Eckiges im Runden Der Erdkern ist voller Würfel
Die Erde ist manchmal ein seltsamer Ort, und das selbst für Geologen. Die stellten 1992 fest, dass Schallwellen den Erdkern mit etwas größerem Tempo durchqueren, wenn sie vom Nord- zum Südpol rasen, als wenn sie dieselbe Reise vom Äquator aus antreten. Forscher haben eine ganze Reihe von Erklärungen angeboten, die alle eines gemeinsam haben: Sie machen die Kristallstruktur des Kernmaterials verantwortlich. Wie genau sie aber aussieht, blieb unklar.
Jetzt hat ein internationales Team offenbar des Rätsels Lösung gefunden: Die Eisenkristalle des Erdkerns nehmen unter dem ungeheuren Druck, der rund 5000 Kilometer unter unseren Füßen herrscht, die Form eines Würfels an - eine sogenannte raumzentrierte, kubische Gitteranordnung.
Schon im vergangenen Jahr hatten Wissenschaftler der Universität Bayreuth bei Hochdruckexperimenten im Labor herausgefunden, dass im inneren Erdkern unzählige Eisen- und Nickelkristalle stecken - alle mit speziellem kubischem Gitterbau. Wie beim Brüsseler "Atomium" sitzt in den Würfelecken der Gitterzellen und in ihrem Zentrum je ein Eisenatom. Diese Struktur passe zu den seltsamen Eigenschaften des Erdkerns, die seismische Versuche ans Licht gebracht hatten, schrieben die Forscher letztes Jahr im Fachmagazin "Science".
Offen blieb allerdings, wie stark genau das Tempo der Schallwellen beeinflusst wird. Vom Mittelpunkt der Erde gibt es keine Proben, und Expeditionen an diesen heißen, unwirtlichen Ort bleiben vermutlich für immer ein Wunschtraum. Jetzt aber haben russische und schwedische Forscher um Anatoly Belonoshko von der Universität Uppsala das Rätsel am Computer gelöst: "Wir haben kurzerhand virtuelle Eisenkristalle untersucht", sagt Belonoshko.
Virtuelle Schallwellen durch die Erde gejagt
Bei der sogenannten Molekulardynamik (MD) werden Atome und Moleküle am Rechner simuliert, die untereinander wechselwirken. Die Bildschirmkristalle haben Belonoshko und seine Kollegen virtuellem Schall ausgesetzt. "Das funktioniert ähnlich wie beim Händeklatschen", erläutert der Materialphysiker. Die Schallwelle drücken Eisenkristallhälften zusammen, so dass ihre Atome sehr dicht beieinander liegen. "Sie stoßen sich gegenseitig ab und den nächsten Nachbarn an - die Welle breitet sich aus."
Bei simulierten Extrembedingungen von über 6000 Grad Celsius und 1.400.000 Atmosphären Druck haben die Forscher beobachtet, wie sich die Eisenteilchen bewegen. "Wir kennen die Kräfte. So können wir aus den Verschiebungen auf die Wellengeschwindigkeit schließen."
Trotz seiner hochgradig symmetrischen Struktur verhalte sich das Eisen im Erdkern offensichtlich je nach Raumrichtung anders gegenüber Schalldruck, schreibt das Team in der aktuellen "Science"-Ausgabe. Der Schall bewege sich am schnellsten quer durch die Würfel, von Ecke zu Ecke. Parallel zu den Würfelkanten kämen die Schallwellen dagegen mit rund zwölf Prozent geringerer Geschwindigkeit voran.
Muss die Vorstellung von der Erde revidiert werden?
Damit gerät die althergebrachte Vorstellung über das Gittermodell des Erdkernmaterials endgültig ins Wanken. Bisher war die Wissenschaft statt vom Würfel von einem sechseckigen Prisma ausgegangen, einer hexagonalen Form. Auch diese Struktur ist bei extremer Hitze und Extremdrücken stabil. Allerdings führt sie lediglich zu kläglichen 2,5 Prozent Unterschied in den Schallgeschwindigkeiten, wie Belonoshko und sein Team jetzt belegen konnten - zu wenig, um ins seismische Modell zu passen.
"Viele der Erdkern-Eigenschaften wurden auf Basis der hexagonalen Kristallstruktur ermittelt. Das muss jetzt alles komplett neu berechnet werden", meint Belonoshko. Ein Beispiel sei der Wärmehaushalt der Erde: "Das Hitzespeichervermögen von kubischen Eisenkristallen ist womöglich ganz anders als das von hexagonalen." Oder das magnetische Verhalten des Kerns. "Raumzentrierte, kubische Eisenkristalle sind unter Normalbedingungen an der Erdoberfläche magnetisch, hexagonale nicht." Womöglich sei ihr magnetisches Verhalten auch sonst unterschiedlich. Belonoshko: "Damit könnte sich auch die Vorstellungen über das Magnetfeld grundlegend ändern."
