Im Juni 1986 erlebten Planetenforscher einen Heureka-Moment. Denn sie waren zum ersten Mal einig, wie die Erde zu ihrem ungebührlich großen Mond gekommen ist. Diese Erklärung gilt bis heute als das wahrscheinlichste Szenario: Kurz nach der Entstehung der Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren stieß ein marsgroßer Planet mit der Protoerde zusammen. Aus dem verdampften Gestein, das dabei ins All geschleudert wurde, bildete sich wenig später der Mond.

Karl erzählt in dieser Folge, wie es zu diesem Heureka-Moment kam – denn nur wenige Jahre zuvor war die Forschungswelt noch hochgradig zerstritten, was die Entstehung des Mondes anging. Mindestens eine Handvoll Hypothesen war im Rennen. Man diskutierte, ob der Mond sich von der Erde durch allzu große Fliehkraft abgespalten hatte oder ob er friedlich an der Seite der Erde aus dem Urnebel gewachsen war. Andere glaubten an ein eingefangenes Objekt aus der kosmischen Nachbarschaft – oder sogar an eine natürliche, nukleare Explosion tief im Erdinneren nahe dem Erdkern.

Schon in den 1940er Jahren war dem kanadischen Geologen Reginald Daly aufgefallen, dass die mittlere Dichte des Mondes recht genau der Dichte des Erdmantels entspricht. Aber erst die astronautischen Mondlandungen des Apollo-Programms und die Proben verschiedener Raumsonden brachten ab 1969 Gewissheit: Erdmantel und Mond müssen aus dem gleichen Urmaterial entstanden sein. Gleichzeitig besitzt der Mond nur einen winzigen Eisenkern. Alles zusammen wirkte wie ein Sieb für die diversen Modelle der Mondentstehung. Übrig blieb am Ende nur der große Einschlag.

Trotz der klaren Hinweise bleiben bis heute einige Fragen offen. Zum Beispiel ist weiter unklar, warum zwar der Fingerabdruck der Sauerstoff-Isotope in Erdmantel und Mond sehr gut übereinstimmen – immerhin das häufigste Element von Erde und Mond – aber einige Spurenstoffe teilweise radikal abweichen. Dazu gehört der Anteil von Eisen und anderen Metallen, aber auch von flüchtigen Stoffe wie Wasser oder Kohlendioxid. Herausfordernd für die heutige Forschung ist vor allem das Wachstum des Mondes direkt nach dem großen Einschlag, bei dem es ziemlich heiß hergegangen sein muss.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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Quelle: Universität Bayreuth 6. Juli 2023.

6. Juli 2023 – Ursache für diese Veränderung sind Gesteine, die mit dem Mineral Bridgmanit angereichert sind. Diese Gesteine machen den größten Teil des unteren Erdmantels unterhalb von etwa 1.000 Kilometern Tiefe aus. Diese Gesteine haben eine viel größere Korngröße als die darüber liegenden Gesteine, was zu einer hohen Festigkeit führt. Die neuen Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Bridgmanit ist das am häufigsten vorkommende Mineral im unteren Erdmantel, der sich von einer Tiefe von 660 Kilometern bis 2.900 Kilometern erstreckt und etwa die Hälfte der gesamten Erde ausmacht. Wissenschaftler aus Deutschland, China, Frankreich, Großbritannien und den USA haben herausgefunden, dass die Korngröße von Bridgmanit ab einer Tiefe von etwa 1.000 Kilometern ansteigt, da die Gesteine des unteren Erdmantels mit zunehmender Tiefe mit Bridgmanit angereichert sind. Infolgedessen nimmt die Viskosität und somit auch die Festigkeit der Gesteine deutlich zu, da die Viskosität mit der Korngröße ansteigt. Der darüber liegende flachere Teil des unteren Erdmantels, der bis in eine Tiefe von rund 1.000 Kilometern reicht, besteht aus Pyrolit. Dieses Gestein enthält neben Bridgmanit 20 Volumenprozent an anderen Mineralen. Diese anderen Minerale verhindern das Kornwachstum von Bridgmanit. In den mit Bridgmanit angereicherten Gesteinen tritt dieser Effekt nicht auf, so dass Bridgmanit dort ungehindert zu großen Körnern heranwachsen kann.

