Magnesium im Erdkern ermöglichte frühes Erdmagnetfeld

Turbulente Konvektionsströme im äußeren, flüssigen Erdkern treiben den Geodynamo an und sind verantwortlich für das Erdmagnetfeld. Thermischer Auftrieb eisenreicher Schmelzen, unterstützt durch die Wärme aus radioaktivem Zerfall, gilt als der wichtigste Antrieb für diesen geologischen Prozess. Geowissenschaftler vom California Institute of Technology in Pasadena schlagen nun eine weitere Quelle für die Energie vor, die schon in der frühen Erde vor 3,5 Milliarden Jahren einen Geodynamo angetrieben haben könnte. Demnach könnte ein geringer Magnesium-Anteil in der Schmelze eine wichtige Rolle gespielt haben.

„Aufgewühlte Flussbewegungen im flüssigen, stark eisenhaltigen Erdkern sind der fundamentale Motor des Geodynamos“, sagt Joseph O’Rourke. Zusammen mit seinen Kollegen David Stevenson führte er zahlreiche Simulationen der Konvektionsströme durch. Ihre Annahmen zur Zusammensetzung, Druck, Temperatur und Abkühlung des flüssigen Erdkerns stimmten dabei deutlich besser mit bisherigen Erkenntnissen überein bei als frühere Theorien über das frühe Erdmagnetfeld.

Bei den Konvektionströmungen steigen heiße, eisenhältige Schmelzen auf, kühlen an der Grenze zum Erdmantel ab und sinken darauf wieder ab. Die Forscher gingen nun davon aus, dass dieser Prozess wesentlich durch Magnesium-Minerale, bei Temperaturen von über 4000 Grad gelöst im flüssigen Eisenkern, unterstützt wurde. Denn beim Aufstieg Richtung Erdmantel sollen sich diese leichteren Minerale in einer bis zu 20 Kilometer mächtigen Schicht an der Kern-Mantel-Grenze abgelagert haben. Zurück blieb eine schwerere Eisenschmelze, die darauf wieder absinken und so den das Magnetfeld erzeugenden Konvektionsstrom antreiben konnten.

Bisher gibt es jedoch keine Hinweise, dass der flüssige Erdkern neben Eisen und Nickel nennenswerte Magnesiumanteile enthalten haben könnte. Doch laut O’Rourke könnte Magnesium durch Kollisionen mit anderen Himmelskörpern in der Frühgeschichte auf die Erde gelangt sein. Die Wissenschaftler halten es sogar für möglich, dass bei der Entstehung des Mondes durch eine gewaltige Kollision der frühen Erde mit dem marsgroßen Himmelskörper Theia vor 4,5 Milliarden Jahren auch Magnesium auf die Erde transportiert wurde. „Diese Kollision bescherte uns nicht nur unseren stetigen Begleiter am Himmel, sondern lieferte auch die Zutaten, um das Erdmagnetfeld entstehen zu lassen“, sagt O’Rourke. Die Menge an Magnesium im flüssigen Erdkern schätzte er auf ein bis zwei Gewichtsprozent ab.

Es wird sehr schwer sein, Belege für diese Magnesium-Theorie zu finden. Denn für eine spätere Phase der Erdgeschichte bis zum heutigen Tage ist dieser Mechanismus nicht notwendig. Nachdem sich vor etwa einer Milliarde Jahren im Zentrum unseres Planetens der festere Erdkern aus Eisen und Nickel gebildet hatte, reichte die Temperatur eines sich langsam abkühlenden Erdkerns aus, um die Konvektionsströme aufrecht zu erhalten. Dank der Ablagerung des unter einem enormen Druck von 330 Gigapascal schweren und festen Metalls waren die verbleibenden flüssigen Schmelzen leicht genug, um aufsteigen zu können.

Trotz aller Unsicherheiten könnte die neue Studie für die Diskussion um den Mechanismus des Geodynamos, insbesondere während einer frühen Epoche der Erdentstehung, neue Impulse liefern. „Der mögliche Beitrag von Magnesium zum Geodynamo schafft viel Motivation, um unser Wissen weiter auszubauen“, beurteilt Bruch Buffett von der University of California in Berkeley die Relevanz dieser Studie.

Jan Oliver Löfken

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