Als der bahnbrechende Science-Fiction-Autor Jules Verne 1864 „Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ schrieb, wusste er wahrscheinlich, dass seine Geschichte reine Fantasie war. Vernes Figuren schafften es nur ein paar Kilometer in die Tiefe, aber die Idee, dass irgendjemand auch nur daran denken könnte, zum Erdkern zu reisen, war schon vor der viktorianischen Zeit verworfen worden.
In der Tat ist die weiteste Bohrung, die wir bis heute in die Erde vorgenommen haben, etwa 12 km tief, während die Entfernung zum Mittelpunkt der Erde mit 6.370 km mehr als 500 Mal so groß ist.
Woher wissen wir also, was darunter liegt? Herauszufinden, was sich im Inneren unseres Planeten befindet, ist ein großartiges wissenschaftliches Rätsel.
Woher wissen wir, dass die Erde rund ist?
Die Vorstellung, dass die Erde einen bedeutungsvollen Mittelpunkt hat, geht Hand in Hand mit der Form des Planeten als Kugel, und wir wissen schon lange, dass wir nicht auf einer Scheibe leben.
Es ist ein Mythos, dass die Menschen des Mittelalters glaubten, die Erde sei flach – das ist in Wirklichkeit eine Mischung aus antireligiöser Propaganda aus dem viktorianischen Zeitalter und einer Fehlinterpretation der stilisierten Karten dieser Zeit.
Vor über 2.200 Jahren hat der griechische Universalgelehrte Eratosthenes die erste Messung der Entfernung um die Erdkugel vorgenommen, und seitdem ist klar, dass sie einen Mittelpunkt haben muss.
Das bedeutet jedoch nicht, dass die frühen Philosophen die Erde so sahen, wie wir es heute tun.
Die antike griechische Physik besagte, dass die Welt aus einer Reihe konzentrischer Kugeln aus vier Grundelementen bestand: Erde, Wasser, Luft und schließlich Feuer.
In diesem ältesten wissenschaftlichen Bild musste der Mittelpunkt des Planeten fest sein, da sich Luft nicht innerhalb der Erdkugel befinden konnte.
Natürlich war die Erdkugel nicht vollständig von Wasser umgeben, sonst gäbe es kein trockenes Land, also dachte man, dass ein Teil der Erde herausragt – was bedeutete, dass es nur einen Kontinent geben konnte.
Die Entdeckung Amerikas war daher tatsächlich eines der ersten experimentellen wissenschaftlichen Ergebnisse, das die Idee eines einzigen Kontinents widerlegte und einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zur Überwindung des antiken griechischen wissenschaftlichen Denkens darstellte.
Die Vorstellung, die Erde sei völlig hohl oder habe riesige Höhlen, die bis ins Zentrum reichen, wie in Vernes Buch, ist in der Fiktion und Mythologie seit der Antike beliebt und taucht auch in Pseudowissenschaften und Verschwörungstheorien auf.
Es ist jedoch nicht klar, ob ein Wissenschaftler außer dem Astronomen Edmond Halley, der 1692 eine hohle Erde vorschlug, um einige ungewöhnliche Kompassmessungen zu erklären, diese Idee jemals ernst genommen hat.
Und 1798 schlug ein englischer Wissenschaftler und Exzentriker den letzten Nagel in den Sarg der „hohlen Erde“-Hypothese. Henry Cavendish stellte ein Experiment vor, um die Erde genau zu wiegen.
Wie viel wiegt die Erde?
Cavendish war ein seltsamer Mann, der mit seinen Dienern nur über Notizen kommunizierte, um sie nicht persönlich zu treffen.
Trotz seines aristokratischen Hintergrunds widmete Cavendish sein Leben der Wissenschaft, arbeitete sowohl in der Chemie als auch in der Physik und entwickelte ein Experiment zur Berechnung der Dichte der Erde.