Der daraus resultierende Viskositätssprung wirkt sich auf eine Vielzahl von geophysikalischen und geochemischen Prozessen aus. „Obwohl subduzierte Platten relativ reibungslos in den unteren Erdmantel eintauchen, wird ihr Absinken im flachen Teil des unteren Erdmantels zunehmend verlangsamt. Andererseits scheint sich das Aufsteigen von heißen Teilen des Erdmantels, den sogenannten ‚Mantel-Plumes‘ oder ‚Mantel-Diapiren‘, die in verschiedenen Gebieten der Erdoberfläche Vulkane erzeugen, oberhalb von 1.000 Kilometern zu beschleunigen. Diese Beobachtungen waren bisher schwer zu verstehen, jetzt aber können wir sie wissenschaftlich erklären“, sagt der Erstautor, Prof. Dr. Hongzhan Fei, der am Bayerischen Geoinstitut (BGI) geforscht hat und jetzt eine Professur an einer der Spitzenuniversitäten Chinas, der Zhejiang-Universität in Hangzhou, innehat. Die hochviskosen, mit Bridgmanit angereicherten Gesteine entstanden in der Frühgeschichte der Erde bei der Kristallisation eines Magmenozeans. Da sie eine so hohe Festigkeit haben, kann die Mantelkonvektion sie nicht mit anderen Bestandteilen des Mantels vermischen. Infolgedessen sind die mit Bridgmanit angereicherten Gesteine seit Milliarden von Jahren im tiefen unteren Erdmantel erhalten geblieben.

Prof. Dr. Tomoo Katsura, Inhaber des Lehrstuhls für Struktur und Dynamik des Erdmaterials am BGI, setzt die neuen Forschungsergebnisse in Beziehung zu seismischen Beobachtungen. „Seismologen haben gezeigt, dass viele subduzierte Erdplatten in der Schicht zwischen 600 und 1.500 Kilometern Tiefe stecken bleiben. Sie haben auch gezeigt, dass Mantel-Diapire zwar vertikal aufsteigen und unterhalb einer Tiefe von 1.000 Kilometern mit seismischen Verfahren abgebildet werden können, oberhalb dieser Tiefe jedoch schwer nachweisbar sind. Unsere neue Theorie kann diese Beobachtungen erklären. Da die Viskosität mit der Tiefe zunimmt, können die Platten in Regionen, die tiefer als 1.000 Kilometer sind, nur schwer eindringen. Andererseits steigen die Mantel-Diapire in dieser Tiefe schneller auf, so dass sie dünner werden und schwer abzubilden sind“, erklärt Katsura.

Internationale Zusammenarbeit:
Die in Nature veröffentlichte Studie entstand in enger Zusammenarbeit von Prof. Dr. Tomoo Katsura (Universität Bayreuth) und Prof. Dr. Hongzhan Fei (Universität Bayreuth und Zhejiang Universität/China) mit Dr. Nicolas Walte (Technische Universität München), Prof. Dr. Maxim Ballmer (University College London/UK), Dr. Ulrich Faul (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge/USA) und Dr. Weiwei Cao (Extreme Conditions and Materials: Hochtemperatur und Bestrahlung (CEMHTI), Orléans/Frankreich).

Veröffentlichung:
Hongzhan Fei et al.: Variation in bridgmanite grain size accounts for the mid-mantle viscosity jump. Nature (2023), DOI: 10.1038/s41586-023-06215-0, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06215-0, pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06215-0.pdf.

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Quelle: ETH Zürich; 10. August 2022.

10.08.2022 von Marianne Lucien. Der Mond fasziniert Menschen seit jeher. Doch erst zur Zeit von Galileo Galilei begannen Wissenschaftler, ihn richtig zu untersuchen. Im Laufe von Jahrhunderten stellten Forschende verschiedene Theorien über die Entstehung des Mondes auf.

Nun fügen Geochemiker*innen und Petrolog*innen der ETH Zürich der Entstehungsgeschichte des Mondes ein weiteres Puzzleteil hinzu. In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science Advances» veröffentlicht wurde, zeigt das Forscherteam, dass der Mond die Edelgase Helium und Neon aus dem Erdmantel geerbt hat.

