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Dieser Teilchenstrom hätte die Erdatmosphäre möglicherweise im Laufe der Zeit erodiert, wenn das Magnetfeld nicht existierte. Sonneneruptionen verursachen magnetische Stürme auf der Erde. Während solcher Stürme ist die Telekommunikation oft gestört, im Extremfall kann die Stromversorgung zusammenbrechen und Satelliten können abstürzen. Die Abschwächung des Erdmagnetfeldes, die gegenwärtig vor allem über dem Südatlantik zu beobachten ist, wird das Risiko für solche Zwischenfälle in Zukunft weiter erhöhen. Prinzipiell kann das Erdmagnetfeld auch das Klima beeinflussen, da geladene Partikel aus dem Sonnenwind oder aus dem Kosmos Kondensationskeime für Wolken bilden können. Diese Zusammenhänge sind aber quantitativ noch wenig untersucht.

Das Erdmagnetfeld wird durch Konvektionsströmungen im geschmolzenen äußeren Eisenkern erzeugt. In den letzten Jahren hat es große Fortschritte in der numerischen Modellierung des Geodynamos gegeben. In einigen Modellen konnten wesentliche Kennzeichen des Erdmagnetfeldes nachgebildet werden. Hierzu gehören spontane Umpolungen des Erdmagnetfeldes, wie sie in der geologischen Vergangenheit häufig aufgetreten sind. Die numerischen Modelle können die Bedingungen im Erdkern allerdings nicht realistisch abbilden. Die Ursache dafür liegt darin, dass geschmolzenes Nickel-Eisen möglicherweise so dünnflüssig ist wie Wasser. Dies verursacht Turbulenz auf sehr kleinen Skalen bis in den Meter-Bereich. Realistische Modelle des Geodynamos müssten daher die Konvektion im Erdkern und ihre Wechselwirkung mit dem Magnetfeld auf Skalen von einem Meter bis über tausend Kilometer modellieren, was weit jenseits der Rechenkapazität heutiger Supercomputer liegt.

Ein einfaches Modell des Geodynamos. Rote und blaue Bereiche repräsentieren zyklonale und antizyklonale Wirbel in der Strömung des Kerns. Einige Feldlinien illustrieren den Verlauf des Magnetfelds im Inneren des Kerns. Deren Dicke entspricht der lokalen magnetischen Feldstärke. (Quelle: Johannes Wicht, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau)

Der innere Erdkern ist fest. Das ist eine Folge der langsamen Abkühlung der Erde. Die seismisch beobachtete Dichte des äußeren Kerns ist etwa zehn Prozent geringer, als es für eine reine Eisen-Nickel-Legierung zu erwarten wäre. Der äußere Kern muss daher einige Prozent eines leichten Elements enthalten, wobei vor allem Sauerstoff und Silizium, aber auch Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff in Frage kommen. Bei der Kristallisation des inneren Kerns bleibt dieses leichte Element größtenteils in der Schmelze zurück. Die flüssige Restschmelze hat daher ein geringes spezifisches Gewicht und steigt nach oben. Diese chemische Trennung treibt wahrscheinlich die Strömung im flüssigen Teil des Kerns an. Es ist daher wichtig herauszufinden, wie alt der innere Kern ist und ob sich die Natur des Erdmagnetfeldes seit seiner Entstehung geändert hat. Den meisten Modellen zufolge ist der innere Kern ein bis zwei Milliarden Jahre alt.

Untersuchungen in den vergangenen Jahren haben gezeigt, dass der innere Kern seismisch anisotrop ist: Wie schnell sich Erdbebenwellen im inneren Kern ausbreiten, hängt von ihrer Richtung ab. Dies deutet darauf hin, dass die Eisen-Nickel-Kristalle sich vorzugsweise in eine bestimmte Richtung orientieren. Einer Theorie zufolge könnte dieses Phänomen seine Ursache in der Konvektion des Erdmantels haben. Wenn sich kalte, abtauchende tektonische Platten an der Kern-Mantel-Grenze ansammeln, so ist der Wärmefluss vom Kern in den Mantel an dieser Stelle besonders hoch. Das führt zu einem schnellen Wachstum des inneren Kerns in bestimmten Bereichen. Die Feinstruktur des inneren Kerns enthält daher möglicherweise Informationen über Plattenbewegungen in der ­geologischen Vergangenheit.