Mit Hilfe einer einfachen Torsionswaage, die den Betrag der Torsionskraft maß, die durch die Anziehungskraft von zwei großen Kugeln auf ein kleineres Paar verursacht wurde, konnte Cavendish die schwache Anziehungskraft zwischen den beiden Kugelpaaren berechnen.
Durch den Vergleich mit der eigenen Anziehungskraft der Erde konnte er die Dichte des Planeten berechnen (und, da die Größe der Erde bereits bekannt war, auch ihre Masse).
Die Berechnung der Dichte zeigte, dass unser Planet größtenteils fest sein musste, es sei denn, es gab irgendwo in der Tiefe extrem dichte unbekannte Materialien.
Woher wissen wir, was sich im Erdkern befindet?
Heute unterteilen wir das Innere der Erde in drei Segmente: die Kruste, die äußere Schicht, die zwischen 5 km und 75 km dick ist, den Mantel, der sich bis in eine Tiefe von etwa 2.900 km erstreckt, und die Dicke des Kerns – der Teil, der uns hier interessiert -, der sich etwa 3.500 km vom Erdmittelpunkt aus erstreckt, mit zwei verschiedenen Segmenten.
Im Herzen des Kerns befindet sich eine extrem heiße, aber noch feste Nickel-Eisen-Kugel mit einem Radius von etwa 1.200 km. Mit etwa 5.400°C hat dieser innere Kern eine ähnliche Temperatur wie die Oberfläche der Sonne. Der Rest ist der flüssige äußere Erdkern, der zum größten Teil aus Nickel-Eisen besteht, ähnliche Temperaturen aufweist und zum Zentrum hin immer heißer wird.
Aber wie können wir solche Details über einen Ort wissen, der so unzugänglich ist?
Da es nahezu unmöglich ist, jemals auch nur in die Nähe des Kerns zu gelangen, ist unser gesamtes Wissen indirekt und hängt von der Seismologie ab – der Wissenschaft der Erdbeben.
Nach einem Beben wandern seismische Wellen durch die Erde und ändern ihre Form und Richtung je nach den Materialien, die sie durchqueren. Geophysiker nutzen diese Informationen, um Rückschlüsse auf den Erdkern zu ziehen.
Ihre Seismometer, Geräte zur Messung solcher Wellen, sind das Äquivalent von Teleskopen zur Erforschung des Erdinneren.
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Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts deuteten die steigenden Temperaturen, je tiefer wir in die Erde vordrangen, in Verbindung mit der Analyse der Erdwellen durch Seismologen darauf hin, dass das Innere unseres Planeten zumindest teilweise geschmolzen ist – heiß genug, um Gestein und Metall in Flüssigkeit zu verwandeln.
Und die entscheidenden Entdeckungen wurden von zwei Wissenschaftlern gemacht, die beschämenderweise nicht einmal für den Nobelpreis nominiert wurden: Der britische Geologe Richard Oldham und die dänische Seismologin Inge Lehmann.
Was können uns Wellen über die Struktur der Erde sagen?
Wenn man an eine Welle denkt, denkt man wahrscheinlich an eine Oberflächenwelle, wie man sie auf dem Meer sieht. Aber viele Wellen – zum Beispiel Schall – bewegen sich durch den Körper eines Materials.
Obwohl die seismischen Wellen, die bei einem Erdbeben Schäden verursachen, diejenigen sind, die sich an der Oberfläche bewegen, gibt es auch zwei Arten von „Körperwellen“, die sich durch die Erde bewegen. P-Wellen („P“ steht für „primär“) sind Longitudinalwellen, genau wie Schall.
Sie schwingen in der Bewegungsrichtung und bewirken, dass sich die Erde beim Durchgang durch sie zusammenzieht und ausdehnt.
P-Wellen breiten sich schnell aus – etwa 5 km pro Sekunde in einem Gestein wie Granit und bis zu 14 km pro Sekunde in den dichtesten Teilen des Erdmantels.