Die neuen Erkenntnisse beeinflussen die derzeit favorisierte «Giant Impact»-​Theorie, mit der Wissenschaftler die Mondentstehung erklären. Diese Theorie geht davon aus, dass der Mond durch eine massive Kollision zwischen der frühen Erde und einem anderen Himmelskörper entstanden ist. «Unsere Entdeckung bedeutet, dass in der Giant-​Impact-Theorie auch die Edelgase als Faktor einzubeziehen sind», sagt Henner Busemann, Professor am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich.

«Aufregende Entdeckung»
Für diese Studie hat Busemanns Doktorandin Patrizia Will sechs Proben von Mondmeteoriten analysiert. Die Meteoriten wurden von der Nasa in der Antarktis gesammelt und der Forscherin für ihre Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Will bestimmte in diesen Meteoritenproben unter anderem den Gehalt der Edelgase Neon und Helium. Diese waren in einer viel größeren Menge vorhanden als erwartet und nur im separierten Glas, was den Sonnenwind als Quelle für die Edelgase ausschloss. Sie mussten also aus dem Innern des Mondes kommen und damit letzten Endes von der Erde vererbt sein. «Dass wir zum ersten Mal Edelgase in basaltischen Materialien vom Mond gefunden haben, die nicht aus dem Sonnenwind stammen können, ist eine aufregende Entdeckung», freut sich Will.

Aufgrund ihrer neuen Erkenntnisse stellen sich die Forschenden den Vorgang so vor: Der junge Mond war vulkanisch aktiv. Magma quoll empor, und erstarrte rasch an der Oberfläche. Durch die rasche Abkühlung bildeten sich Glaspartikel, in welchen die mitgeführten Edelgase Neon und Helium konserviert wurden. Rasch deckten weitere Lavaströme diese Magmaschicht zu und schirmten sie vor kosmischer Strahlung ab, insbesondere vor Sonnenwinden. Dies verhinderte, dass sich chemische Elemente, die im Sonnenwind enthalten sind, in den Glaspartikeln einlagern und deren chemischen Fingerabdruck, die sogenannte Isotopensignatur, verändern konnten.

Per Meteorit zur Erde
Aber wie gelangte das magmatische Mondmaterial mit den Edelgasen auf die Erde? Da der Mond nicht durch eine Atmosphäre geschützt ist, schlagen ständig Asteroiden auf seiner Oberfläche ein. Ein solcher Einschlag war wahrscheinlich stark genug, um Bruchstücke aus den abgeschirmten Lavaschichten des Mondes herauszuschleudern. Diese Gesteinsfragmente gelangten als Meteoriten zur Erde. Viele werden in den Wüsten Nordwestafrikas oder, wie in diesem Fall, in der Antarktis gefunden.

Ihre Untersuchungen haben die Forschenden im Edelgaslabor der ETH Zürich durchgeführt. Dort steht ein hochmodernes Edelgas-​Massenspektrometer namens «Tom Dooley». Seinen Namen erhielt das hochempfindliche Gerät in Anlehnung an einen amerikanischen Folksong, weil es an der Decke des Labors aufgehängt werden musste, um Störungen durch Vibrationen zu vermeiden. Mit dem Tom-​Dooley-Instrument konnte das Forscherteam Glaspartikel von weniger als einem Millimeter Größe aus den Meteoriten messen. «Tom Dooley» ist so empfindlich, dass es als weltweit einziges Instrument in der Lage ist, so geringe Konzentrationen von Helium und Neon nachzuweisen. Es wurde auch dafür eingesetzt, um diese Edelgase in Körnern des Murchison-​Meteoriten nachzuweisen. Die Körner sind rund sieben Milliarden Jahre alt.

