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Erdkern

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Datei:Blender3D EarthQuarterCut.jpg
Schalenaufbau des Erdinneren (weiß: Erdkruste; dunkelrot: Erdmantel; hellrot und gelb: äußerer und innerer Erdkern)

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Tiefenangaben

Der Erdkern ist das metallische Innere der Erde. Obwohl der Kern mit einem Durchmesser von 6942 km nur ein Sechstel des Volumens der ganzen Erde ausmacht, trägt er aufgrund seiner hohen Dichte rund ein Drittel zu ihrer Masse bei. Auswertungen von Erdbebenwellen ergaben, dass der Erdkern aus einem flüssigen äußeren Kern und einem festen inneren Kern besteht.<ref name="peetfl_1" /> Im äußeren Kern entsteht das Erdmagnetfeld.

Der Erdkern ist vollständig vom Erdmantel umgeben.

Geschichte

1904 schlug Ernest Rutherford den radioaktiven Zerfall als Quelle der Erdwärme vor,<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:L. Darden|L. Darden: }}{{#if:|{{#if:The Nature of Scientific Inquiry|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=The Nature of Scientific Inquiry}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.philosophy.umd.edu/Faculty/LDarden/sciinq/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=The Nature of Scientific Inquiry}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.philosophy.umd.edu/Faculty/LDarden/sciinq/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=The Nature of Scientific Inquiry}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:1998{{#if: 2011-07-31 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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Die dänische Seismologin Inge Lehmann fand bereits 1936 die Grenze zwischen innerem und äußerem Kern als Diskontinuität der Ausbreitungsgeschwindigkeit – das Muster der P-Wellen wies auf eine starke Ablenkung an dieser Grenzfläche hin.<ref name="peetfl_2" />

Aufbau und Eigenschaften

Der Kern besitzt ein Volumen von 17,548 · 1010 km3 und eine Masse von 1,9354 · 1024 kg, also 16,2 % des Volumens bzw. 32,4 % der Masse der gesamten Erde.<ref name="nasafs_1" /> Er ist nicht homogen aufgebaut. An der Kern-Mantel-Grenze verlangsamen sich die seismischen P-Wellen eines Erdbebens von 13,7 auf 8,1 km/s und die Geschwindigkeit der S-Wellen reduziert sich von 7,3 km/s auf 0. Dies lässt den Rückschluss zu, dass der äußere Kern flüssig sein muss, da sich S-Wellen in Flüssigkeiten nicht fortbewegen können. Da die Geschwindigkeit der P-Wellen im inneren Kern allerdings wieder zunimmt, nimmt man an, dass der innere Kern fester Natur ist.<ref name="peetfl_2" />

Tiefe Anteil am
Volumen		 Anteil an
der Masse		 mittlere
Dichte
Atmosphäre 000,0001 %
Hydrosphäre Dicke: 0 bis 12 km 000,12 % 000,02 % 01,0 g/cm3
Erdkruste Dicke: 5 bis 70 km 000,8 % 000,4 % 02,8 g/cm3
Erdmantel ca. 35–2900 km 083,0 % 067,2 % 04,5 g/cm3
Erdkern 2900–6371 km 016,2 % 032,4 % 11,0 g/cm3

<ref name="mosmmi_2" />

Innerer Kern

Der innere Kern beginnt ab einer Tiefe von 5150 km und reicht bis zum Erdmittelpunkt. Trotz der sehr hohen Temperaturen im inneren Kern, die bei 6000 ± 500 K liegen,<ref name="Anzellini 2013">S. Anzellini et al.: Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction. Science 340, 2013, S. 464–466, doi:10.1126/science.1233514.</ref> besteht dieser Teil des Erdkerns vorwiegend aus festem Metall. Es wird angenommen, dass sich die Metalllegierung im inneren Kern zu 80 % aus Eisen (Fe) und zu 20 % aus Nickel (Ni) zusammensetzt (daher kurz NiFe<ref>NiFe in mineralienatlas.de, abgerufen am 21. Februar 2023.</ref>), wobei die Dichte des Kerns von der Grenze zum äußeren Erdkern von etwa {{#if:trim|12,2 g/cm3}} bis zum Mittelpunkt auf 12,6 bis {{#if:trim|13,0 g/cm3}} ansteigt. Der enorme Druck von 330 GPa<ref name="Anzellini 2013" /> könnte erklären, dass die Eisen-Nickel-Legierung des inneren Kerns fest und nicht flüssig wie im äußeren Kern ist.

