Ungefähr 1.800 Meilen unter unseren Füßen erzeugt wirbelndes flüssiges Eisen im äußeren Kern der Erde das schützende Magnetfeld unseres Planeten. Dieses Magnetfeld ist unsichtbar, aber lebenswichtig für das Leben auf der Erdoberfläche, da es den Planeten vor Sonnenwind – Strahlungsströmen der Sonne – abschirmt.
Vor etwa 565 Millionen Jahren nahm die Stärke des Magnetfelds jedoch auf 10 Prozent seiner heutigen Stärke ab. Dann erholte sich das Feld auf mysteriöse Weise und erlangte kurz vor der kambrischen Explosion vielzelligen Lebens auf der Erde seine Stärke zurück.
Was hat dazu geführt, dass das Magnetfeld zurückprallte?
Laut neuen Forschungsergebnissen von Wissenschaftlern der University of Rochester geschah diese Verjüngung innerhalb weniger zehn Millionen Jahre – auf geologischen Zeitskalen schnell – und fiel mit der Bildung des festen inneren Kerns der Erde zusammen, was darauf hindeutet, dass der Kern wahrscheinlich eine direkte Ursache ist.
„Der innere Kern ist enorm wichtig“, sagt John Tarduno, William R. Kenan, Jr., Professor für Geophysik am Department of Earth and Environmental Sciences und Forschungsdekan für Arts, Sciences & Engineering in Rochester. „Kurz bevor der innere Kern zu wachsen begann, war das Magnetfeld kurz vor dem Zusammenbruch, aber sobald der innere Kern zu wachsen begann, wurde das Feld regeneriert.“
In der Zeitung, erschienen in Naturkommunikation, bestimmten die Forscher mehrere Schlüsseldaten in der Geschichte des inneren Kerns, einschließlich einer genaueren Schätzung für sein Alter. Die Forschung liefert Hinweise auf die Geschichte und zukünftige Entwicklung der Erde und wie sie zu einem bewohnbaren Planeten wurde, sowie auf die Entwicklung anderer Planeten im Sonnensystem.
Entsperren von Informationen in alten Felsen
Die Erde besteht aus Schichten: der Kruste, wo sich das Leben befindet; der Mantel, die dickste Schicht der Erde; der geschmolzene äußere Kern; und der feste innere Kern, der wiederum aus einem äußersten inneren Kern und einem innersten inneren Kern zusammengesetzt ist.
Das Magnetfeld der Erde wird in ihrem äußeren Kern erzeugt, wo wirbelndes flüssiges Eisen elektrische Ströme verursacht und ein Phänomen namens Geodynamo antreibt, das das Magnetfeld erzeugt.
Aufgrund der Beziehung des Magnetfelds zum Erdkern versuchen Wissenschaftler seit Jahrzehnten festzustellen, wie sich das Magnetfeld und der Kern der Erde im Laufe der Geschichte unseres Planeten verändert haben. Sie können das Magnetfeld aufgrund der Lage und der extremen Temperaturen der Materialien im Kern nicht direkt messen. Glücklicherweise enthalten Mineralien, die an die Erdoberfläche aufsteigen, winzige magnetische Partikel, die die Richtung und Intensität des Magnetfelds festlegen, wenn die Mineralien aus ihrem geschmolzenen Zustand abkühlen.
Um das Alter und das Wachstum des inneren Kerns besser einzugrenzen, verwendeten Tarduno und sein Team einen CO2-Laser und das Magnetometer des supraleitenden Quanteninterferenzgeräts (SQUID) des Labors, um Feldspatkristalle aus dem Gestein Anorthosit zu analysieren. Diese Kristalle haben winzige Magnetnadeln in sich, die „perfekte Magnetaufzeichnungsgeräte“ sind, sagt Tarduno.
Durch die Untersuchung des in alten Kristallen eingeschlossenen Magnetismus – ein Feld, das als Paläomagnetismus bekannt ist – bestimmten die Forscher zwei neue wichtige Daten in der Geschichte des inneren Kerns:
„Da wir das Alter des inneren Kerns genauer eingrenzen konnten, konnten wir die Tatsache untersuchen, dass der heutige innere Kern tatsächlich aus zwei Teilen besteht“, sagt Tarduno. „Plattentektonische Bewegungen auf der Erdoberfläche beeinflussten indirekt den inneren Kern, und die Geschichte dieser Bewegungen ist tief in der Erde in der Struktur des inneren Kerns eingeprägt.“
Vermeidung eines Mars-ähnlichen Schicksals
Ein besseres Verständnis der Dynamik und des Wachstums des inneren Kerns und des Magnetfelds hat wichtige Auswirkungen, nicht nur bei der Aufdeckung der Vergangenheit der Erde und der Vorhersage ihrer Zukunft, sondern auch bei der Enträtselung der Art und Weise, wie andere Planeten magnetische Abschirmungen bilden und die Bedingungen aufrechterhalten könnten, die für das Leben notwendig sind .
Forscher glauben, dass zum Beispiel der Mars einst ein Magnetfeld hatte, aber das Feld sich auflöste, wodurch der Planet anfällig für Sonnenwind und die Oberfläche ohne Ozeane wurde. Es ist zwar unklar, ob das Fehlen eines Magnetfelds der Erde dasselbe Schicksal zugefügt hätte, aber „die Erde hätte sicherlich viel mehr Wasser verloren, wenn das Erdmagnetfeld nicht regeneriert worden wäre“, sagt Tarduno. „Der Planet wäre viel trockener und ganz anders als der Planet heute.“
In Bezug auf die planetarische Evolution betont die Forschung die Bedeutung eines magnetischen Schilds und eines Mechanismus, um ihn aufrechtzuerhalten, sagt er.
„Diese Forschung unterstreicht wirklich die Notwendigkeit, so etwas wie einen wachsenden inneren Kern zu haben, der ein Magnetfeld über die gesamte Lebensdauer eines Planeten – viele Milliarden Jahre – aufrechterhält.“
Tinghong Zhou et al, Frühkambrische Erneuerung des Geodynamos und der Ursprung der inneren Kernstruktur, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31677-7