Etwa 2.890 Kilometer unter unseren Füßen liegt eine riesige Kugel aus flüssigem Metall: der Kern unseres Planeten. Wissenschaftler wie ich nutzen die seismischen Wellen, die von Erdbeben erzeugt werden, als eine Art Ultraschall, um die Form und Struktur des Kerns zu „sehen“.
Mithilfe einer neuen Methode zur Untersuchung dieser Wellen haben mein Kollege Xiaolong Ma und ich eine überraschende Entdeckung gemacht: Es gibt in der Äquatornähe einen großen, donutförmigen Bereich des Erdkerns, der einige Hundert Kilometer dick ist und in dem sich seismische Wellen rund zwei Prozent langsamer ausbreiten als im Rest des Kerns.
Wir glauben, dass diese Region mehr leichte Elemente wie Silizium und Sauerstoff enthält und eine entscheidende Rolle bei den gewaltigen Strömen aus flüssigem Metall spielt, die durch den Erdkern fließen und das Magnetfeld der Erde erzeugen. Unsere Ergebnisse sind veröffentlicht heute in Wissenschaftliche Fortschritte.
Das „Coda-Korrelations-Wellenfeld“
Die meisten Studien zu den von Erdbeben verursachten seismischen Wellen befassen sich mit den großen, anfänglichen Wellenfronten, die sich etwa eine Stunde nach dem Beben um die Welt bewegen.
Wir erkannten, dass wir etwas Neues lernen könnten, wenn wir den späteren, schwächeren Teil dieser Wellen untersuchen, die sogenannte Coda – den Abschnitt, der ein Musikstück zu Ende bringt. Insbesondere untersuchten wir, wie ähnlich sich die von verschiedenen seismischen Detektoren aufgezeichneten Codas mehrere Stunden nach ihrem Beginn waren.
Mathematisch ausgedrückt wird diese Ähnlichkeit durch etwas gemessen, das man Korrelation nennt. Zusammengefasst bezeichnen wir diese Ähnlichkeiten in den späten Abschnitten von Erdbebenwellen als „Coda-Korrelationswellenfeld“.
Durch die Betrachtung des Coda-Korrelationswellenfelds entdeckten wir winzige Signale, die von mehreren nachhallenden Wellen herrührten, die wir sonst nicht sehen würden. Indem wir die Wege dieser nachhallenden Wellen verstanden und sie mit Signalen im Coda-Korrelationswellenfeld abglichen, berechneten wir, wie lange sie für ihre Reise durch den Planeten gebraucht hatten.
Anschließend verglichen wir die Ergebnisse seismischer Detektoren in Polnähe mit den Ergebnissen näher am Äquator. Insgesamt waren die näher an den Polen gemessenen Wellen schneller als die in Äquatornähe.
Wir haben viele Computermodelle und Simulationen ausprobiert, um herauszufinden, welche Bedingungen im Kern diese Ergebnisse hervorrufen könnten. Am Ende fanden wir heraus, dass es im äußeren Kern um den Äquator herum einen Torus geben muss – eine donutförmige Region –, in der sich Wellen langsamer ausbreiten.
Seismologen haben diese Region bisher nicht entdeckt. Mithilfe des Coda-Korrelationswellenfelds können wir den äußeren Kern jedoch detaillierter und gleichmäßiger „sehen“.
Vorherige Studien kam zu dem Schluss, dass Wellen bewegten langsamer überall rund um die „Decke“ des äußeren Kerns. Wir haben in dieser Studie jedoch gezeigt, dass sich die Region mit niedriger Geschwindigkeit nur in der Nähe des Äquators befindet.
Der äußere Kern und der Geodynamo
Der äußere Erdkern hat einen Radius von rund 3.480 km und ist damit etwas größer als der Planet Mars. Er besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel, mit einigen Spuren leichterer Elemente wie Silizium, Sauerstoff, Schwefel, Wasserstoff und Kohlenstoff.
Die Unterseite des äußeren Kerns ist heißer als die Oberseite, und der Temperaturunterschied lässt das flüssige Metall sich bewegen wie Wasser in einem Topf, das auf dem Herd kocht. Dieser Prozess wird thermische Konvektion genannt, und wir denken, dass die ständige Bewegung bedeuten sollte, dass das gesamte Material im äußeren Kern ziemlich gut vermischt und gleichmäßig ist.
Wenn der äußere Kern aber überall aus dem gleichen Material besteht, sollten sich seismische Wellen überall ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen. Warum also werden diese Wellen in der donutförmigen Region, die wir gefunden haben, langsamer?
Wir gehen davon aus, dass in dieser Region eine höhere Konzentration leichter Elemente vorhanden sein muss. Diese könnten aus dem festen inneren Erdkern in den äußeren Erdkern freigesetzt werden, wo ihr Auftrieb für mehr Konvektion sorgt.
Warum sammeln sich die leichteren Elemente in der äquatorialen Donut-Region stärker an? Wissenschaftler glauben, dass dies dadurch erklärt werden könnte, dass in dieser Region mehr Wärme vom äußeren Kern auf den darüber liegenden Gesteinsmantel übertragen wird.
Im äußeren Erdkern ist noch ein weiterer Prozess planetarischen Ausmaßes am Werk. Die Erdrotation und der kleine feste innere Erdkern sorgen dafür, dass sich die Flüssigkeit im äußeren Erdkern in langen vertikalen Wirbeln anordnet, die in Nord-Süd-Richtung verlaufen, wie riesige Wasserhosen.
Die turbulente Bewegung des flüssigen Metalls in diesen Wirbeln erzeugt den „Geodynamo“, der für die Entstehung und Aufrechterhaltung des Magnetfelds der Erde verantwortlich ist. Dieses Magnetfeld schirmt den Planeten vor schädlichem Sonnenwind und Strahlung ab und ermöglicht so Leben auf der Oberfläche.
Ein genauerer Blick auf die Zusammensetzung des äußeren Erdkerns – einschließlich des neu entdeckten Donuts aus leichteren Elementen – wird uns helfen, das Magnetfeld der Erde besser zu verstehen. Insbesondere die Art und Weise, wie das Feld seine Intensität und Richtung im Laufe der Zeit ändert, ist entscheidend für das Leben auf der Erde und die potenzielle Bewohnbarkeit von Planeten und Exoplaneten.
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