Äußerer Kern

Der äußere Kern beginnt ab einer Tiefe von im Mittel 2900 km und endet an der Grenze zum inneren Erdkern bei 5150 km. Seine Dichte steigt mit der Tiefe von 9,9 auf 12,2 g/cm3 an. Zusätzlich zu Eisen und Nickel müssen etwa 10 bis 15 Gewichtsprozent leichtere Elemente vorhanden sein, da die Dichte zu gering und die Schmelztemperatur zu hoch sind für nur Eisen-Nickel.<ref name="Porier1994">Jean-Paul Poirier: Light elements in the Earth's outer core: A critical review. Physics of the Earth and Planetary Interiors 85, 1994, S. 319–337, doi:10.1016/0031-9201(94)90120-1.</ref> Abhängig von der Temperatur T, bei der die Differenzierung in Kern und Mantel stattgefunden haben könnte, werden Silizium und Sauerstoff favorisiert (T hoch) bzw. Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff (T weniger hoch). Auf diese Weise könnte die genauere Kenntnis der Zusammensetzung des äußeren Erdkerns dazu beitragen, die Bedingungen bei der Differenzierung zu klären.<ref name="Ohtani">Eiji Ohtani: Chemical and Physical Properties and Thermal State of the Core. Kap. 8 in: Shun-ichiro Karato: Physics and Chemistry of the Deep Earth. Wiley, 2013, ISBN 978-1-118-52951-5</ref> Experimentelle Methoden, um die verschiedenen möglichen Gemische bei hohen Temperaturen und Drücken auf ihre Dichte, Schallgeschwindigkeit und Verteilungskoeffizienten zwischen metallischer Phase und Mantelmaterial hin zu untersuchen, sind statische Kompression mit Laserheizung, Schockwellenexperimente und quantenchemische Berechnungen.

Obwohl das Material dünnflüssig ist wie Wasser,<ref name="Spektrum">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Erdkern|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Erdkern}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/erdkern/4244%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Erdkern}}}}%7C[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/erdkern/4244}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Erdkern}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg2014-12-04{{#if: 26. Juli 2019 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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Entstehung des Erdmagnetfeldes

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  }}</ref> Die Wärmeenergie, die kontinuierlich an den Erdmantel abgegeben wird, stammt zum Teil aus langsamer Abkühlung, zum Teil aus der bei der Kristallisation freiwerdenden Kristallisationsenthalpie<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> an der inneren Kerngrenze, zum Teil aus der Kompression – das Anwachsen des inneren Kerns lässt den gesamten Kern schrumpfen, was gravitative Bindungsenergie freisetzt – und zum Teil aus radioaktiver Zerfallswärme.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Zudem werden bei der Erstarrung an der inneren Kerngrenze die leichten Elemente in der Schmelze angereichert und verteilen sich nach oben.

Unter dem Einfluss der Corioliskraft, die auch für die Zyklone in der Erdatmosphäre verantwortlich ist, werden die Strömungen auf schraubenförmige Bahnen gezwungen, deren Zylinderachsen parallel zur Erdachse ausgerichtet sind.<ref name="peetfl_3" /> Nun können sich magnetische Felder in der elektrisch leitenden Flüssigkeit nicht frei bewegen, sondern die Feldlinien werden von der Strömung mitgenommen, aufgewickelt und gestreckt, was die Felder verstärkt. Direkte Ursache der Magnetfelder sind elektrische Wirbelströme, die durch die langsame Drift des Feldes durch die Flüssigkeit entstehen. Diese Selbstverstärkung gerät in Sättigung durch quadratisch mit der Stromstärke ansteigende ohmsche Verluste.<ref name="fzkhhg_1" />

Ohne den mechanischen Antrieb würden die Wirbelströme und ihr Magnetfeld innerhalb von etwa 20.000 Jahren abklingen.<ref name="fzkhhg_1" /><ref name="peetfl_3" /> Simulationen des Instituts für Geophysik der Georg-August-Universität Göttingen haben ergeben, dass die notwendige Leistung zum Betrieb des Geodynamos lediglich 0,2 bis 0,5 Terawatt beträgt, weit weniger als vorher angenommen. Zur Erzeugung dieser Leistung muss keine Zerfallswärme im Erdkern vorausgesetzt werden.<ref name="mxplge_1" />

Das Magnetfeld der Erde bestand bereits vor über vier Milliarden Jahren.<ref>John A. Tarduno et al.: A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals. Science 349, 2015, S. 521–524, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.</ref>

