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Einmal vom oberen Mantel bis zur Kerngrenze

Kompakt ist Trumpf

Je tiefer wir in die Tiefe vordringen, desto höllischer werden die Bedingungen: Schon im oberen Erdmantel steigen die Temperaturen auf bis zu 1.000°C und der Druck erhöht sich allmählich von einem Gigapascal auf bis zu knapp 24 Gigapascal – das entspricht ungefähr dem 240.000-fachen des normalen Luftdrucks. Von solchen Verhältnissen bleiben selbst Gesteine und Minerale nicht unberührt. Wegen des hohen Drucks können sie nicht schmelzen, aber ihre Atome gehen den Weg des geringsten Widerstands: Sie lagern sich mit steigender Tiefe zu immer platzsparenderen und damit stabileren Kristallanordnungen an.

Dünnschliff von Gabbro mit Olivin, dem häufigsten Mantelmineral. © CC-by-sa 3.0

Umschichtaktionen im Mineral

Dass dies tatsächlich so ist, lässt sich mit seismischen Wellen nachweisen. Denn immer dann, wenn ein Mineral eine solche Umwandlung durchmacht, man spricht hier von einem Phasenübergang, verändert sich die Dichte des Gesteins und damit auch das Verhalten der Wellen. Daher weiß man, dass sich Olivin, das Mineral, das einen Großteil des oberen Mantels ausmacht, schon in 410 Kilometern Tiefe in eine andere, kompaktere Atomanordnung, das Wadsleyit, umwandelt. Gut hundert Kilometer tiefer macht dieses erneut eine Phasentransformation zum so genannten Ringwoodit durch.

Der Übergang zum unteren Mantel

Dann schließlich, in 660 Kilometern Tiefe, folgt erneut eine deutliche Diskontinuität, erkennbar an einer plötzlichen Beschleunigung seismischer Wellen. Hier zerfällt das Ringwoodit in zwei neue Mineralformen, als Perovskit und Ferroperiklas bezeichnet. Auch die anderen von der Erdoberfläche her bekannten Gesteine nehmen nun eine neue, kompaktere Struktur an, um sich den gewaltigen Drücken anzupassen.

Diese Umwandlungszone markiert den Beginn des unteren Mantels. In den gut 2.000 Kilometern bis zur Grenze des Erdkerns wird es nun noch einmal um mehrere Größenordnungen ungemütlicher: Der Druck steigt von rund 24 allmählich bis aufgewaltige 120 Gigapascal an – mehr als das millionenfache der Erdatmosphäre. Und die Temperaturen heizen sich von rund 1.000 auf bis zu 3.500°C auf.

Spinverhalten des Eisens in der Übergangszone © LLNL

Die Sache mit dem Spin

Ab einer Tiefe von rund 1.000 Kilometern beginnt selbst das hier immer häufiger werdende Eisen seinen Zustand zu ändern: Einige Elektronen des Eisenatoms bilden nun Paare. Je nachdem, ob bei diesen Paaren der Spin, die Eigendrehung der Elektronen, in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung zeigt, ändern sich auch wichtige Eigenschaften des eisenhaltigen Materials wie Dichte, Leitfähigkeit und Durchlässigkeit für seismische Wellen.

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Bis vor kurzem vermutete man, dass sich diese Spin-Übergangszone nur auf einen kleinen Bereich begrenzt. Doch 2007 belegten Wissenschaftler des amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory in einer „Science“-Veröffentlichung das Gegenteil: In Laborversuchen, bei denen die Bedingungen des unteren Mantels in kleinstem Maßstab nachgebildet wurden, zeigte sich, dass die Spin-Übergangszone viel ausgedehnter ist als angenommen. Über einen weiten Temperatur- und Druckbereich, der Bedingungen in 1.000 bis 2.200 Kilometern Tiefe entspricht, existierten beide Elektronenzustände gemeinsam. Da die Spin-Übergangszone auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit für seismische Wellen verändert, beeinflusst dies auch die über solche Wellendaten gewonnenen Modelle vom inneren Aufbau unseres Planeten.

Temperatursprung an der D''-Schicht © CC-by-sa 3.0

Am Übergang zum Kern

Noch weiter unten, jenseits der 2.600 Kilometer-Marke beginnt der Übergangsbereich zwischen unterem Mantel und Erdkern. Hier mischen sich immer mehr Eisen und Nickel unter das Mantelgestein. Gleichzeitig steigen die Temperaturen innerhalb dieser nur rund 200 bis 300 Kilometer dicken Schicht gleich um tausend Grad an. Dadurch wirkt dieser Bereich als thermische Grenzschicht. Auch die Dichte steigt von rund fünf Gramm pro Kubikzentimeter auf mehr als das Doppelte.

Identifiziert wurde diese so genannte D´´(D-zwei Strich)-Zone erst vor einigen Jahren. Während der darüber liegende Mantelbereich auch im seismischen Wellenbild sehr homogen erscheint, treten in dieser Überganszone starke Schwankungen der Laufzeiten auf, die Geoforscher als Hinweise für Turbulenzen und wirbelnde Strömungen werten. Hier haben nach heutiger Vorstellung auch die Plumes und möglicherweise auch die Superplumes ihren Ursprung.

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Nadja Podbregar
Stand: 06.08.2010

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Reise zum Mittelpunkt der Erde
Neues aus dem Inneren unseres Planeten

„Erdkartoffel“ verrät Krustenvorgänge
Schwerkraftmessungen blicken auch unter die Oberfläche

Wellen als Hörrohr in die Tiefe
Was seismische Wellen über die Beschaffenheit des Erdinneren verraten

Dünne Haut mit „Pickeln“
Blick in die Erdkruste

Motor mit Überraschungen
Der Erdmantel und die Plattentektonik

Die Sache mit den Superplumes
Gibt es zwei Riesen-Aufstiegszonen im Erdmantel?

Kompakt ist Trumpf
Einmal vom oberen Mantel bis zur Kerngrenze

Wirbel im Metallbad
Was das Magnetfeld über den Erdkern verrät

Eisen in „Atomium“-Struktur
Superkompakte Atompackung im Inneren Erdkern

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