Erdkern ist Recyclingprodukt

Nach einem neuen Modell scheint der Erdkern - zumindest teilweise - durch Mischen von Kernen älterer Protoplaneten entstanden zu sein.

Zürich - Die Erde ist Teil des seit viereinhalb Milliarden Jahren bestehenden Sonnensystems. Nach wie vor unklar ist, warum sich die Erde anders als andere erdähnliche Planeten des Sonnensystems entwickelt hat und wann es zur Bildung des metallischen Kerns kam. Der Geologe Alex Halliday von der ETH Zürich konnte nun nachweisen, dass der Erdkern wenigstens zum Teil durch Mischen von Kernen älterer Protoplaneten entstanden ist. Diese Mischung wurde durch die extrem energiereichen Kollisionen der Protoplaneten ausgelöst. Ein noch überraschenderes Ergebnis ist, dass die chemische Zusammensetzung der Protoplaneten sich vermutlich von der heutigen Erde und auch deren nächsten Nachbarn, dem Mond, unterschieden. Halliday nimmt deshalb an, dass zumindest einige der Protoplaneten, dem Mars sehr ähnlich waren. Seine Erkenntnisse hat er in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature" publiziert.

Seit längerem weiß man, dass die Erde aus einer um die Sonne wirbelnden Scheibe aus Gas und Staub entstanden ist. Bisher nahm man an, dass sich dabei metallisches Eisen aus der akkumulierten Masse von Metall und Silikaten getrennt und im Zentrum dieser Masse gesammelt hatte, sobald die Temperaturen ausreichten, um das Eisen zu schmelzen.

Die Wissenschaft ist sich einig, dass die Erde aus einer um die Sonne wirbelnden Scheibe aus Gas und Staub entstanden ist. Wie jedoch der metallische Erdkern entstanden ist, dafür gibt es derzeit mehrere Modelle. (Quelle: NDSSC/NASA)

"Embryoplaneten" als Urform
Auch die anderen erdähnlichen Planeten sind aus dieser Scheibe aus Gas und Staub entstanden. Je größer die Objekte wurden, umso mehr gewann die Gravitation der Körper an Kraft. Sie "saugten" dabei den Schutt in der näheren Umgebung auf und erlangten damit eine Größe von etwa 1000 Kilometer Durchmesser. Dieser Prozess führte jedoch zu Objekten, die höchstens 1% der Masse der Erde ausmachten. Um daraus einen Planeten wie die Erde zu generieren, hätte es wiederholte Kollisionen zwischen diesen "Embryoplaneten" gebraucht, welche dann zu größeren Planeten zusammenwuchsen. Bei solchen Kollisionen werden bisweilen unvorstellbare Energien frei, welche die kollidierenden Planeten schmelzen und Teile der Silikathülle bzw. des metallischen Kerns verdampfen. Heute geht man davon aus, dass der Mond aus den Trümmern solch einer Kollision der Protoerde mit einem anderen Planeten entstanden ist.

Zeitpunkt der Erdentstehung umstritten
Es gibt sehr unterschiedliche Spekulationen darüber, wann sich die Erde formte. Manche Untersuchungen besagen, dass die Erde in weniger als einer Million Jahren entstanden ist. Heute eher akzeptierte Theorien gehen davon aus, dass die Bildung der Erde 10 bis 100 Millionen Jahre gebraucht hat. Mit Hilfe der Analyse der Isotopen von Elementen wie Wolfram und Blei lassen sich solche Theorien testen. Diese chemischen Elemente sind teilweise Produkte des natürlichen Zerfalls von Hafnium bzw. Uran. Bei der Entstehung eines Planetenkerns trennen sich die Paare. Blei und Wolfram gehen in den Erdkern, während Uran und Hafnium es vorziehen, in der Silikathülle eines Planeten zu verbleiben. Diese Trennung der Paare und ihre langsame Umwandlung zu Blei bzw. Wolfram erlaubt es, diese Elemente als "geologische Uhren" für die Bildung des metallischen Erdkerns einzusetzen und damit die Entstehung der Erde zu datieren.

Erde formte sich aus jungen Planeten
Die Analyse der Isotopenuhren zeigt, dass Hafnium-Wolfram und Uran-Blei extrem unterschiedliche Zeiträume für die Erdentstehung anzeigen. Halliday hat dafür nur eine mögliche Erklärung: "Ein Teil des Erdkerns bildete sich direkt aus den Kernen der Planeten, mit denen die Protoerde kollidierte." Diese Aussage unterscheidet sich von der bisherigen Meinung, dass sich der metallische Kern eines kollidierenden Planeten zunächst mit dem Gesteinsmantel der Erde mischte und anschließend wegen seiner höheren Dichte ins Zentrum der Erde wanderte.

Eine wichtige Konsequenz dieses Models ist, dass der Zeitraum zwischen der Entstehung des Sonnensystems und der Entstehung von Erde und Mond unterschätzt wurde. Die Entstehung der Erde war nicht nach rund 30 Millionen Jahren abgeschlossen, wie erst kürzlich behauptet, sondern liegt nach Halliday eher bei 50 Millionen Jahren.

Mars und Erde sind Verwandte
Aus den Untersuchungen lassen sich aber noch weitere Schlussfolgerungen ziehen. Misst man die isotopische Zusammensetzung von Wolfram und anderen Elementen in Gesteinen vom Mond, so kann man von ihnen auf die Zusammensetzung des Ursprungsplaneten, in diesem Fall der Protoerde, schließen. Nach Halliday war dieser Planet reich an flüchtigen Komponenten und dem Mars sehr ähnlich. Die Erde hat vermutlich die flüchtigen Komponenten, einschließlich des Wassers, während des Wachstums durch Kollision mit anderen Protoplaneten verloren. Halliday ist überzeugt: "Mit den vorliegenden Daten ergibt sich eine neue Sichtweise auf die Theorie zur Entstehung der Erde. Nach wie vor offen bleibt allerdings eine der spannendsten Fragen über unseren Planeten: Wie ist das Wasser auf der Erde entstanden?"

Quelle: ETH Zürich

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Alex N. Halliday, Mixing, volatile loss and compositional change during impact-driven accretion of the Earth, Nature 427, 505 (2004).
  http://dx.doi.org/doi:10.1038/nature02275  
• Kontakt:
  Alexander N. Halliday, URL: http://www.erdw.ethz.ch/Halliday  
• Eidgenössische Technische Hochschule Zürich:
  http://ethz.ch  
• Departement Erdwissenschaften, ETH Zürich:
  http://www.erdw.ethz.ch  
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