Die zweite Art von Körperwellen, S-Wellen („S“ steht für „sekundär“), sind langsamere, transversale Wellen, die sich von einer Seite zur anderen bewegen. Im Gegensatz zu P-Wellen können sie sich nicht durch eine Flüssigkeit bewegen, weshalb sich diese beiden Wellenarten als wesentlich für das Verständnis des Erdkerns erwiesen haben.
Stellt euch vor, es gibt ein großes Erdbeben. Wellen beginnen, sich durch die Erde zu bewegen.
Die P-Wellen schießen voraus, während die S-Wellen mit etwa halber Geschwindigkeit folgen. Beide Wellentypen werden von Seismometern, die zur Messung von Bodenerschütterungen eingesetzt werden, überall auf der Erde erfasst.
Aber dort, wo die Wellen den Erdkern durchqueren, um eine entfernte Messstation zu erreichen, gibt es eine sogenannte Schattenzone. Wenn man sich vom Epizentrum des Bebens etwa 104° um den Erdumfang bewegt, verschwinden die Wellen. Aber ab 140° tauchen die P-Wellen wieder auf, ohne dass sie von S-Wellen begleitet werden.
Bereits 1906 erkannte Richard Oldham die Bedeutung dieses seltsamen Schattens. Oldham verbrachte den größten Teil seiner Karriere beim Geologischen Dienst Indiens und arbeitete oft im Himalaya.
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Als er sich 1903 im Vereinigten Königreich zur Ruhe setzte, nutzte er die in den vorangegangenen Jahren gesammelten Daten, um das Innere der Erde zu erkunden. Er erkannte, dass sich das beobachtete Verhalten der P- und S-Wellen erklären ließe, wenn der Erdmittelpunkt flüssig wäre.
In einem solchen Fall würden die P-Wellen von der Flüssigkeit gebrochen, so wie sich das Licht beim Übergang vom Wasser in die Luft krümmt und einen ausgeprägten Schatten hinterlässt. S-Wellen hingegen würden von einem flüssigen Kern vollständig aufgehalten.
Oldhams Durchbruch führte zu einem weithin akzeptierten Bild eines geschmolzenen Kerns, aber 30 Jahre später erkannte Inge Lehmann, dass Oldhams Idee zu einfach war.
Die Brechung der P-Wellen durch die dichte Flüssigkeit im Zentrum der Erde hätte einen totalen Schatten erzeugen müssen.
In der Tat zeigten Messungen mit den empfindlicheren Seismometern, die zu Lehmanns Zeit zur Verfügung standen, dass schwache P-Wellen noch in der Schattenzone ankamen.
Durch die Untersuchung von Daten, die bei einem Erdbeben in Neuseeland 1929 durch den Planeten liefen, schlug Lehmann vor, dass diese Wellen an der Grenze zwischen einem inneren festen Kern und der äußeren Flüssigkeit reflektiert wurden.
Ihre 1936 veröffentlichten Ergebnisse wurden zwei Jahre später von Beno Gutenberg und Charles Richter bestätigt, die die Auswirkungen eines festen Kerns genau modellierten.
Direkte Messungen dieser reflektierten seismischen Wellen erfolgten schließlich 1970.
Woraus besteht der Kern der Erde?
Weitere Studien entdeckten noch subtilere Wellen, die aufgrund ihres verzögerten Eintreffens den flüssigen äußeren Kern als P-Wellen durchquert haben mussten, bevor sie im inneren Kern in transversale S-Wellen umgewandelt wurden und dann auf dem Weg nach draußen wieder in P-Wellen umgewandelt wurden.
Diese Entdeckung, die erst 2005 bestätigt wurde, war ein weiterer Beweis für den festen Kern.
Allerdings ist die genaue Beschaffenheit des inneren Kerns Gegenstand erheblicher Diskussionen. Die Temperaturen beispielsweise lassen sich nur aus experimentellen Studien darüber ermitteln, wie Materialien unter Druck schmelzen und erstarren.
