Der innere Erdkern ist wohl kein gleichmäßiger Klumpen

Der innerste Teil der Erde liegt fast 6.400 Kilometer unter unseren Füßen. Niemand kann ihn direkt sehen oder anfassen. Alles, was wir über ihn wissen, stammt aus indirekten Messungen – vor allem aus der Beobachtung von Erdbebenwellen. Und genau diese Wellen geben Forschenden seit Jahren Rätsel auf.

Bestimmte Erdbebenwellen bewegen sich im inneren Erdkern je nach Richtung unterschiedlich schnell. Entlang der Erdachse sind sie einige Prozent schneller als in der Querrichtung. Außerdem verhalten sich die Wellen im innersten Bereich des inneren Kerns anders als weiter außen. Das deutet darauf hin, dass dieser Teil der Erde nicht überall gleich aufgebaut ist.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Universität Münster und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY hat nun eine mögliche Erklärung gefunden. Die Forschenden haben im Labor Materialien untersucht, die dem inneren Erdkern ähneln. Der Erdkern besteht größtenteils aus Eisen, enthält aber auch kleinere Mengen leichterer Elemente wie Silizium und Kohlenstoff.

Um die extremen Bedingungen im Erdinneren nachzuahmen, presste das Team Eisenlegierungen zwischen zwei Diamanten auf einen Druck, der etwa dem Millionfachen des normalen Luftdrucks entspricht, und erhitzte sie stark. Mit Röntgenstrahlen beobachteten sie dabei, wie sich die Kristalle im Material verhalten.

Das Ergebnis lässt sich mit einer einfachen Analogie erklären: Wenn man Holz betrachtet, ist es entlang der Maserung stabiler als quer dazu. Ähnlich verhält es sich offenbar auch im inneren Erdkern. Die Eisenkristalle richten sich bevorzugt aus. Dadurch breiten sich Erdbebenwellen je nach Richtung unterschiedlich schnell aus.

Die Forschenden schließen daraus, dass der innere Erdkern schichtartig aufgebaut sein könnte – ähnlich wie eine Zwiebel. Mit zunehmender Tiefe verändert sich die chemische Zusammensetzung, der Eisenanteil nimmt zu. Diese feinen Unterschiede reichen aus, um das Verhalten der Erdbebenwellen zu erklären.

Die Studie hilft, ein langjähriges Rätsel der Geophysik besser zu verstehen – und zeigt, dass selbst der festeste Teil der Erde innerlich komplexer ist, als lange angenommen.

An der Studie beteiligt waren Forschende der Universität Münster, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, der Universität Lille und der European Synchrotron Radiation Facility. Sie simulierten Bedingungen, wie sie tief im Inneren der Erde herrschen, und untersuchten Eisenlegierungen mit Silizium- und Kohlenstoffanteilen. Die Experimente wurden an der Großforschungsanlage PETRA III bei DESY durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht worden.

Der innere Erdkern besteht überwiegend aus Eisen, enthält jedoch auch leichtere Elemente wie Silizium und Kohlenstoff. Während der äußere Erdkern flüssig ist, liegt der innere Kern in fester Form vor. Seismologische Messungen zeigen seit Jahren, dass Erdbebenwellen entlang der Erdachse etwa drei bis vier Prozent schneller laufen als entlang der Äquatorebene. Zudem unterscheiden sich diese Effekte zwischen dem äußeren und inneren Bereich des inneren Kerns.

Um diese Unterschiede besser zu verstehen, presste das Forschungsteam Eisen-Silizium-Kohlenstoff-Legierungen in einer Diamantstempelzelle auf extrem hohe Drücke und erhitzte sie auf Temperaturen von über 820 Grad Celsius. Mithilfe von Röntgenstrahlen analysierten die Forschenden, wie sich die Kristallstruktur des Materials unter diesen Bedingungen verändert.

Dabei zeigte sich, dass sich die Eisenkristalle bevorzugt ausrichten. Diese sogenannte „lattice-preferred orientation“ führt dazu, dass sich seismische Wellen je nach Ausbreitungsrichtung unterschiedlich schnell bewegen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der innere Erdkern schichtartig aufgebaut sein könnte, vergleichbar mit den Lagen einer Zwiebel. Ursache dafür wäre eine chemische Schichtung: Mit zunehmender Tiefe nimmt der Eisenanteil zu.

Die Studie liefert damit ein neues physikalisches Modell, das gut zu den beobachteten seismischen Daten passt und hilft, den Aufbau des tiefsten Erdinneren besser zu verstehen.