Barysphäre

Der Erdkern ist die Materie im und um den Mittelpunkt der Erde. Aufgrund der Ausbreitung von Erdbebenwellen im Erdinneren kann man den Erdkern vom ihn umgebenden Erdmantel abgrenzen.

Aufbau und Eigenschaften

Der Erdkern unterteilt sich in den festen inneren Erdkern aus einer Eisen-Nickel-Legierung^[1] und dem flüssigen äußeren Erdkern. Der innere Erdkern mit einem Durchmesser von 2600 km ist etwa 6.700 °C heiß (rund 900 K heißer als die Oberfläche unserer Sonne). Er vergrößert sich im Laufe der Zeit durch Auskristallisierung aus dem äußeren Erdkern. Dort befindet sich eine etwa 2900 °C heiße, schnell fließende Nickel-(Ni)-Eisen-(Fe)-Legierung (daher die Abkürzung NiFe). Die Konvektion des äußeren Erdkernes verursacht das Hauptfeld des irdischen Magnetfeldes.

Zusammensetzung

Im Gegensatz zum Erdmantel und zur Erdkruste besteht der Kern der Erde aus Eisen, Nickel und einigen anderen Metallen. Daneben sind in Spuren auch Schwefel, Sauerstoff und andere Elemente enthalten. Der Erdkern besteht aus einem flüssigen äußeren und einem (aufgrund des extrem hohen Druckes) festen inneren Kern und hat mit einer Masse von 1,88 · 10²⁴kg einen relativen Massenanteil von rund 31,5 % an der Gesamtmasse der Erde.

Zusammensetzung des Erdkerns in Massenprozent

Element	Anteil
Eisen	79,4
Silizium	7,4
Nickel	4,9
Sauerstoff	4,1
Schwefel	2,3
Summe	98,1

Erforschung

Eine direkte Untersuchung des Erdkerns ist nicht möglich. Es gibt jedoch einige indirekte Hinweise, aus denen Schlüsse über den Erdkern gezogen werden können:

• Statistische Mechanik: Die statistische Mechanik erlaubt Rückschlüsse von den mikroskopischen Eigenschaften der Teilchen auf das makroskopische Verhalten des betreffenden Materials. Die Bedingungen des Erdkerns, wie extremer Druck und extreme Temperatur, können im Labor nicht oder nur sehr schwer zum Experimentieren erzeugt werden. Die statistische Mechanik liefert theoretische Anhaltspunkte für die Materialeigenschaften unter solchen Bedingungen.

• Das Magnetfeld der Erde weist darauf hin, dass es im Erdinneren elektrisch leitendes Material geben muss (Fluid). Theorien über einen Geodynamo, der das Erdmagnetfeld erzeugt, enthalten in der Regel Annahmen über Eigenschaften des Erdkerns. Andererseits kann aus elektromagnetischen Messungen am Erdmagnetfeld und mit sehr langwelligen Radiowellen auf Eigenschaften des Erdinneren und des Erdkerns geschlossen werden.

• Gesteine der Erdkruste und des Erdmantels haben Dichten zwischen 2,5 und 4 g/cm³. Für den gesamten Erdkörper ergibt sich jedoch eine Dichte von etwa 5,5 g/cm³. Daraus ergibt sich, dass es im Erdinneren Bereiche mit wesentlich höherer Dichte geben muss.

• Eisenmeteoriten sind aus den metallischen Kernen von differenzierten Asteroiden entstanden, also solchen, die ähnlich der Erde aus einem eisenreichen Kern und einem Mantel aus Gestein aufgebaut waren. Diese wurde nach heutigen Vorstellungen nach ihrer Entstehung durch Kollisionen zertrümmert.

• An der Grenze zwischen Erdmantel und äußerem Erdkern werden Scherwellen in den Erdmantel reflektiert und teilweise in Kompressionswellen umgewandelt. Ähnliches gilt für die Grenze zwischen äußerem und innerem Erdkern. Da Flüssigkeiten keinen Scherwiderstand haben, können sich Scherwellen in ihnen nicht ausbreiten. Diese Überlegung führt über mehrere Stufen zu der Möglichkeit, dass der innere Erdkern fest sein könnte.

• Longitudinalwellen (Kompressions- bzw. Verdichtungswellen oder auch P-Phasen genannt) passieren die Grenze zum Erdkern (Kern-Mantel-Grenze) und werden dort gebrochen. Der Erdkern wirkt für P-Phasen, die von einer seismischen Quelle (zum Beispiel Erdbeben oder Explosionen) ausgehen, wie eine Linse die zu einem Brennkreis in zirka 145° Entfernung vom Epizentrum führt. Da der Erdkern alle direkten P-Phasen zwischen einer Entfernung von 100° bis 145° durch diesen Effekt ablenkt, bildet sich hier der so genannte Kernschatten. In diesem Kernschatten kann man noch anderen Kernphasen messen z.B. die PKiKP Phase, welche am inneren Erdkern reflektiert wird. Durch die Entdeckung dieser Phase wurde 1936 von Inge Lehmann die Existenz des inneren Erdkerns nachgewiesen.

• Superrotation: Erdbebenwellen verschiedener Erdbeben vom selben Entstehungsort, die durch den Erdkern laufen, werden mit wachsendem Zeitabstand immer unterschiedlicher im Erdkern abgelenkt (unterschiedlicher Ankunftspunkt auf der gegenüberliegenden Erdseite). Die Ablenkungsunterschiede kommen sehr wahrscheinlich von Inhomogenitäten des inneren festen Kerns, die durch eine leicht schnellere Drehung des Kerns ihren Ort ändern. Aus diesen Analysen ergibt sich, dass der innere Erdkern 0,3 bis 0,5 Grad pro Jahr schneller als der Erdmantel und die Erdkruste rotiert. Damit macht er zirka innerhalb von 900 Jahre eine zusätzliche Drehung. Die Energie dafür liefern vermutliche elektromagnetische Kräfte des Geodynamos im äußeren Erdkern.

Einzelnachweise

1. ↑ uni-bayreuth.de: Kristallstruktur des Erdkerns