Die Annahme, dass der Kern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, ergibt sich aus einer Kombination der Häufigkeit, mit der verschiedene Elemente in unserer lokalen Region der Milchstraße vorkommen, und unserem Verständnis davon, wie unser Planet entstanden ist.
Unter dem immensen Druck im Zentrum der Erde – mehr als das Dreimillionenfache des atmosphärischen Drucks – können sich Materialien ganz anders verhalten als unter normalen Bedingungen.
Während der offensichtlichste Kandidat für den inneren Kern eine feste Nickel-Eisen-Legierung ist, ist es möglich, dass ein extrem dichtes Plasma – der Zustand der Materie in einem Stern – ähnliche Eigenschaften hat. Eine der Schwierigkeiten besteht darin, zu wissen, wie sich Materialien in solch extremen Umgebungen verhalten.
Betreten Sie die Diamant-Amboss-Zelle.
In diesem bemerkenswerten Gerät werden die Spitzen zweier Diamanten, die nur den Bruchteil eines Millimeters breit sind, zusammengedrückt.
Wenn man eine Kraft auf eine kleine Fläche ausübt, erzeugt sie mehr Druck als auf eine breite – deshalb ist es viel schmerzhafter, mit einem Stilettoabsatz aufzutreten als mit einer flachen Sohle.
Der Diamantamboss erzeugt einen Druck, der doppelt so hoch ist wie der des Erdkerns, und die Erhitzung erfolgt mit Hilfe von Lasern.
Wenn metallische Proben zerkleinert und auf kernähnliche Bedingungen erhitzt werden, deuten die Ergebnisse auf einen kristallinen Festkörper im Zentrum der Erde hin.
Realistisch gesehen werden wir nie auch nur in die Nähe des Erdkerns kommen.
Die Hitze, der Druck und die Radioaktivität (eine der Hauptquellen für die innere Erwärmung) sind so hoch, dass eine Sonde selbst dann nicht überleben würde, wenn sie sich durch mehr als 6.000 km Gestein und Metall bohren könnte.
Im Vergleich zum Erreichen des Kerns ist die Reise zu den äußeren Bereichen des Sonnensystems trivial.
Aber die Eigenschwingungen unseres Planeten, die durch Erdbeben erzeugt und von so genialen Wissenschaftlern wie Inge Lehmann interpretiert werden, geben uns die Möglichkeit, mit unserem Verstand zu erforschen, wo wir niemals persönlich hinkommen werden.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 304 von BBC Focus
Schlüsselbegriffe
Longitudinalwellen – Diese Wellen bestehen aus einer Reihe von Kompressionen und Relaxationen in der Bewegungsrichtung, wie eine schlanke Feder, die in ihrer Länge einen Stoß erhält. Beispiele sind Schall und P-Wellen.
Brechung – Wenn eine Welle auf die Grenze zwischen zwei Materialien trifft und sich in einem Winkel bewegt, ändert sie ihre Richtung. Lichtwellen zum Beispiel werden gebrochen, wenn sie zwischen Wasser und Luft hindurchlaufen, wodurch ein gerades Objekt gekrümmt erscheint.
Seismologie – Die Untersuchung von Erdbeben. Die Analyse der verschiedenen Arten von seismischen Wellen, die sich durch die Erde bewegen, hat es uns ermöglicht, die innere Struktur unseres Planeten zu entschlüsseln.
Torsionswaage – Dieses Gerät besteht aus einem Stab, der mit einer gewundenen Faser an einem Rahmen aufgehängt ist. Wenn sich die Stange seitwärts bewegt, übt sie eine Kraft auf die Faser aus – je weiter sie sich verdreht, desto größer ist die Kraft.
Transversalwellen – Diese Wellen bestehen aus einer Reihe von Schwingungen von einer Seite zur anderen, wie die Wellen, die durch ein Seil gesendet werden, wenn man ein Ende auf und ab bewegt. Beispiele sind Licht- und S-Wellen.