Magnesium als Energiequelle für Geodynamo

Seit etwa dreieinhalb Milliarden Jahren ist die Erde von einem Magnetfeld umgeben. Aufgebaut wird es durch turbulente Strömungen im flüssigen äußeren Erdmantel. Um genügend Energie für diese Umwälzpumpe bereitstellen zu können, schlagen Geowissenschaftler nun einen neuen Auftriebsmechanismus vor. Davon berichten sie in der Zeitschrift „Nature“.

Schematischer Querschnitt durch ein Viertel der Erde mit drei Abschnitten: Dem inneren Kern, dem äußeren Kern und dem Mantel. Pfeile zeigen die Bewegung der flüssigen Schmelzen bei Konvektionsströmungen an.
Konvektionsströmungen

Joseph O’Rourke und David Stevenson vom California Institute of Technology in Pasadena halten es für möglich, dass die Entstehung des Mondes durch eine gewaltige Kollision der frühen Erde mit dem marsgroßen Himmelskörper Theia vor 4,5 Milliarden Jahren eng mit der Bildung des Erdmagnetfelds verknüpft sein könnte. „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. Vor allem das leichte Element Magnesium, das über diesen Weg zur Erde gelangt sein könnte, spielt nach Aussage der Wissenschaftler die Schlüsselrolle für das frühe Erdmagnetfeld.

„Aufgewühlte Flussbewegungen im flüssigen, stark eisenhaltigen Erdkern sind der fundamentale Motor des Geodynamos“, sagt O’Rourke. Bei diesen sogenannten Konvektionströmungen steigen heiße, eisenhaltige Schmelzen auf, kühlen an der Grenze zum Erdmantel ab und sinken daraufhin wieder ab. Die Forscher gehen nun davon aus, dass dieser Prozess wesentlich durch Magnesiumminerale unterstützt wurde. Diese kommen bei Temperaturen von über 4000 Grad Celsius im flüssigen Eisenkern gelöst vor. Beim Aufstieg Richtung Erdmantel sollten sich diese leichteren Minerale an der Kern-Mantel-Grenze abgelagert haben. Zurück blieb eine schwerere Eisenschmelze, die daraufhin wieder absinken und so den Magnetfeld erzeugenden Konvektionsstrom antreiben konnte.

Grundlage dieser neuen, überraschenden Theorie sind zahlreiche Simulationen, die O’Rourke und Stevenson durchgeführt haben. Ihre Annahmen zu Zusammensetzung, Druck und Temperatur im flüssigen Erdkern stimmen dabei deutlich besser mit bisherigen Erkenntnissen überein als andere Theorien über das frühe Erdmagnetfeld. Die Menge an Magnesium im flüssigen Erdkern schätzten sie auf ein bis zwei Gewichtsprozent ab.

Für eine spätere Phase der Erdgeschichte ist dieser Mechanismus allerdings 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. Zusätzlich gelten Zerfälle radioaktiven Materials als eine weitere Wärmequelle zum Antrieb des Geodynamos.