„Wenn du jemals deine Schlüssel in einen Fluss aus geschmolzener Lava fallen lässt, lass sie los, denn, Mann, sie sind weg.“ -Jack Handey
Schauen Sie sich unseren Heimatplaneten, die Erde, an, und eines der Dinge, die Ihnen auffallen werden, ist, dass über 70% der Oberfläche mit Wasser bedeckt sind.
Warum das so ist, wissen wir natürlich alle: Weil die Ozeane der Erde auf den Felsen und der Erde schwimmen, die das bilden, was wir als Land kennen.
Dieses Konzept des Schwebens und des Auftriebs – bei dem sich die weniger dichten Objekte über die dichteren erheben, die auf den Boden sinken – erklärt nicht nur die Ozeane.
Dieses gleiche Prinzip erklärt, warum Eis auf Wasser schwimmt, warum ein Heliumballon durch die Atmosphäre aufsteigt oder warum Steine auf den Grund eines Sees sinken, wobei letzteres daran liegt, dass das weniger dichte Wasser um den Stein herum aufsteigt. Das gleiche Prinzip – der Auftrieb – erklärt auch, warum die Erde so geschichtet ist, wie sie ist.
Der am wenigsten dichte Teil der Erde, die Atmosphäre, schwimmt auf den wasserreichen Ozeanen, die wiederum auf der Erdkruste schwimmen, die über dem dichteren Erdmantel liegt, der wiederum nicht in den dichtesten Teil der Erde, den Erdkern, hinabsinken kann.
Der stabilste Zustand, in dem sich die Erde befinden könnte, wäre ein perfekt geschichteter, wie eine Zwiebel, bei dem die dichtesten Elemente alle zum Zentrum hin liegen und jede äußere Schicht nach und nach aus weniger dichten Elementen besteht. Tatsächlich ist jedes Erdbeben auf der Erde ein winziger Schritt, der den Planeten diesem Idealzustand näher bringt, da sich unsere Rotationsgeschwindigkeit nach jedem Beben leicht erhöht.
Und dieses Bild unserer Welt, geschichtet nach Dichte mit weniger dichten Schichten, die die immer dichteren, inneren umgeben, erklärt nicht nur die Struktur der Erde, sondern aller Planeten. Wir müssen uns nur daran erinnern, wo all diese Elemente ursprünglich herkamen.
Als das Universum noch sehr jung war – nur wenige Minuten alt – existierten praktisch nur die Elemente Wasserstoff und Helium. Alle schwereren Elemente wurden in Sternen hergestellt, und erst als diese Sterne starben, wurden diese schweren Elemente wieder ins Universum zurückgeführt, so dass sich neue Generationen von Sternen bilden konnten.
Aber dieses Mal bildet eine Mischung all dieser neuen Elemente – nicht nur Wasserstoff und Helium, sondern auch Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Magnesium, Schwefel, Eisen und mehr – nicht nur neue Sterne, sondern auch eine protoplanetare Scheibe um jeden dieser Sterne.
Der Außendruck des sich neu bildenden Sterns drückt bevorzugt die leichteren Elemente in Richtung der äußeren Teile des Sonnensystems, während die Schwerkraft Instabilitäten in der Scheibe verursacht, die kollabieren und das bilden, was zu Planeten wird.
Im Fall unseres Sonnensystems sind die vier innersten Welten die vier dichtesten Planeten in unserem Sonnensystem, wobei Merkur aus den dichtesten Elementen besteht. Alle vier waren nicht in der Lage, die großen Mengen an Wasserstoff und Helium, mit denen sie sich bildeten, durch ihre Schwerkraft festzuhalten, was sie daran hinderte, Gasriesen zu werden wie die anderen vier Planeten unseres Sonnensystems.
Die äußeren Planeten jedoch, die sowohl massereicher als auch weiter von der Sonne entfernt sind (und daher weniger Strahlung erhalten), konnten große Mengen dieser ultraleichten Elemente festhalten und bildeten Gasriesen.
Auf jeder dieser Welten sind – ähnlich wie auf der Erde – die dichtesten Elemente im Kern konzentriert, während die leichteren Elemente nach und nach immer weniger dichte Schichten um sie herum bilden.
Es dürfte keine große Überraschung sein, dass Eisen, das stabilste und schwerste Element, das außerhalb von Supernovae in großer Menge vorkommt, das am häufigsten vorkommende Element im Erdkern ist. Aber es mag Sie überraschen zu erfahren, dass zwischen dem festen inneren Kern und dem festen Erdmantel eine flüssige Schicht liegt, die mehr als 2.000 Kilometer dick ist: der äußere Erdkern.
Gleich dem ekligen Kaugummi, den deine Oma immer mit sich herumtrug, hat die Erde eine riesige flüssige Schicht in ihrem Inneren, die ganze 30 Prozent der Masse unseres Planeten enthält! Die Art und Weise, wie wir wissen, dass der äußere Kern flüssig ist, ist ziemlich genial: durch die seismischen Wellen, die bei Erdbeben entstehen!
Es gibt zwei verschiedene Arten von seismischen Wellen, die bei Erdbeben erzeugt werden: die primäre Kompressionswelle, die so genannte P-Welle, die wie ein Puls durch einen Slinky wirkt,
und die sekundäre Scherwelle, bekannt als S-Welle, die sich wie Wellen auf der Meeresoberfläche ausbreitet.