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens
Zu wissen, wo man in der Nasa-​Sammlung von rund 70’000 Meteoriten suchen muss, ist bei einem solchen Projekt entscheidend. «Ich bin fest davon überzeugt, dass es einen Wettlauf um die Untersuchung schwerer Edelgase und Isotope in diesem Meteoritenmaterial geben wird», sagt ETH-​Professor Henner Busemann, einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der extraterrestrischen Edelgasgeochemie. Er rechnet damit, dass Forscher*innen bald auch in den Mondmeteoriten nach Edelgasen wie Xenon und Krypton sowie nach weiteren flüchtigen Elementen wie Wasserstoff oder Halogenen suchen werden.

«Obwohl Edelgase für das Leben nicht notwendig sind, wäre es interessant zu wissen, wie sie die brutale und gewaltsame Entstehung des Mondes überlebt haben. Dieses Wissen könnte Wissenschaftler*innen in der Geochemie und Geophysik helfen, neue Modelle zu entwickeln, die allgemeiner zeigen, wie solche höchst flüchtigen Elemente die Entstehung von Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus überleben können», sagt Busemann.

Literaturhinweis
Will P, Busemann H, Riebe M, Maden C. Indigenous noble gases in the Moon’s interior, Science Advances, 10 August 2022. DOI: externe Seite10.1126/sciadv.abl4920call_made

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• Mond

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München.

29. April 2022 – Kenntnisse über den Aufbau und die Zusammensetzung der Erdkruste sind wichtig, um die Dynamik der Erde zu verstehen. So spielt etwa das Vorkommen von Flüssigkeiten oder Gesteinsschmelzen bei plattentektonischen Prozessen eine große Rolle. Der größte Teil des Wissens hierzu stammt aus geophysikalischen Untersuchungen. Der Zusammenhang zwischen messbaren geophysikalischen Parametern und den tatsächlichen Verhältnissen im Erdinneren ist allerdings oft nicht eindeutig. Um dies zu verbessern, hat der LMU-Geophysiker Max Moorkamp nun eine neue Methode entwickelt: Dabei werden Daten zur Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit und Dichte in der Erdkruste mithilfe eines aus der medizinischen Bildgebung abgeleiteten Verfahrens kombiniert und verrechnet. „Der Vorteil dabei ist, dass die Zusammenhänge zwischen den beiden Parametern Teil der Analyse sind“, sagt Moorkamp. „Für geophysikalische Anwendungen ist das völlig neu.“

Mittels der neuen Methode konnte Moorkamp für den Westen der Vereinigten Staaten zeigen, dass bisherige Annahmen zur räumlichen Verteilung von Magma und Flüssigkeiten in diesem Gebiet möglicherweise zu vereinfacht sind. Aufgrund von Messungen zur elektrischen Leitfähigkeit gingen Forschende bisher davon aus, dass in geologisch jungen und aktiven Regionen geschmolzenes Gestein (Magma) und Flüssigkeiten weit verbreitet sind, während ältere und stabile Regionen praktisch frei davon sind. „Die neuen Ergebnisse zeigen aber ein komplexeres Bild“, sagt Moorkamp. Die elektrische Leitfähigkeit von geschmolzenem Gestein und Flüssigkeiten ist derjenigen von festen Graphiten und Sulfiden sehr ähnlich – im Gegensatz zu Schmelzen und Flüssigkeiten sind diese aber ein Zeichen alter geologischer Aktivität.

Moorkamp konnte mit seiner Methode erstmals zwischen beidem unterscheiden und so nachweisen, dass sogar im Umfeld des sehr aktiven Yellowstone-Gebiets fluid-dominierte Strukturen und fluid-freie Regionen mit Graphiten und Sulfiden direkt nebeneinander liegen. Der Geophysiker schließt daraus, dass im Vergleich zur aktuellen geologischen Aktivität, die geologische Geschichte – also frühere plattentektonische Prozesse – deutlich stärkere Auswirkungen auf die Lokalisierung von Fluiden hat als bislang angenommen. Dies könne möglicherweise eine Überprüfung früherer Ergebnisse nicht nur in den Vereinigten Staaten, sondern weltweit, erfordern. Zudem könne das Verfahren auch bei der Suche nach geothermaler Energie oder Mineralvorkommen von großer Hilfe sein.

Originalpublikation:
Max Moorkamp: Deciphering the state of the lower crust and upper mantle with multi-physics inversion. Geophysical Research Letters 2022
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL096336

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• Planet Erde

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Quelle: DESY.

