Studie zeigt: Der innere Erdkern könnte wie eine Zwiebel geschichtet sein

Seismische Wellen, die den inneren Erdkern durchqueren, haben bereits viel über das eiserne Zentrum unseres Planeten verraten: darüber, wie es seine Form verändert, seine Rotation umkehrt, eine ungewöhnliche Struktur aufweist und einen besonderen Aggregatzustand enthält.

Eine neue Studie, die auffällige Messdaten erklären soll, deutet nun darauf hin, dass der Erdkern ähnlich wie eine Zwiebel in Schichten aufgebaut sein könnte.

Seismische Anisotropien im inneren Erdkern

Forschende in Deutschland wollten insbesondere das Problem seismischer Anisotropien untersuchen. Dabei handelt es sich um Unterschiede in der Geschwindigkeit seismischer Wellen, die sich durch die Erde ausbreiten und beim Auftreffen auf den inneren Kern je nach ihrer Ausbreitungsrichtung unterschiedlich reagieren.

„Es gibt mehrere Hypothesen zum Ursprung dieser Anisotropien“, sagt die Mineralogin Carmen Sanchez-Valle von der Universität Münster.

„Unser Ziel war es, den gemeinsamen Einfluss von Silizium und Kohlenstoff auf das Verformungsverhalten von Eisen zu untersuchen.“

Um die Vorgänge besser zu verstehen, prüfte das Team, wie diese für den inneren Kern wichtigen Elemente unter extremem Druck und bei Temperaturen von bis zu 820 °C miteinander wechselwirken könnten.

Mithilfe von Röntgenbeugung suchten die Forschenden nach einer Eigenschaft namens bevorzugte Gitterorientierung, kurz LPO. Sie beschreibt, wie sich Kristalle in festen Stoffen aufgrund thermischer Muster ausrichten.

Bislang standen nur wenige belastbare Daten dazu zur Verfügung, wie die LPO von Eisen aussieht, wenn es mit Silizium und Kohlenstoff zu Legierungen vermischt wird.

Eisen-Silizium-Kohlenstoff-Legierungen unter Extrembedingungen

Die LPO kann beeinflussen, wie Schallwellen durch Metalle wie Eisen übertragen werden. Es wurde daher angenommen, dass sie seismische Anisotropie erklären könnte. In dieser Untersuchung wurde dies auf kleinster Skala getestet: Die Legierungen wurden in winzigen Behältern eingeschlossen, zusammengepresst und erhitzt.

„Die Beugungsmuster wurden nach dem Experiment ausgewertet, um plastische Eigenschaften – insbesondere Streckgrenze und Viskosität – der Eisen-Silizium-Kohlenstoff-Legierungen abzuleiten. Diese wurden anschliessend theoretisch modelliert, um sie auf die Bedingungen im inneren Kern zu übertragen“, erklärt Sanchez-Valle.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Silizium und Kohlenstoff die Anordnung des Kristallgitters in der Eisenlegierung im Vergleich zu reinem Eisen tatsächlich verändert.

Die daraus entstehenden Unterschiede bei der Geschwindigkeit seismischer Wellen würden zu den Anomalien passen, die im äusseren Bereich des inneren Kerns beobachtet werden.

Ein geschichteter Aufbau des Erdkerns

Damit gibt es weitere Hinweise darauf, dass der innere Erdkern der Erde tatsächlich aus mehreren Schichten besteht. Das ist eine bemerkenswerte wissenschaftliche Leistung, schliesslich liegt dieses Gebiet mehr als 5.000 Kilometer unter uns, unter Gestein und flüssigem Metall verborgen.

Nach Einschätzung der Forschenden könnte der zentrale Bereich des inneren Kerns wenig Silizium und Kohlenstoff enthalten und dadurch eine starke seismische Anisotropie aufweisen, „während die zunehmende Konzentration leichter Legierungselemente zu den äusseren Schichten des inneren Kerns hin zu einer geringeren Anisotropie führt“.

Geologinnen und Geologen machen kontinuierliche Fortschritte beim Verständnis der komplexen Vorgänge unter der Erdoberfläche. Dazu messen sie vor allem die Ausbreitung seismischer Wellen und bilden Bedingungen des inneren und äusseren Kerns im Labor nach.

Diese detaillierte Arbeit erfordert es, Unstimmigkeiten aufzuspüren, mögliche Erklärungen zu entwickeln und sie anschliessend zu überprüfen – was dem Team dieser Studie gelungen ist.

„Das im inneren Erdkern beobachtete, tiefenabhängige Anisotropiemuster könnte auf einer chemischen Schichtung von Silizium und Kohlenstoff nach der Kristallisation des Kerns beruhen“, schliessen die Forschenden.

Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.