Beide Wellen breiten sich in einer kugelförmigen Schale von ihrem Ursprungspunkt auf der Erde aus und treffen nicht nur auf die Oberfläche in der Nähe ihres Epizentrums, sondern auf der ganzen Welt! Seismische Überwachungsstationen auf der ganzen Welt sind so ausgerüstet, dass sie sowohl P- als auch S-Wellen auffangen können, aber S-Wellen breiten sich nicht durch Flüssigkeit aus (sie werden allerdings abgeschwächt), während P-Wellen nicht nur durch Flüssigkeit laufen, sondern auch gebrochen werden!
Aus diesem Ergebnis können wir lernen, dass die Erde einen flüssigen äußeren Kern, einen festen Mantel außerhalb davon und einen festen Kern im Inneren hat! Daher hat die Erde die schwersten und dichtesten Elemente in ihrem Kern, und daher wissen wir, dass ihr äußerer Kern eine flüssige Schicht ist.
Aber warum ist der äußere Kern flüssig? Wie bei allen Elementen hängt es sowohl vom Druck als auch von der Temperatur des Eisens ab, ob es fest, flüssig, gasförmig oder „anders“ ist.
Eisen ist jedoch viel komplizierter als viele Elemente, die Sie vielleicht kennen. Sicher, es kann eine Vielzahl von kristallinen festen Phasen annehmen, wie oben gezeigt, aber wir sind nicht an diesen normalen Drücken interessiert, die in den Diagrammen oben gezeigt werden. Wir gehen den ganzen Weg hinunter in den Erdkern, wo der Druck nicht nur ein paar Mal (oder sogar ein paar Hundert Mal) so hoch ist wie der atmosphärische Druck, an den wir gewöhnt sind, sondern Millionen Mal so hoch wie auf Meereshöhe. Wie sieht das Phasendiagramm bei einem solchen Überdruck aus?
Das Wunderbare an der Wissenschaft ist, dass selbst wenn man die Antwort nicht auf Anhieb weiß, die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass jemand geforscht hat, wo man die Antwort finden kann! In diesem Fall haben Ahrens, Collins und Chen, 2001 die Antwort, nach der wir suchen!
Während dieses Diagramm enorme Drücke zeigt – bis zu 120 GigaPascal – ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass unsere Atmosphäre nur 0,0001 GigaPascal hat, während im inneren Kern Drücke von geschätzten 330-360 Gpa herrschen! Die oberste durchgezogene Linie stellt die Grenze zwischen geschmolzenem Eisen (oberhalb der Linie) und festem Eisen (unterhalb der Linie) dar. Aber beachten Sie, dass sie genau am Rand der durchgezogenen Linie eine scharfe Kurve nach oben macht…
Bei 330 GigaPascal ist eine enorme Temperatur erforderlich, vergleichbar mit der an der Oberfläche der Sonne, um Eisen zu schmelzen. Bei denselben Temperaturen und niedrigerem Druck bleibt Eisen jedoch leicht in seiner flüssigen Phase, während es bei höherem Druck zu einem festen Zustand wird. Was bedeutet das für den Kern der Erde?
Die höchste Temperatur, die unser Planet – im Zentrum der Erde – erreicht, liegt bei knapp unter 6.000 Kelvin, während die Schmelztemperatur von Eisen an der Grenze zwischen innerem und äußerem Kern nach jüngsten Schätzungen ebenfalls in der Nähe dieses Wertes liegt.
Aber jetzt kommt der Clou: Die Erde kühlt sich mit der Zeit ab, da ihre Wärme schneller in den Weltraum abgestrahlt wird, als sie ihre eigene Wärme aus dem radioaktiven Zerfall erzeugt. Im Inneren der Erde sinkt die Temperatur, während der Druck konstant bleibt.
Mit anderen Worten: Als sich die Erde zuerst bildete, war sie heißer; es ist sehr wahrscheinlich, dass der gesamte Kern einst flüssig war, und während sie weiter abkühlt, wächst der innere Kern weiter! Da festes Eisen eine höhere Dichte als flüssiges Eisen hat, zieht sich die Erde leicht zusammen, was zur Folge hat, dass…
Mehr Erdbeben!
Der Erdkern ist also flüssig, weil er heiß genug ist, um Eisen zu schmelzen, aber nur dort, wo der Druck niedrig genug ist. Wenn die Erde weiter altert und abkühlt, wird immer mehr vom Kern fest, und wenn das geschieht, schrumpft die Erde ein wenig!
Wenn wir weit in die Zukunft schauen wollen, können wir erwarten, dass wir irgendwann Merkmale wie die großen Narben auf dem Merkur bekommen!
Da der Merkur so klein ist, hat er sich bereits stark abgekühlt und zusammengezogen und weist hunderte von Kilometern lange Risse auf, durch die er sich aufgrund dieser Abkühlung zusammenziehen musste!
Warum hat die Erde also einen flüssigen Kern? Weil sie sich noch nicht vollständig abgekühlt hat! Und jedes Erdbeben, das du spürst, ist die Erde, die ihrem endgültigen, abgekühlten, durch und durch festen Zustand ein kleines Stückchen näher kommt!
(Aber keine Sorge, die Sonne wird explodieren und du und alle, die du kennst, werden für eine sehr lange Zeit tot sein, bevor das passiert!)
