Was enthält der Erdkern?

(Dan Tri) – Der feste Erdkern besteht nicht nur aus Eisen, sondern enthält auch Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium. Diese Entdeckung eröffnet die Lösung des jahrhundertealten Rätsels, wie der Kern das lebenserhaltende Magnetfeld bildet und aufrechterhält.

Der Erdkern besteht möglicherweise nicht nur aus Eisen, sondern scheint auch Kohlenstoff zu enthalten. Neue Forschungen haben ergeben, dass er auch Sauerstoff und Silizium enthält (Foto: Getty Images).

Der eisenreiche Erdkern spielt eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des Planeten. Er versorgt nicht nur das Magnetfeld – den Schutzschild, der Atmosphäre und Ozeane vor Sonneneinstrahlung schützt –, sondern treibt auch die Plattentektonik voran, die die Kontinente ständig neu formt.

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

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

Die Abkühlung ist auch die Quelle des Erdmagnetfelds. Ein Großteil der heutigen magnetischen Energie wird durch das Gefrieren des flüssigen äußeren Erdkerns aufrechterhalten, der wiederum den festen inneren Erdkern mit Energie versorgt.

Ohne direkten Zugang sind Wissenschaftler jedoch gezwungen, sich auf Schätzungen zu verlassen, um den Abkühlungsmechanismus und die Eigenschaften des Kerns zu verstehen. Um dies zu klären, ist die Bestimmung seiner Schmelztemperatur der wichtigste Faktor.

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

Wenn die Schmelztemperatur also genau bestimmt werden kann, werden die Menschen ein besseres Verständnis für die wahre Temperatur des Kerns und die darin enthaltene chemische Zusammensetzung haben.

Mysteriöse Chemie

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

Meteoriten gelten als „Überreste“ noch nicht entstandener Planeten oder als Fragmente aus den Kernen zerstörter Planeten. Ihre chemische Zusammensetzung lässt vermuten, dass der Erdkern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, möglicherweise vermischt mit einigen Prozent Silizium oder Schwefel. Diese Daten sind jedoch nur vorläufig und nicht detailliert genug, um endgültige Aussagen zu treffen.

Die Seismologie hingegen bietet einen deutlich detaillierteren Einblick. Seismische Wellen von Erdbeben breiten sich je nach Material, das sie durchdringen, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch die Erde aus. Durch den Vergleich der Wellenankunftszeiten an Messstationen mit experimentellen Ergebnissen zur Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mineralien und Metallen können Wissenschaftler Modelle des Planeteninneren erstellen.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Erdkern etwa 10 Prozent leichter ist als reines Eisen. Insbesondere ist der flüssige äußere Kern dichter als der feste innere Kern – ein Paradoxon, das nur durch das Vorhandensein einiger Nebenelemente erklärt werden kann.

Doch selbst wenn man die Bandbreite möglicher Zusammensetzungen einschränkt, bleibt das Rätsel ungelöst. Verschiedene Szenarien führen zu Schmelztemperaturen, die sich um Hunderte von Grad Celsius unterscheiden, was es schwierig macht, die genauen Kerneigenschaften zu bestimmen.

Eine neue Einschränkung

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

Simulationen zeigen, dass jede Legierung ein unterschiedliches Maß an „Unterkühlung“ benötigt, wenn die Atome eines flüssigen Metalls zu einem Feststoff kristallisieren. Je intensiver der Prozess, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Flüssigkeit gefriert.

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

Berechnungen deuten darauf hin, dass die maximale Unterkühlung des Kerns etwa 420 °C unter seinem Schmelzpunkt liegt. Würde dieser Wert überschritten, wäre der innere Kern im Vergleich zu seismischen Daten ungewöhnlich groß. Reines Eisen hingegen bräuchte 1.000 °C, um zu kristallisieren, was unmöglich ist, da der gesamte Kern erstarrt wäre.

Auch das Hinzufügen von Silizium oder Schwefel hilft nicht und kann den Kern sogar noch weiter unterkühlen.

Erst wenn Kohlenstoff berücksichtigt wird, ergibt das Bild Sinn. Bei einem Kohlenstoffanteil von 2,4 % der Kernmasse bräuchte es etwa 420 °C, um den inneren Kern zu gefrieren; bei 3,8 % Kohlenstoff sinkt diese Temperatur auf 266 °C. Eine deutlich plausiblere Zahl. Dies ist der erste Beweis dafür, dass Kohlenstoff eine bedeutende Rolle bei der Kernkristallisation 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