Die meisten Modelle zur thermischen Entwicklung der Erde nehmen an, dass der Wärmeverlust der Erde größtenteils durch radioaktiven Zerfall von 40K, 235U, 238U und 232Th kompensiert wird. Andernfalls würde der Erdmantel sich schnell abkühlen und erstarren, da seine Viskosität stark von der Temperatur abhängt. Die Mantelkonvektion und die Plattentektonik kämen zum Stillstand. Geochemische Modelle der Zusammensetzung des Mantels deuten aber darauf hin, dass radioaktive Elemente weniger Wärme produzieren als erforderlich. Diese Diskrepanz ist erklärbar, wenn man annimmt, dass sich merkliche Mengen von radioaktivem 40K im Kern befinden. Aufgrund der Ergebnisse neuerer Hochdruckexperimente sowie quantenmechanischer Berechnungen erscheint dies grundsätzlich möglich. Direkte Messungen der radioaktiven Wärmeproduktion im Erdinneren sind seit kurzem durch die Beobachtung von „Geoneutrinos“ möglich. Das sind Elektronen-Antineutrinos, die als Nebenprodukte des radioaktiven Zerfalls im Erdinneren entstehen. Geoneutrinos werden von der Materie praktisch nicht absorbiert und können daher an der Erdoberfläche gemessen werden. Die bisherigen Beobachtungen haben allerdings noch sehr hohe Unsicherheiten.

Verbesserte paläomagnetische Daten werden insbesondere für die Frühgeschichte der Erde vor mehr als zwei Milliarden Jahren benötigt. Diese Daten sollen zeigen, ob sich die Eigenschaften des Geodynamos durch die Bildung des inneren Kerns grundsätzlich geändert haben. Um den derzeitigen Zustand des Geodynamos besser zu verstehen und die Entwicklung des Erdmagnetfeldes vorhersagen zu können, sind hochgenaue Messungen der Magnetfeldänderungen mit speziellen Satelliten notwendig, wie es zum Beispiel in der geplanten SWARM-Mission vorgesehen ist.

Um realistischere Modelle des Geodynamos zu entwerfen, die zuverlässige Vorhersagen der Feldentwicklung erlauben, sind verschiedene Strategien denkbar. In absehbarer Zukunft wird es nicht ausreichen, hierfür einfach die Rechenkapazität zu erhöhen. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, Skalierungsgesetze zu untersuchen, die über viele Größenordungen hinweg beschreiben, wie die Eigenschaften des Geodynamos von der Wahl der Eingangsparameter abhängen. Zusätzlich müssen die Eigenschaften von flüssigem Eisen, etwa Viskosität, elektrische und thermische Leitfähigkeit, unter hohem Druck untersucht werden. Experimentelle Ansätze hierfür sind gegenwärtig kaum zu erkennen, quantenmechanische Modelle könnten aber möglicherweise die benötigten Daten liefern. Eine Annäherung der Modelle an realistische Parameter ist ebenfalls unverzichtbar, um den Energiebedarf des Geodynamos abschätzen zu können.

Was ist das leichte Element im Erdkern? Zur Beantwortung dieser Frage werden experimentelle Daten darüber benötigt, wie sich Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff zwischen einer Silikat- und einer Metallschmelze sowie zwischen festem und geschmolzenem Eisen-Nickel-Metall verteilen. Um derartige Experimente unter Druck- und Temperatur-Bedingungen durchführen zu können, wie sie realistisch für den Erdkern sind, müssen bestehende experimentelle und analytische Techniken weiterentwickelt werden. Zusätzlich werden experimentelle Daten über die Dichte von flüssigem Eisen mit veränderlichen Anteilen leichter Elemente benötigt. Derartige Daten können prinzipiell durch die Messung von Röntgenabsorptions-Koeffizienten in Diamantstempel-Zellen gewonnen werden.

Eine wesentlich verbesserte seismische Datenbasis ist notwendig, um einen möglichen Lagenbau des inneren Kerns und die Verteilung der seismischen Anisotropie in verschiedenen Lagen zuverlässig bestimmen zu können. Diese Daten würden möglicherweise die Rekonstruktion der Mantelkonvektion in der geologischen Vergangenheit erlauben.

Mögliche Struktur und Elektronendichteverteilung einer Eisen-Kalium-Legierung im inneren Erdkern aufgrund von quantenmechanischen ab-initio-Berechnungen (Quelle: Gerd Steinle-Neumann, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)