Erdkern

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Der Erdkern ist die Materie im und um den Mittelpunkt der Erde. Die Ausbreitung von Erdbebenwellen im Erdinneren zeigt, dass er aus einem flüssigen äußeren und einem festen inneren Teil besteht. Er macht nur etwa ein Sechstel des Volumens, aber ein Drittel der Masse des Planeten aus. Im Gegensatz zum ihn umgebenden mineralischen Erdmantel besteht er überwiegend aus Eisen. Konvektive Strömungen im äußeren Mantel bewirken in Verbindung mit der Erdrotation elektrische Ströme und damit das Erdmagnetfeld.

Aufbau und Eigenschaften

Der innere Erdkern mit einem Durchmesser von 2600 km ist etwa 6.700 °C heiß. Er vergrößert sich im Laufe der Zeit durch Auskristallisierung aus dem äußeren Erdkern, einer 2.200 km dicken Schicht, in der die Temperatur nach außen bis auf etwa 2.900 °C abfällt.

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. Nach dem PREM hat er eine Masse von 1,94 · 10²⁴ kg und somit einen relativen Massenanteil von etwa 32,5 % an der Gesamtmasse der Erde.

Zusammensetzung des Erdkerns in Massenprozent

Element	Anteil
Eisen	79,4
Silicium	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. Aus Fluktuationen des Erdmagnetfelds und Messungen mit sehr niederfrequenten Radiowellen kann zudem auf eine geringe, tiefenabhängige elektrische Leitfähigkeit des Mantels 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 wurden 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 andere 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 innerhalb von ca. 900 Jahren eine zusätzliche Drehung. Die Energie dafür liefern vermutliche elektromagnetische Kräfte des Geodynamos im äußeren Erdkern.

Literatur

• Martin Okrusch, Siegfried Matthes: Mineralogie. Springer 2005, ISBN 9783540238126, S. 422 (eingeschränkte Online-Version in der Google Buchsuche)

Weblinks

• Erdkern auf wissenschaft-online.de
• Erdkern auf geologieinfo.de
• Das tiefe Erdinnere auf geokommission.de