9. März 2022 – Die dünne Erdkruste weicht erheblich auf, wenn sie mit einer tektonischen Platte ins Erdinnere abtaucht. Das zeigen Röntgenuntersuchungen eines Minerals, das in basaltischer Kruste in großem Umfang vorkommt, mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Das Aufweichen kann sogar dazu führen, dass sich die Kruste von der darunter liegenden Platte abschält, wie das internationale Team um Hauke Marquardt von der Universität Oxford im Fachblatt „Nature“ berichtet. Die abgeschälte Erdkruste hat andere physikalische Eigenschaften als der restliche Erdmantel, was möglicherweise Anomalien in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen im Erdmantel erklären kann.

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es gelungen, erstmals das Verformungsverhalten des Minerals Davemaoit unter den Bedingungen des Erdmantels zu messen. „Davemaoit gehört zur weit verbreiteten Gruppe der Perowskite, entsteht allerdings erst ab einer Tiefe von etwa 550 Kilometern durch steigenden Druck und Temperatur aus anderen Mineralen“, erläutert Hauptautorin Julia Immoor vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth. Die Existenz des Minerals war seit Jahrzehnten vorhergesagt worden, erst 2021 wurde jedoch ein natürliches Stück davon gefunden. Davemaoit unterscheidet sich unter anderem durch seine kubische Kristallstruktur von anderen Perowskiten. In ausreichender Tiefe kann es rund ein Viertel der abtauchenden basaltischen Ozeankruste ausmachen.

Mit einer Spezialapparatur an DESYs Extreme Conditions Beamline (P02.2) bei PETRA III konnte das Team nun Davemaoit künstlich herstellen und mit dem Röntgenstrahl durchleuchten. Dazu erhitzten die Forscherinnen und Forscher fein gemahlenes Wollastonit (CaSiO₃) bei hohem Druck auf rund 900 Grad Celsius, bis sich Davemaoit bildete. Anschließend wurde das Mineral durch steigenden Druck von bis zu 57 Gigapascal – rund 570 000 Mal so hoch wie der Luftdruck auf Meereshöhe – verformt und dabei per Röntgenstrahl untersucht. Diese Parameter entsprechen den Bedingungen in bis zu 1300 Kilometern Tiefe.

„Die Messungen unter hohem Druck zeigen, dass Davemaoit im tiefen Erdmantel überraschend weich ist“, berichtet Forschungsleiter Marquardt. „Diese Beobachtung ändert unsere Vorstellung vom dynamischen Verhalten der abtauchenden Platten im tiefen Mantel komplett.“ Die Dynamik in solchen sogenannten Subduktionszonen, in denen eine tektonische Platte unter die andere taucht, hängt stark von der Härte der anwesenden Minerale ab. Das überraschend weiche Davemaoit in der absinkenden Erdkruste kann dafür sorgen, dass diese sich von der darunter liegenden Platte ablöst und der weitere Subduktionsprozess dann getrennt für Kruste und die restliche Platte verläuft.

Über eine solche Ablösung wird seit langem spekuliert, weil die abgelöste Erdkruste charakteristische Änderungen von Erdbebenwellengeschwindgeiten erklären kann, die in verschiedenen Erdtiefen beobachtet werden. Bislang war jedoch unklar, welche Ursachen zu so einer Ablösung, der sogenannten Delamination, führen können. „Ich freue mich, dass der hier entwickelte Versuchsaufbau zur Lösung wichtiger Fragen beitragen kann, die mit Prozessen im tiefen Inneren unseres Planeten verknüpft sind“, sagt der Leiter der Extreme Conditions Beamline bei PETRA III und Ko-Autor der Studie, Hanns-Peter Liermann von DESY.

An der Untersuchung waren Forscherinnen und Forscher der Universitäten von Bayreuth, Oxford und Utah sowie vom GeoForschungsZentrum Potsdam GFZ, vom California Institute of Technology und von DESY beteiligt. Das Projekt wurde zum Teil von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG finanziert.

