Rätsel ums Erdinnere Die Kern-Frage

Woraus besteht der Kern der Erde? Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, dieses Rätsel zu lösen. Mit neuen Experimenten sind sie der Antwort nun näher als je zuvor.

Wie sich ein Künstler das Erdinnere so vorstellt
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Wie sich ein Künstler das Erdinnere so vorstellt

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Wie findet man heraus, woraus der Kern der Erde besteht? "Soll halt mal jemand runtergehen und nachschauen", ist man versucht zu antworten. Schließlich geht es um den Aufbau unseres eigenen Planeten - nicht um einen Billionen Kilometer entfernten Stern oder Exoplaneten.

Tatsächlich ist diese Frage seit Jahrzehnten nicht endgültig beantwortet. Zwar weiß man, dass 90 Prozent des Erdkerns aus den Elementen Eisen und Nickel bestehen. Aber was ist mit den restlichen zehn Prozent? Dieses Geheimnis hat die Erde bis heute für sich behalten - doch Forscher sind diesem dritten Element auf der Spur.

Geophysik, Atombombe, dann wieder Geophysik

Die Suche beginnt vor 65 Jahren, im Jahr 1952, an der Harvard University in den USA. Während des Zweiten Weltkriegs hatte der amerikanische Geophysiker Francis Birch zwischenzeitlich beim Bau der Atombombe geholfen. Nun, nach dem Krieg, widmet Birch sich wieder der Erforschung der Erde.

Schon damals ist bekannt, dass in ihrem Innersten Eisen und möglicherweise Nickel verborgen sind. Doch als Birch experimentelle Daten und theoretische Vorhersagen vergleicht, stellt er fest, dass beide nicht zusammen passen.

In seinem Aufsatz notiert er nüchtern: "Es scheint möglich, dass die Dichte von Schicht E womöglich um 10 bis 20 Prozent niedriger ist als die Dichte von Eisen oder Nickel-Eisen unter den gleichen Bedingungen." Schicht E, das ist der Erdkern.

Gesucht: das dritte Element

Im Klartext heißt das: Würde der Kern ausschließlich aus Eisen und Nickel bestehen, müsste er eigentlich viel dichter sein als Birchs Messdaten das hergeben. Es muss sich also ein drittes, leichtes Element zwischen den Schwergewichten Eisen und Nickel verstecken - damit der Kern als Ganzes fluffiger wird.

Birch selbst schlägt Kohlenstoff oder Silizium als drittes Element vor. Aber auch Schwefel, Sauerstoff und Wasserstoff sind prinzipiell denkbar, wie der Forscher Thomas Duffy in einem Artikel schreibt.

Kandidaten gibt es also genug. Doch die Erde gibt ihr tiefstes Geheimnis nicht so einfach preis. Das hat zwei Gründe: Die Entfernung von der Erdoberfläche zum Kern ist groß und die Bedingungen im Innern sind extrem.

Zum Erdkern zu bohren und Proben zu nehmen - "runtergehen und nachschauen" - ist unmöglich. Das tiefste Bohrloch der Welt ist zwölf Kilometer tief - um zum Erdkern zu kommen, müsste man fast 3000 Kilometer tief bohren, wie die Grafik zeigt:

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Um die tiefen Schichten der Erde zu untersuchen, haben sich Geophysiker deswegen etwas anderes ausgedacht. Sie lauschen dem "Konzert der Erdbeben".

Das geht in etwa so: Wie Zuhörer in einem Konzertsaal sind Seismografen über die Erdoberfläche verteilt. Gibt es irgendwo auf der Welt ein Beben, breiten sich ausgehend vom Epizentrum Wellen durch die Erde aus. Je näher ein Seismograf am Epizentrum steht, desto früher kann man dort die Wellen messen. Kombiniert man nun mehrere Messstationen, kann man die Wellen charakterisieren.

Der Clou: Auf ihrem Weg durch die Erde durchqueren die Wellen die verschiedenen Schichten oder werden daran reflektiert - und tragen deshalb Information über die Schichten in sich, wenn sie an den Seismografen ankommen.

