Neues internationales Projekt zur Erforschung des Erdkerns

Projektleitung Bayerischen Geoinstitut – sechs Forschergruppen in vier Länder beteiligt

Die Verbesserung unseres Grundwissens über die Eigenschaften des Erdkerns sind das Ziel eines Projektes “Mineralogie und Chemismus des Erdkerns”, das jetzt als Teil eines internationalen und fachübgergreifenden Programms für eine Laufzeit von drei Jahren bewilligt wurde. Projektleiter und Koordinator ist Dr. Leonid Dubrovinsky (Bild), Privatdozent und Akademischer Oberrat am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth. Die Arbeiten werden gemeinsam von sechs Forschergruppen in vier Ländern bearbeitet.

Im Rahmen des von der European Science Foundation (ESF) angeregten EUROCORE-Programms “Europäische mineralwissenschaftliche Forschungsinitiative” stehen für ein internationales und interdisziplinäres Vorhaben Mittel in Höhe von € 720.000,- für drei Jahre zur Verfügung. Das beantragte Projekt “Mineralogie und Chemismus des Erdkerns” wurde von den nationalen Forschungsgesellschaften der beteiligten Länder (Deutschland, Frankreich, Schweden, Spanien) intensiv begutachtet und zur Bewilligung vorgeschlagen. In Deutschland wird die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) das Projekt zur mineralogischen und chemischen Erkundung des Erdkerns über eine dreijährige Laufzeit fördern.

Das Hauptziel des Projektes ist die Verbesserung unseres Grundwissens über die Eigenschaften des Erdkerns. Dies ist schon deswegen von fundamentaler Bedeutung, da wir tatsächlich über unser Planetensystem bessere Kenntnisse besitzen, als über das Innere unseres Planeten, auf dessen Oberfläche wir leben. Um sowohl die Entwicklung und gegenwärtige Prozesse im Inneren unserer dynamischen Erde zu verstehen, als auch Voraussagen über geophysikalische Abläufe zu treffen, wie zum Beispiel zum Verhalten des erdmagnetischen Feldes, müssen wir unsere Kenntnisse auf diesem Gebiet wesentlich vergrößern.

Heutzutage geht die Wissenschaft davon aus, dass der Erdkern im Wesentlichen aus Eisen (Fe) mit einer 10 –-20-prozentigen Nickellegierung besteht. Man hat jedoch erkannt, dass der schmelzflüssige äußere Erdkern eine um 10% geringere Dichte als reines metallisches Fe aufweist. Daher müssen andere Elemente, die leichter als Eisen sind, zu einem signifikanten Anteil zur Zusammensetzung des Erdkerns beitragen. Als in Frage kommende Elemente wurden bisher Verbindungen mit Silizium, Schwefel, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff diskutiert.

Eine erfolgreiche Interpretation von vorliegenden geophysikalischen Messdaten ist nur möglich, wenn äußerst präzise Kenntnisse über die chemische Zusammensetzung, die Struktur und Phasenstabilität von Legierungen auf Fe-Basis unter den extremen physikalischen Bedingungen des Erdkerns verfügbar sind. Hier sind Drücke von 150 bis 350 Giga-Pascal (1,5 bis 3,5 Millionen Atmosphären) und Temperaturen bis 6000 °C gemeint. Das Vorstoßen in diese hohen Druck- und Temperaturbereiche erforderte die Entwicklung ganz neuartiger experimenteller Techniken. Trotzdem sind die extremen Druckbereiche noch nicht zugänglich, hier müssen experimentelle Methoden mit theoretischen Ansätzen kombiniert werden.

Interessanterweise wird die Quantenmechanik zur Erforschung des Erdkerns herangezogen. Mit ihr lassen sich mikroskopische Prozesse im atomistischen Maßstab beschreiben. In Verbindung mit leistungsfähigen Computerkapazitäten bildet sie eine moderne Grundlage für die Vorhersage von Materialeigenschaften, über die bisher keine experimentellen Daten vorliegen.

Alle am Projekt beteiligen Wissenschaftler haben bereits durch ihre interdisziplinären Vorarbeiten wichtige Erkenntnisse zu den Eigenschaften des Erdkerns beigetragen. Die Bayreuther Wissenschaftler um Dr. Dubrovinsky konnten gerade in letzter Zeit neue und fundamentale Ergebnisse einbringen. In einer Kombination von experimentellen und theoretischen Arbeiten untersuchten sie die Bildung von Legierungen aus Eisen und Magnesium unter hohen Drücken. Magnesium, eines der häufigsten Elemente in der Erde, wurde bisher niemals ernsthaft als mögliche Komponente des Erdkerns betrachtet, da es unter normalen Drücken mit Fe einfach keine Legierungen bildet. Nachdem jedoch die Forscher am Geoinstitut und ihre Kollegen die Mischbarkeit von Eisen und Magnesium bei sehr hohen Drücken nachweisen konnten, muss auch dieses Element als potentielle Komponente des äußeren Erdkerns betrachtet werden.

Schnitt durch das Erdinnere von der Oberfläche bis zum Erdmittelpunkt in 6378 km Tiefe. Die einzelnen Stockwerke im schalenartigen Aufbau der Erde werden durch die Kruste und Lithosphäre, den oberen und unteren Erdmantel mit der dazwischen liegenden Übergangszone sowie den äußeren, schmelzflüssigen und den inneren, festen Erdkern dargestellt. Während der Erdmantel aus Magnesium führenden Oxiden und Silikaten aufgebaut ist, besteht der Erdkern aus Eisen und Nickel und einem geringem Anteil leichterer Elemente. Durch die dynamischen Vorgänge im Erdinneren bilden sich an der Erdoberfläche Subduktionszonen, an denen Krustenteile bis in den Mantel abtauchen und mittelozeanische Rücken, an denen aufsteigende Schmelze aus dem Mantel neue Erdkruste bildet.