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Weak cubic CaSiO3 perovskite in the Earth’s mantle; J. Immoor, L. Miyagi, H.-P. Liermann, S. Speziale, K. Schulze, J. Buchen, A. Kurnosov & H. Marquardt; „Nature“, 2022

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• Planet Erde

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Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).

Die Hülle unserer Erde ist in permanenter Bewegung: Verschiedene Erdplatten drücken und schieben gegeneinander und bilden so nach und nach Gebirge, Vulkane oder verursachen Erdbeben. Um die Vorgänge der Plattentektonik besser zu verstehen, ist die sogenannte Lithosphäre – die Erdkruste und der darunterliegende Erdmantel – von entscheidender Bedeutung. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat jetzt ein neues 3D-Modell veröffentlicht, um die Lithosphäre genauer als bisher zu beschreiben. An dem internationalen Projekt sind auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beteiligt, die dafür konventionelle geophysikalische Methoden mit satellitengestützten Daten kombinierten. Vom 29. März bis 1. April wird das gesamte Forschungsprojekt Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten der Methode bei der vom Kieler Team ausgerichteten internationalen „3D-Earth Spring School“ online vorstellen.

Erdschichten sind differenzierter als bisheriges Schalenmodell
Bei einem Erdbeben treten seismische Wellen auf, deren Geschwindigkeit gemessen wird, um mehr über die Verteilung der physikalischen Eigenschaften im Erdinneren zu erfahren. Wie schnell sich diese Wellen ausbreiten, wird hauptsächlich von der Temperatur und von der Dichte des Gesteins bestimmt. „Satellitengestützte Gravitationsdaten können hier wertvolle Ergänzungen liefern, denn die Gesteinsdichte beeinflusst die Stärke des Schwerkraftsignals. Außerdem ermitteln Satelliten sehr genaue Daten für die gesamte Erdoberfläche und decken damit auch Gebiete ab, in denen es kaum Bodenmessungen gibt“, erklärt Geophysiker Dr. Nils Holzrichter aus der Arbeitsgruppe „Satelliten- und Aerogeophysik“ an der CAU.

Das 3D-Modell der Lithosphäre, das die ESA jetzt veröffentlicht hat, kombiniert globale Gravitationsdaten des GOCE-Satelliten (Gravity field and steady-state ocean circulation explorer), seismologische Beobachtungen und Gesteinsinformationen. „Mit der Kombination von Satelliten-, Erdbeben- und Gesteinsdaten können wir gewissermaßen mit einer Lupe auf das bekannte Schalenmodell des Erdinneren schauen und die einzelnen Schichten viel genauer als bisher differenzieren“, erklärt Holzrichter, der unter anderem die Daten für das 3D-Modell aufbereitet hat. „Da es sich um ein globales Referenzmodell handelt, lassen sich damit auch Studien aus verschiedenen Regionen der Welt besser miteinander vergleichen.“

Methode wurde bereits auf Erdhebung von Nordamerika angewendet
Angewendet hat das Kieler Forschungsteam das Modell bereits auf das „Laurentidische Eisschild“: Die massive Eisschicht bedeckte während der letzten Eiszeit Teile des heutigen Kanadas und der USA und drückte die Landmassen mit ihrem Gewicht nieder. Vor 20.000 Jahren schmolzen die Gletscher ab und seitdem hebt sich der nordamerikanische Kontinent wieder an. „Mit unserer Methode lässt sich konkreter als bisher ermitteln, welche weitere Hebung noch zu erwarten ist“, erklärt Dr. Wolfgang Szwillus, der an einer Studie dazu mitgewirkt hat, die im Journal of Geophysical Research veröffentlicht wurde. Demnach ist mit einer weiteren Hebung von mindestens 200 Metern zu rechnen. Dass auch 20.000 Jahre nach Abschmelzen der Gletscher die Prozesse nicht abgeschlossen sind, zeigt, wie träge der Erdmantel reagiert hat. „Ein besseres Verständnis davon, wie schnell die Lithosphäre auf Eismassenverluste reagiert, ist mit Blick auf den Klimawandel ausgesprochen wichtig“, ergänzt Szwillus.

