Folge 143: Der Kern der Erde Episode 143: The core of the earth

Folge 143: Der Kern der Erde.

In der Astronomie blickt man normalerweise nach oben zum Himmel. Ab und zu lohnt es sich aber auch, nach unten zu schauen und sich mit dem zu beschäftigen, was sich unter unseren Füßen befindet. Denn auch das hat viel mit Astronomie zu tun und deswegen ist das Thema der heutigen Folge der Sternengeschichten der Kern unserer Erde.

Von der Oberfläche der Erde bis zu ihrem Mittelpunkt sind es knapp 6370 Kilometer. Die Region, die man als Erdkern bezeichnet beginnt aber schon in einer Tiefe von 2900 Kilometer. Der gesamte Kern hat damit also einen Durchmesser von ungefähr 7000 Kilometer – ist also fast doppelt so groß wie unser Mond. Und genau so wie sich der Mond von der Erde unterscheidet ist auch der Kern unseres Planeten ganz anders als die Oberfläche auf der wir Tag für Tag herumlaufen. Unter unseren Füßen steckt also quasi ein unbekannter Himmelskörper und es lohnt sich, ein wenig darüber Bescheid zu wissen.

Aber wie? Im Gegensatz zum Himmel können wir durch den Boden ja nicht einfach hindurch sehen. Und mit Graben kommen wir auch nicht sehr weit. Die tiefste Bohrung die jemals durchgeführt worden ist, fand in den 1970er und 1980er Jahren in Russland statt und gelangte nur 12 Kilometer weit. Bis zum Erdkern fehlen da immer noch fast 2900 Kilometer.

Zum Glück gibt es einige indirekte Methoden, mit denen man herausfinden kann, was da unten vor sich geht. Eine erste wirklich wichtige Information fand 1797 der britische Wissenschaftler Henry Cavendish heraus. Schon vorher hatte ja der große Isaac Newton sein Gravitationsgesetz aufgestellt mit dem beschrieben werden kann, wie sich zwei Massen gegenseitig anziehen. Das direkt zu messen war aber enorm schwer, denn wenn man es nicht gerade mit riesigen Himmelskörpern zu tun hat, ist der Effekt sehr klein.

Cavendish jedenfalls dachte sich ein Experiment aus, mit dem man das doch halbwegs genau gelang. Es bestand aus zwei schweren Kugeln, die auf einer extrem empfindlichen Drehwaage montiert waren. Diese beiden Kugeln zogen sich gegenseitig an und Cavendish konnte die äußeren Einflüsse und Störungen so sehr reduzieren, dass es ihm am Ende tatsächlich gelungen ist, zu messen, mit welcher Kraft sich die beiden Kugeln gegenseitig anziehen. Der eigentliche Zweck des Experiments war es aber, die Masse der Erde zu bestimmen, denn die spielt ja natürlich auch eine Rolle.

Aus der Messung der Kraft zwischen den beiden Kugeln konnte Cavendish berechnen, mit welcher Kraft die Erde an beiden zieht und wie schwer unser Planet ist. Die Größe der Erde war ebenfalls schon lange bekannt – die ließ sich etwas leichter zu messen und schon die alten Griechen hatten hier ganz gute Werte zur Verfügung. Aus Masse und Größe folgt aber sofort eine weitere wichtige Zahl: Die mittlere Dichte der Erde!

Und die betrug circa 5,5 Gramm pro Kubikzentimter. Das ist überraschend hoch, vor allem wenn man es mit der mittleren Dichte von normalem Gestein vergleicht. Die liegt bei Werten von 2 bis 3 Gramm pro Kubikzentimetern. Es mag zwar von der Oberfläche aus so aussehen, als wäre die Erde eine große Kugel aus Gestein – aber darunter musste noch irgendetwas anderes sein, denn ansonsten wäre diese hohe mittlerer Dichte nicht erklärbar. Es musste viel sein und es musste schwer sein.

Wirklich genauere Informationen gab es dann aber erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Da begannen die Geologen, die bei Erdbeben ausgelösten Wellen detailliert zu untersuchen. Wenn irgendwo ein starkes Erdbeben stattfindet, dann kann man das nicht nur in unmittelbarer Umgebung spüren. Die ganze Erde schwingt dann ein wenig und Wellen breiten sich in alle Richtungen aus. Messstationen mit entsprechend sensitiven Geräten können dann auch die Wellen eines Erdbebens messen, das ganz woanders auf dem Planeten stattgefunden hat. Bei diesen Beobachtungen stellten die Wissenschaftler fest, dass die Wellen sich nicht immer mit der gleichen Geschwindigkeit bewegten. Je nachdem, welchen Weg sie durch die Erde nahmen, waren sie schneller oder langsamer. Und manchmal wurden sie auch irgendwo tief unten in andere Richtungen abgelenkt bzw. ganz gestoppt.