Aus diesen Experimenten weiß man, dass die Erde eine Kruste, einen Mantel und einen Kern hat (siehe Grafik oben). Der Kern wiederum besteht aus zwei Teilen: einer festen Kugel im Innern und einem flüssigen Teil außenherum.

Probieren, probieren, probieren

Um die Identität des dritten Elements zu klären, reicht diese Methode alleine allerdings nicht aus. Die Forscher wissen nicht, wie sich die möglichen Materialien unter den extremen Bedingungen im Erdkern verhalten. Dort herrscht ein Druck, der drei Millionen Mal so groß ist wie an der Erdoberfläche. Die Temperatur beträgt zwischen 3700 und 6200 Grad Celsius.

Den Forschern bleibt nichts anderes übrig, als alle möglichen Kombinationen durchzuprobieren und zu schauen, welche am ehesten mit den Ergebnissen der Seismografen übereinstimmen.

Zeichen stehen auf Silizium

Erst in den vergangenen Jahren können Forscher die hohen Drücke und Temperaturen im Labor überhaupt erreichen und gleichzeitig die Geschwindigkeit von Wellen in den Materialien messen. "Das sind sehr schwierige Experimente", sagt Geophysiker David Rubie vom Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth. Die Proben werden dafür zwischen zwei geschliffene Diamanten gespannt - nur sie halten das Experiment aus.

Japanische Forscher haben mit dieser Methode nun Silizium auf den Prüfstand gestellt und sind zuversichtlich, das dritte Element gefunden zu haben. "Wir glauben, dass Silizium einen wesentlichen Anteil hat", sagte Eiji Ohtani der Tohoku University der BBC.

"Die Ergebnisse decken sich mit unseren eigenen Berechnungen", sagt David Rubie, der an der japanischen Studie nicht beteiligt war. Auch der Vergleich von Messungen in Meteoriten und im Mantel der Erde würden die Silizium-Hypothese stützen.

Dass Kohlenstoff, Wasserstoff oder Schwefel eine große Rolle spielen, glauben Geophysiker mittlerweile nicht mehr. Nur ein Kandidat ist laut Rubie noch im Rennen: Sauerstoff. Französische Forscher hatten 2013 entsprechende Resultate veröffentlicht.

Um diese letzten Zweifel an der Silizium-Hypothese auszuräumen, sind weitere Experimente nötig. Gut möglich also, dass das Rätsel von Francis Birch in fünf Jahren seinen 70. Geburtstag feiert.



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its4free 13.01.2017
1. Na endlich !
Kein Terror, kein IS, kein USA-blabla, kein Politik-Gelaber als Spiegel-Topnews. Danke dafür !
michlmeik 13.01.2017
2. Da bin ich jetzt echt überrascht
Wie wenig unsere Forscher von Unsere Erde wissen, da wollen sie an Mond, Mars und Sonne und den Galxien forschen und wissen zu Hause nix. Es weiß ja niemand genau wie Z.B Erdöl entstanden ist und wieviel es im Erdinnern noch gibt
murksdoc 13.01.2017
3. Blöde Frage
Warum herrscht dort so ein hoher Druck, wenn kein unter Hitze expandierendes Gas vorhanden ist? Am Gewicht der äußeren Schichten kann es irgendwie nicht liegen, denn je näher man an den Kern kommt, desto mehr heben sich die Gravitationsvektoren gegenseitig auf. Ganz im inneren der Erde, genau im Mittelpunkt (eine echte Kugel vorausgesetzt), müsste Schwerelosigkeit herrschen.
ForistGump2 13.01.2017
4. Schon lustig.
Eine Menschheit, die davon träumt, fremde Planeten zu besiedeln, aber nicht in der Lage ist, ein mehr als 12 Kilometer tiefes Loch in die eigene Erde zu bohren.
Msc 13.01.2017
5.
Bin selbst Chemiker und die Tatsache, dass außer Nickel und Eisen auch noch die anderen beiden am häufigsten in der Erdkruste verkommenden Elemente (Silicium und Sauerstoff) im Kern rumschwimmen überrascht jetzt nicht unbedingt.
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