Die Reise zum Mittelpunkt der Erde

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Nur anhand der Laufzeiten akustischer Wellen lassen sich Aussagen über das Innerste der Erde treffen. Auf diese Weise konnten Wissenschaftler Größe, Zusammensetzung und einige Eigenschaften des Kerns bestimmen. Unter anderem fanden sie heraus, dass sich seismische Wellen in Nord-Süd-Richtung deutlich schneller ausbreiten als in Ost-West-Richtung. Man vermutete bereits, dass dies an der kristallinen Struktur von Eisen im Erdkern liegt, doch erst jetzt konnten zwei Forschergruppen die Eigenschaften des Metalls unter den extremen Bedingungen in Simulationen nachstellen.

Thorsten Krome

Am Anfang besaß die Erde noch keinen Kern. Erst im Laufe der Jahrmillionen wanderte unter anderem das schwere Eisen Richtung Mitte und bildet dort heute einen im Durchmesser etwa 2500 Kilometer großen festen Kern. Doch woher weiß man das? Schließlich vermag kein Bohrloch der Welt in derartige Tiefe vorzustoßen, ganz davon abgesehen, dass den Kern ein Hunderte Kilometer dicker zähplastischer Mantel aus geschmolzenem Gestein umgibt.

Erdbeben sind es, die zuweilen einen Blick in die Tiefe erlauben. Denn sie lösen seismische Wellen aus, die den Erdball und damit auch den Kern durchqueren und sich auf der anderen Seite des Globus feststellen lassen. Genaue Analysen des ankommenden akustischen Spektrums erlauben es dann, Rückschlüsse auf das Erdinnere zu ziehen. Bei solchen Messungen stellte man auch fest, dass sich die Wellen im innersten Kern deutlich schneller in Richtung der Erdachse ausbreiten als in der äquatorialen Ebene. Der Grund dieser Richtungsabhängigkeit war lange nicht richtig verstanden, vor allem deshalb, weil sich die Eigenschaften des Eisens kaum unter so extremen Bedingungen, wie sie im Erdinnern herrschen, experimentell nachstellen lassen. Man wusste bislang lediglich, dass Eisen in der so genannten hexagonal-dichtesten Packung vorkommen muss, wobei die Atome einer Lage jeweils die Mulden einer darunter liegenden füllen und jeweils die übernächste Schicht wieder der Ausgangsschicht entspricht.

Aber auch Computermodelle hatten Schwierigkeiten, sowohl die hohe Temperatur als auch den hohen Druck von etwa 330 Gigapascal gleichzeitig zu simulieren. So vernachlässigten erste Modelle die Temperatur und setzten sie auf null Kelvin – angesichts der am Erdmittelpunkt herrschenden 4000 bis 7000 Kelvin eine recht grobe Näherung.

Gerd Steinle-Neumann von der University of Michigan und seine Kollegen konnten nun mit einem genaueren Modell rechnen [1]. Dazu belebten sie eine Technik wieder, die bereits vor rund dreißig Jahren für Simulationen eines Atoms genutzt wurde, als es um die Rechenleistung von Computern noch mager bestellt war. Anders als bei bisherigen Modellen, die den Atomen im Gitter nur wenig Spielraum einräumten, blieb ihnen in dem neuen-alten Modell genügend Platz für Bewegung. So konnten die Forscher die Kristallstruktur unter den gegebenen Bedingungen berechnen und damit auch auf die elastischen Eigenschaften des Kristalls schließen.

Dabei zeigte sich, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen entlang der Hauptebene des Kristalls deutlich größer war als senkrecht zu ihr. Doch die Simulation eines einzelnen Kristalls reicht noch nicht, um die Eigenschaften des Kerns vollständig zu beschreiben, denn sicherlich spielt auch die Anordnung der einzelnen Kristallite im Kern eine Rolle.

Hier springen nun Bruce Buffett von der University of British Columbia in Vancouver und Hans-Rudolf Wenk von der University of California in Berkely mit ihrer Arbeit in die Bresche [2]. Die beiden Geowissenschaftler beschreiben mit ihrem Modell die elektromagnetischen Kräfte des Erdmagnetfelds, das außerhalb des Kerns entsteht, aber auf ihn wirkt. So gelang es ihnen, das Wachstum von Kristalliten ausgehend von einem ungeordneten Grundzustand zu simulieren. Dabei zogen sie auch in Betracht, dass sich Atomlagen gegeneinander verschieben und Bereiche kristalliner Ordnung umordnen.

So fügen sich beide Arbeiten nahtlos zusammen und geben eine Vorstellung davon, welche Struktur das Eisen im Erdinneren ausbildet: Hexagonal dichtest gepackt, wie bekannt, wobei die hohen Temperaturen das Längenverhältnis der Hauptkristallachsen deutlich beeinflusst, was wiederum die elastischen Eigenschaften und die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen ändert. Umgekehrt konnten die Wissenschaftler von der Geschwindigkeit der seismischen Wellen anhand ihres Modells auch auf die Temperatur im Mittelpunkt der Erde schließen – 5700 Kelvin soll sie betragen.