin, dass der Erdkern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, möglicherweise vermischt mit einigen Prozent Silizium oder Schwefel. Diese Daten sind jedoch vorläufig und nicht detailliert genug, um endgültige Aussagen zu treffen.

Die Seismologie hingegen bietet einen wesentlich detaillierteren Einblick. Seismische Wellen von Erdbeben breiten sich je nach durchdringendem Material mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Erde aus. Durch den Vergleich der Wellenankunftszeiten an Messstationen mit experimentell ermittelten Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Mineralien und Metallen können Wissenschaftler Modelle des Erdinneren erstellen.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Erdkern etwa 10 % leichter ist als reines Eisen. Insbesondere ist der flüssige äußere Kern dichter als der feste innere Kern – ein Paradoxon, das sich nur durch das Vorhandensein einiger Spurenelemente erklären lässt.

Doch selbst nachdem der Bereich möglicher Zusammensetzungen eingegrenzt wurde, bleibt das Rätsel ungelöst. Unterschiedliche Szenarien führen zu Schmelztemperaturen, die sich um Hunderte von Grad Celsius unterscheiden, was es schwierig macht, die genauen Kerneigenschaften zu bestimmen.

Eine neue Beschränkung

In der neuen Studie nutzten Wissenschaftler die Mineralphysik, um zu verstehen, wie der Erdkern zu gefrieren begann – ein präziserer Ansatz als Meteorologie und Seismologie.

Simulationen zeigen, dass jede Legierung beim Kristallisieren eines flüssigen Metalls zu einem Feststoff einen unterschiedlichen Grad an Unterkühlung benötigt, also eine Abkühlung unterhalb ihres Schmelzpunktes. Je intensiver der Prozess ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Flüssigkeit gefriert.

Beispielsweise kann Wasser in einem Gefrierschrank stundenlang auf -5 °C unterkühlt werden, bevor es gefriert, während Wassertropfen in Wolken sich bei -30 °C bereits nach wenigen Minuten in Hagel verwandeln können.

Berechnungen legen nahe, dass die maximale Unterkühlung des Erdkerns etwa 420 °C unterhalb seines Schmelzpunktes liegt. Würde dieser Wert überschritten, wäre der innere Kern im Vergleich zu seismischen Daten ungewöhnlich groß. Reines Eisen hingegen bräuchte 1000 °C zur Kristallisation, was unmöglich ist, da der gesamte Kern dann erstarrt wäre.

Die Zugabe von Silizium oder Schwefel hilft auch nicht und könnte den Kern sogar noch weiter unterkühlen.

Erst wenn man den Kohlenstoffanteil berücksichtigt, ergibt das Bild Sinn. Besteht der Kern zu 2,4 % aus Kohlenstoff, wären etwa 420 °C nötig, um den inneren Kern zu gefrieren; mit 3,8 % Kohlenstoffanteil sinkt dieser Wert auf 266 °C. Ein deutlich plausiblerer Wert. Dies ist der erste Beweis dafür, dass Kohlenstoff eine bedeutende Rolle bei der Kristallisation des Erdkerns spielt.

Der Kern kann jedoch nicht nur aus Eisen und Kohlenstoff bestehen, da seismische Daten mindestens ein weiteres Element erfordern. Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Kern auch Sauerstoff und sogar Silizium enthalten könnte.

Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/loi-trai-dat-chua-dung-nhung-gi-20250923025913011.htm