Anhand solcher Auswertungen hat schon 1906 der britische Geologe Richard Dixon Oldham vermutet, dass die Erde keine homogene Kugel ist, in der sich das ganze Material aus dem sie besteht komplett vermischt hat. Er schätzte, dass irgendwie in 2500 Kilometer Tiefe eine Art Grenze sein muss, wo sich das Material mehr oder weniger schlagartig ändert. Spätere Berechnungen haben diese Grenze in eine Tiefe von 2900 Kilometern verschoben.

Die erste, die mit der Analyse von Erdbebenwellen tatsächlich die Existenz eines Erdkerns nachweisen konnte, war 1936 die dänischen Seismologin Inge Lehmann. Und heute wissen wir, dass es nicht nur einen Kern gibt, sondern zwei. Die Erdkruste, also der Teil der Erde auf dem wir jeden Tag herumlaufen, ist ungefähr 40 Kilometer dick. Darunter folgt der Erdmantel, der sich bis in die schon vorhin erwähnte Tiefe von 2900 Kilometern erstreckt. Und dort beginnt der äußere Erdkern, der knapp 2200 Kilometer dick. Darunter, also in einer Tiefe von 5150 Kilometern beginnt der innere Erdkern, der einen Radius von ungefähr 1200 Kilometer hat.

Äußerer und innerer Erdkern sind sehr unterschiedlich beschaffen. Auch das weiß man durch die Auswertung von Erdbebenwellen. Die Details spare ich mir für eine eigene Sternengeschichtenfolge über Erdbeben auf; für heute reicht es zu wissen, das es verschiedene Arten von Erdbebenwellen gibt die sich in verschiedenen Materialien verschiedenen schnell fortbewegen. Oder auch gar nicht – manche Wellen können sich zum Beispiel nur durch feste Stoffe bewegen aber nicht durch Flüssigkeiten.

So hat man festgestellt, dass Eisen ein Hauptbestandteil des Kerns sein muss. Es ist schwer genug, um die hohe mittlere Dichte der Erde zu erklären. Es ist aber auch noch aus anderen Gründen plausibel und hier spielt nun die Astronomie eine Rolle. Aus astronomischer Sicht gibt es ja nur zwei wirklich häufige chemische Elemente: Wasserstoff und Helium, die beide direkt beim Urknall selbst entstanden sind. Der ganze Rest wurde erst lange später und in vergleichsweise geringen Mengen durch Kernfusion im Inneren von Sternen gebildet. Wir sind es zwar gewohnt in einer Umgebung zu leben, in der diese “neuen” Elemente dominieren und bestehen selbst zu einem großen Teil aus ihnen, aber aus Sicht des Universums ist alles, was kein Wasserstoff oder Helium ist nur eine kleine Verunreinigung…

Eisen ist hier aber trotzdem sehr speziell. Wenn im Inneren eines Sterns zum Beispiel zwei Wasserstoffatome zu Helium fusioniert werden, wird dabei Energie frei. Wenn zwei Heliumatome zu zum Beispiel Sauerstoff fusioniert werden, wird dabei ebenfalls Energie frei. Das geht immer so weiter und es können immer schwerere Elemente entstehen. Erst bei Eisen tut sich was. Wollte man zwei Eisenatome zu einem noch schwereren Element fusionieren, müsste man Energie hinein stecken. Hier wird also keine neue Energie mehr frei und der Kernfusionprozess stoppt. Eisen ist also quasi die ultimative Asche der Kernfusion in den Sternen und deswegen auch überraschend häufig. Nimmt man alle chemischen Elemente aus unserer Milchstraße, dann sind 73,9 Prozent davon Wasserstoff. Helium macht 24 Prozent aus und Sauerstoff 1 Prozent. Dann kommen Kohlenstoff mit 0,46 Prozent und Neon mit 0,13 Prozent. Aber schon auf Platz 6 folgt Eisen mit 0,11 Prozent und ist damit viel häufiger als die ganzen anderen, viel leichteren chemischen Elemente.