Das Modell und die Studie entstanden im Rahmen des ESA-Projektes „3D-Earth“, in dem ein dreidimensionales Modell der kompletten Erdkruste und des oberen Erdmantels erstellt werden soll. Die bisherigen Projektergebnisse werden Ende März bei der viertägigen Onlinekonferenz „3D-Earth Spring School: Modelling and Interpreting the Earths interior“ vorgestellt. Mit einem besonderen Fokus auf den wissenschaftlichen Nachwuchs will die Projektgruppe dort zeigen, wie ihr Modell und die Daten aus dem Projekt auf weitere wissenschaftliche Fragestellungen angewendet werden können.

Originalpublikation:
Reusen, J. M., Root, B. C., Szwillus, W., Fullea, J., & van der Wal, W. (2020). Long wavelength gravity field constraint on the lower mantle viscosity in North America. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2020JB020484.

Fullea, J., Lebedev, S., Martinec, Z., Celli, N.L. (2021) WINTERC-G: mapping the upper mantle thermochemical heterogeneity from coupled geophysical-petrological inversion of seismic waveforms, heat flow, surface elevation and gravity satellite data, Geophysical Journal International, ggab094

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Nature.

Das Erdinnere ist, grob betrachtet, aus drei Schalen aufgebaut. Während uns Teile der Kruste über Aufschlüsse und Bohrungen zugänglich sind, müssen für den Mantel überwiegend indirekte Methoden ausreichen. Nur selten verirren sich Fragmente von Mantelgestein als Xenolithe – Fremdgesteinseinschlüsse – an die Oberfläche. Über den Erdkern wissen wir heute nach wie vor am wenigsten. Seismische S-Wellen können feste Körper, jedoch keine Flüssigkeiten durchdringen. Dadurch wissen wir, dass der äußere Erdkern flüssig ist, anders als die steifen äußeren Schalen Mantel und Kruste, die den größten Teil des Erdvolumens ausmachen. Der innere Teil des Erdkerns ist fest – auch das wissen wir durch seismische Wellen.

Eine der wichtigsten Informationsquellen über sich liefert der Erdkern glücklicherweise selbst: Beständig rotiert der feste innere Kern im flüssigen äußeren und erzeugt wie ein Dynamo ein starkes Magnetfeld, das den blauen Planeten von den benachbarten Gesteinsplaneten unterscheidet. Das Erdmagnetfeld ist über erdgeschichtliche Zeiträume enormen Schwankungen unterworfen, im Mittel kehren sich magnetischer Nord- und Südpol alle 250.000 Jahre um und schreiben diese Information in das globale Gesteinsarchiv.

Die Erforschung des Erdkerns mit Hilfe aktueller kurzräumiger Schwankungen des Erdmagnetfelds war jedoch bisher eher schwierig. So beschränkten sich Geophysiker auf die Aufstellung von numerischen Modellen, ohne viel Informationen aus Messdaten zu erwarten. Der tiefere Erdmantel galt als elektrisch leitfähig und damit auch dazu fähig, Informationen aus dem tieferen Kern zu verschleiern, wenn es um schnelle Veränderungen geht. Es wurden also Modelle gerechnet.

Die neuen Ergebnisse veröffentlichten Nils Olsen vom Danish National Space Center und Mioara Mandea vom Geoforschungszentrum Potsdam in der neusten Ausgabe des Journals Nature. Sie verwendeten Messdaten des Kleinsatelliten CHAMP, der seit dem Jahr 2000 unter anderem das Erdmagnetfeld untersucht. So konnten die Forscher auf Datenmaterial aus acht Jahren zurückgreifen. Alte Vermutungen, der elektrisch leitfähige Erdmantel würde die Signale aus dem Kern verschleiern, konnten sie mit dieser umfangreichen Datenbasis widerlegen.
Olsen und Mandea konnten zeigen, dass Fluktuationen im Erdkern deutlich schneller passieren, als bisher angenommen – nämlich innerhalb weniger Monate. Sie schlagen vor, ihre Messdaten zu verwenden, zukünftige Modelle des Erdkerns zu justieren, um dessen Wesen besser zu verstehen.

Der Beitrag Der Erdkern ist aktiver als gedacht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.