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Erde kühlt schneller ab als gedacht

Messung zeigt höhere Wärmeleitfähigkeit für Mineral der Kern-Mantel-Grenze

Erdinneres
Der Erdkern verliert mehr Hitze an den Erdmantel als zuvor angenommen – er kühlt dadurch schneller aus. © Rost-9D/ Getty images

Schleichender Wärmeverlust: Aus dem heißen Erdkern dringt mehr Wärme nach außen als gedacht – als Folge kühlt unser Planet schneller aus. Indizien dafür liefert die Wärmeleitfähigkeit des an der Kern-Mantel-Grenze dominierenden Minerals Bridgmanit. Neuen Messungen zufolge liegt sie 1,5-Mal höher als bislang angenommen, weswegen das Mineral mehr Wärme aus dem Erdkern in den Erdmantel dringen lässt.

Die Wärme des Erdinneren ist ein wichtiger Motor unseres Planeten. Denn sie treibt geologische Prozesse wie Plattentektonik, Gebirgsbildung und Vulkanismus an, hält aber auch den Geodynamo des irdischen Magnetfelds am Laufen. Ohne diese Prozesse wäre die Erde weit weniger lebensfreundlich und heute möglicherweise ähnlich tot wie Mond oder Mars.

Wärmeverlust aus dem Erdkern

Doch das gewaltige, größtenteils im Erdkern liegende Wärmereservoir ist nicht unerschöpflich: Ständig dringt Wärme vom Erdkern in den Erdmantel und weiter nach außen – als Folge kühlt die Erde allmählich aus. „Das wirft die Frage auf, wie schnell die Erde Wärme verliert und damit verbunden, wie lange sie noch dynamisch aktiv bleiben kann“, erklären Motohiko Murakami von der ETH Zürich und seine Kollegen.

Für die Antwort entscheidend ist die Kern-Mantel-Grenze tief im Inneren unseres Planeten. Denn dort stößt die heiße, flüssige Eisen-Nickel-Schmelze des äußeren Erdkerns direkt an das rund tausend Grad kühlere, zähflüssige Mantelgestein. „Dies ist wegen ihres steilen Temperaturgradienten die größte thermische Grenze der Erde“, erklären die Forscher. Diese Grenze bestimmt daher zum großen Teil, wie viel Hitze aus dem Erdkern nach außen dringen kann – und wie viel Wärme die Erde insgesamt verliert.

Wie viel Hitze lässt Bridgmanit durch?

Das Problem jedoch: Bisher war strittig, wie gut Bridgmanit, das dominierende Mineral an der Kern-Mantel-Grenze, die Wärme leitet. Denn um seine Wärmeleitfähigkeit zu messen, müssen Druck und Temperaturen denen der unteren Mantelgrenze entsprechen – und die Messsysteme müssen diese extremen Bedingungen aushalten. Dem Team um Murakami ist es nun jedoch gelungen, ein solches Messsystem zu entwickeln.

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Stempelzelle
Die Messung erfolgte in einer Diamantstempelzelle, um den nötigen Druck zu erzeugen. © Murakami et al., 2021

Für ihre Messungen erzeugten die Forscher zunächst unter Hochdruck und Hitze hochreine, einkristalline Bridgmanit-Kristalle. Jeweils einen davon platzierten sie in einer Diamantstempelzelle und setzten sie dem Druck von 80 Gigapascal aus. Mithilfe eines Lasers heizten sie die Kristallprobe nun allmählich bis auf rund 2.200 Grad auf. Ein spezielles Spektroskop zeichnete währenddessen die vom Kristall ausgehende Strahlung auf – sie verrät Hitze, Wärmefluss und Zustand des Kristallgitters.

Grenze durchlässiger als gedacht

Das Ergebnis: Die radiative Wärmeleitfähigkeit des Bridgemanits – die Weitergabe von Strahlungshitze – liegt bei rund 5,3 Watt pro Meter und Kelvin (W/mK). Zusammen mit der vom Kristallgitter abhängigen Wärmeleitfähigkeit ergibt sich daraus eine Gesamt-Wärmeleitfähigkeit des Minerals von annähernd 15,2 W/mK, wie Murakami und sein Team ermittelten. Demnach leitet das Bridgmanit die Wärme 1,5-mal besser als bislang aufgrund geophysikalischer Modelle angenommen.

Das aber bedeutet, dass die Kern-Mantel-Grenze deutlich mehr Wärme nach außen durchlässt als gedacht. Wenn aber der Erdkern mehr Wärme an den Erdmantel abgibt, kühlt das Erdinnere auch schneller aus. Denn im Mantel sorgen starke Konvektionsströmungen dafür, dass die Wärme schnell weiter an die Oberfläche transportiert wird und dort verloren geht. Unser Planet könnte demnach schneller auskühlen als vermutet.

Was bedeutet dies für die Zukunft der Erde?

„Unsere Ergebnisse könnten uns eine neue Perspektive auf die Entwicklung der Dynamik der Erde eröffnen“, sagt Murakami. „Sie deuten darauf hin, dass die Erde wie die anderen Gesteinsplaneten Merkur und Mars viel schneller als erwartet auskühlt und inaktiv wird.“ Als Folge werden die Plattentektonik und damit die Drift der Kontinente früher erlahmen, aber auch die Gebirgsbildung und der Vulkanismus. Denn diese Prozesse werden vom Wärmegradienten des Erdmantels und seinen Konvektionsströmungen angetrieben.

Wie lange es jedoch dauern wird, bis beispielsweise die Konvektionsströme im Mantel zum Stillstand kommen werden, können die Wissenschaftler nicht vorhersagen. „Solche Ereignisse zeitlich einzugrenzen, ist mit dem aktuellen Stand des Wissens nicht möglich“, sagt Murakami. Denn dafür spielt auch der der Zerfall radioaktiver Elemente im Erdinneren und der genaue Mechanismus der Mantelkonvektion eine Rolle. Beides ist aber bislang erst in Teilen aufgeklärt. (Earth and Planetary Science Letters, 2022; doi: 10.1016/j.epsl.2021.117329)

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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