Differenzielle Rotation des inneren Kerns

1996 verglichen Seismologen die Feinstruktur von P-Wellen seismischer Dubletten. Das sind Paare von Erdbeben mit ähnlicher Stärke an fast demselben Ort. Die Änderung der Feinstruktur hing vom zeitlichen Abstand der beiden Beben ab. Die Auswertung von 38 Dubletten aus den Jahren 1967 bis 1995 deutete auf eine differenzielle Rotation hin: Der innere Kern drehe sich etwas schneller als der Mantel.<ref>X. Song, P. G. Richards: Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core. Nature 382, 1996, S. 221–224, doi:10.1038/382221a0.</ref><ref name="coluni_1" /> Weitere solche Beobachtungen und Auswertungen bestätigten diese Interpretation, ergaben aber widersprüchliche Werte. Daten bis 2007 konnten schließlich so gedeutet werden, dass die relative Winkelgeschwindigkeit über Jahrzehnte größer und kleiner wurde, mit einem Mittelwert von etwa 0,4° pro Jahr.<ref>Hrvoje Tkalčić et al.: The shuffling rotation of the Earth’s inner core revealed by earthquake doublets. Nature Geoscience 6, 2013, S. 497–502, doi:10.1038/ngeo1813.</ref> Langfristig wird es sich um eine unregelmäßige Schwingung um eine nahezu stabile Ruhelage handeln: Die wohlbekannte Ost-West-Struktur des inneren Kerns – tiefenabhängig gemessen – deutet auf Drehraten gegenüber dem Mantel hin, die um etwa sechs Größenordnungen langsamer sind, also vergleichbar mit der Kontinentaldrift.<ref>Lauren Waszek et al.: Reconciling the hemispherical structure of Earth’s inner core with its super-rotation. Nature Geoscience 4, 2011, S. 264–267, doi:10.1038/ngeo1083.</ref>

Die mechanische Kopplung des inneren Kerns an den inneren Bereich des flüssigen äußeren Kerns ist für die Schwankungen verantwortlich und von magnetischer Art, während die an den Erdmantel gravitativ ist.<ref name="icmgls_1" /><ref name="moicsr_1" />

Seit 2009 besteht keine Superrotation des inneren Erdkerns mehr.<ref name=":0">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref name=":1">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Nadja Podbregar|Nadja Podbregar: }}{{#if:|{{#if:Der innere Erdkern pausiert|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Der innere Erdkern pausiert}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.scinexx.de/?p=266045%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Der innere Erdkern pausiert}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.scinexx.de/?p=266045}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Der innere Erdkern pausiert}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:2023-01-26{{#if: 2023-01-26 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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Erforschung

Eine direkte Untersuchung des Erdkerns ist derzeit nicht möglich. Die Kola-Bohrung, die das tiefste jemals gebohrte Loch darstellt, war 12,3 km tief, was lediglich {{#if:|1 518⁄{{{3}}}|{{#if:518|1⁄518|{{#if:1|1⁄1|⁄}}}}}} und damit rund 0,2 % der Strecke zum Erdmittelpunkt entspricht.<ref name="peetfl_4" /> Es gibt jedoch die Möglichkeit, über indirekte Hinweise Erkenntnisse über den Erdkern zu gewinnen:

  • Statistische Mechanik: Die statistische Mechanik erlaubt Rückschlüsse von den mikroskopischen Eigenschaften der Teilchen auf das makroskopische Verhalten des betreffenden Materials. Die Bedingungen des Erdkerns, wie extremer Druck und extreme Temperatur, können im Labor nicht oder nur sehr schwer zum Experimentieren erzeugt werden. Die statistische Mechanik liefert theoretische Anhaltspunkte für die Materialeigenschaften unter solchen Bedingungen.
  • Das Magnetfeld der Erde weist darauf hin, dass es im Erdinneren elektrisch leitendes Material im Zustand eines Fluids geben muss. Theorien über einen Geodynamo, der das Erdmagnetfeld erzeugt, enthalten in der Regel Annahmen über Eigenschaften des Erdkerns. Aus Fluktuationen des Erdmagnetfelds und Messungen mit sehr niederfrequenten Radiowellen kann zudem auf eine geringe, tiefenabhängige elektrische Leitfähigkeit des Mantels geschlossen werden.
  • Gesteine der Erdkruste und des Erdmantels haben Dichten zwischen 2,5 und 4 g/cm³. Für den gesamten Erdkörper ergibt sich jedoch eine Dichte von etwa 5,5 g/cm³. Daraus folgt, dass es im Erdinneren Bereiche mit wesentlich höherer Dichte geben muss.
  • Eisenmeteoriten sind aus den metallischen Kernen von differenzierten Asteroiden entstanden, also solchen, die ähnlich der Erde aus einem eisenreichen Kern und einem Mantel aus Gestein aufgebaut waren. Diese wurden nach heutigen Vorstellungen nach ihrer Entstehung durch Kollisionen zertrümmert.
  • Longitudinale Kompressions- bzw. Verdichtungswellen (nach engl. {{#invoke:Vorlage:lang|flat}} auch P-Phasen genannt, „Phase“ in der Bedeutung von Zeitabschnitt im Seismogramm), die von einer seismischen Quelle (zum Beispiel Erdbeben oder Explosionen) ausgehen, passieren die Grenze zum Erdkern (Kern-Mantel-Grenze) und werden dort beim Ein- und Austritt gebrochen (PKP-Phase, K für Kern). Der Erdkern wirkt für die PKP-Phasen wie eine Linse, die zu einem Brennkreis in ca. 145° Entfernung vom Epizentrum führt. Da der Erdkern alle direkten P-Phasen zwischen einer Entfernung von 100° bis 145° durch diesen Effekt ablenkt, bildet sich hier der ringförmige sogenannte Kernschatten. In diesem Kernschatten kann man noch andere Kernphasen messen, zum Beispiel die PKiKP-Phase, die am inneren Erdkern reflektiert wird. Die beobachteten Reflexionen an äußerer und innerer Kerngrenze belegen, dass sich dort die Impedanz jeweils sprunghaft ändert, auf kürzerer Distanz als einer Wellenlänge. Die den inneren Kern durchlaufende seismische Phase PKIKP, durch Brechung unterschieden von der am inneren Kern vorbei laufenden PKP-Phase, führte 1936 zu dessen Entdeckung durch die dänische Seismologin Inge Lehmann.
  • Da Flüssigkeiten keinen Scherwiderstand haben, können sich Scherwellen im äußeren Kern nicht ausbreiten. An der Kern-Mantel-Grenze werden Scherwellen teilweise in den Mantel zurückreflektiert (SS), teilweise in Kompressionswellen im Kern umgewandelt (z. B. SKS). An der Grenze zwischen äußerem und innerem Erdkern werden umgekehrt Kompressionswellen auch in Scherwellen umgewandelt, die sich dann im inneren Kern langsamer ausbreiten als die Kompressionswellen. Als solche Scherwellen (z. B. PKJKP) im inneren Kern beobachtet wurden (aus dem Muster der ortsabhängigen Ankunftszeiten), erhärtete das den Verdacht, dass der innere Erdkern fest sei.
  • Superrotation: Erdbebenwellen verschiedener Erdbeben vom selben Entstehungsort, die durch den Erdkern laufen, werden mit wachsendem Zeitabstand immer unterschiedlicher im Erdkern abgelenkt (unterschiedlicher Ankunftspunkt auf der gegenüberliegenden Erdseite). Die Ablenkungsunterschiede kommen sehr wahrscheinlich von Inhomogenitäten des inneren festen Kerns, die durch eine leicht schnellere Drehung des Kerns ihren Ort ändern. Aus diesen Analysen ergibt sich, dass der innere Erdkern 0,3 bis 0,5 Grad pro Jahr schneller als der Erdmantel und die Erdkruste rotiert. Damit macht er innerhalb von ca. 900 Jahren eine zusätzliche Drehung. Die Energie dafür liefern vermutlich elektromagnetische Kräfte des Geodynamos im äußeren Erdkern.

Alter und ungelöste Probleme

Ein flüssiger Erdkern bestand vermutlich bereits kurz nach der Entgasung und Differentiation der Erde vor 4,45 Milliarden Jahren.<ref>Claude J. Allègre et al.: The age of the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta 59, 1995, S. 1445–1456, doi:10.1016/0016-7037(95)00054-4.</ref> Zur Abkühlung und damit der Entstehung des festen inneren Kerns bestehen mehrere Modellberechnungen mit unterschiedlichen Ansatzmustern, die neueren Modelle gehen dabei von einem Alter von etwa einer Milliarde Jahre (±0,5) aus, während ältere Modelle zwei bis vier Milliarden Jahre veranschlagen.<ref>Stéphane Labrosse et al.: The age of the inner core. Earth and Planetary Science Letters 190, 2001, S. 111–123, doi:10.1016/S0012-821X(01)00387-9.</ref> Inwiefern radioaktive Zerfallsprozesse und deren Wärmeenergie für den Erdkern eine Rolle spielen, ist aufgrund des ungewissen Anteils zerfallender Nuklide im Erdkern nur grob abschätzbar. Aus geochemischer Sicht erscheint es möglich, dass ein geringer Gehalt (5 ppm) an Kalium im Erdkern existiert. Auch inwiefern es im inneren Erdkern zu Konvektionsprozessen kommt, ist ungeklärt, nach den gängigen Einschätzungen aber unwahrscheinlich. Solche Abschätzungen hängen stark vom angenommenen Alter des festen inneren Kerns sowie dessen exakter Zusammensetzung ab.<ref>Takesi Yukutake: Implausibility of thermal convection in the Earth’s solid inner core. Physics of the Earth and Planetary Interiors 108, 1998, S. 1–13, doi:10.1016/S0031-9201(98)00097-1.</ref>

Literatur

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Weblinks

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Einzelnachweise

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