In unserem Sonnensystem ist Eisen immerhin noch das 9. häufigste Element und es ist kein Wunder, dass es auch auf der Erde selbst häufig ist. Betrachtet man unseren gesamten Planeten, dann besteht er zu 32,4 Prozent aus Sauerstoff (der hauptsächlich Teil von Silikaten ist, also Mineralien und Gestein) und gleich danach kommt schon Eisen mit 28,8 Prozent. Das es Eisen im Weltall gibt wussten wir aber schon vorher aus der Untersuchung von Meteoriten. Viele dieser Brocken, die aus dem Weltraum auf die Erde fallen bestehen aus Eisen bzw. einer Mischung von Eisen und dem Metall Nickel.

Zusammen mit all den anderen Elementen war das Eisen vor 5 Milliarden Jahren Teil der großen kosmischen Wolke, aus der die Sonne und die Planeten entstanden sind. Die ganzen Atome haben sich im Laufe der Zeit langsam verbunden und sind zu immer größeren Brocken gewachsen. Von Staubkörnern über kleine Brocken aus Gestein und Metall bis hin zu Asteroiden. Bei kleinen Objekten sind Gestein und Metall noch komplett durchgemischt und nicht voneinander getrennt. Sind die Objekte aber größer, dann sind erstens die Kollisionen heftiger. Durch die Energie schmelzen sie auf und die schweren Elemente wie eben das Eisen sinken in die Mitte und trennen sich so vom Gestein ab. Man bekommt Himmelkörper mit einem Kern aus Metall und einer Kruste aus Gestein. Zweitens spielen aber auch noch radioaktive Elemente eine wichtige Rolle. Die gibt es ja auch überall und sie finden sich meistens dort, wo sich auch Metalle wie Eisen befinden. Und sie geben Energie ab, heizen ihre Umgebung also auf. Je mehr davon sich ansammeln, desto heißer wird der Körper und wieder kann er aufschmelzen und so dafür sorgen das sich schwere Metalle und leichtes Gestein voneinander trennen.

Die Erde ist natürlich groß genug damit das passieren konnte. Und darum haben wir unter der Kruste aus Gestein ebenfalls einen Kern aus Metall.

Der äußere Kern hat an seinem äußeren Rand eine Dichte von etwa 9,9 Gramm pro Kubikzentimter hat die weiter unten bis auf 12,2 Gramm pro Kubikzentimeter steigt. Das ist allerdings ein bisschen zu wenig, wenn da unten wirklich nur eine Mischung aus Eisen und Nickel wäre. Ca. 15 Prozent des äußeren Kerns müssen noch aus anderen Elementen bestehen; wahrscheinlich sind das Silizium, Sauerstoff, Schwefel oder Kohlenstoff. Die Temperaturen betragen dort zwischen 4000 und 5700 Grad Celsius und dank der Erdbebenwellen wissen wir außerdem, dass das Material dort flüssig sein muss. Natürlich nicht so flüssig wie Wasser in einem Glas; da unten “schwappt” nichts hin und her und die Fließgeschwindigkeiten sind enorm langsam und betragen etwa einen Millimeter pro Sekunde. Das ganze flüssige Metall dort bewegt sich aber eben trotzdem und diese Strömungen sorgen unter anderem dafür, das unser Planet ein starkes Magnetfeld hat.

Im inneren Erdkern steigt die Dichte dann auf bis zu 13 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Temperatur beträgt immer noch fast 6000 Grad, der Druck ist aber in dieser Tiefe so enorm, dass das Material hier nicht mehr flüssig ist, sondern wieder fest. Man geht davon aus, dass dieser innerste Bereich unseres Planeten zu 80 Prozent aus Eisen und zu 20 Prozent aus Nickel besteht.

Trotz allem was wir in den letzten Jahren und Jahrzehnten über den Kern unseres Planeten herausgefunden haben, gibt es immer noch viel was wir nicht wissen. Zum Beispiel, welche Rolle die radioaktiven Elemente tatsächlich spielen oder wie lange es gedauert hat, bis sich die ganzen Materialien getrennt haben und die verschiedenen Kerne entstanden sind. Es ist halt nicht einfach, ins Innere der Erde zu blicken… Aber es lohnt sich. Denn der Blick nach unten ist genau so faszinierend wie der Blick hinaus in den Weltraum. Dort draußen sehen wir die Sterne. Unter unseren Füßen eine Eisenkugel, größer ist als der Mond und so heiß wie die Oberfläche der Sonne! Und das eine ist die Ursache des anderen…