Anomalien an der Kern-Mantel-Grenze helfen zu erklären, warum die Erde bewohnbar wurde

Fast 2.900 Kilometer unter unseren Füßen - an der Mantel-Kern-Grenze - verbergen sich zwei riesige anomale Formationen, die Geophysiker seit Jahrzehnten verblüffen. Eine neue Studie , die in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, bietet eine Erklärung dafür, wie sie entstanden sind und warum sie wichtig sind, um zu verstehen, wie die Erde bewohnbar wurde.

Was wurde im Inneren der Erde gefunden? Es handelt sich um zwei Arten von Strukturen:

• low-Low-Low Transverse Wave Velocity (LLSVP)-Regionen - das sind kontinentale "Klumpen" aus heißerem, dichterem Gestein, einer unter Afrika und der andere unter dem Pazifik;

• ultra-low velocity zones (ULVZs) - dünne geschmolzene "Fladen" an der Kern-Mantel-Grenze, die wie Lavapfützen aussehen.

Beide Strukturen verlangsamen den Durchgang seismischer Wellen dramatisch, was auf eine ungewöhnliche Zusammensetzung im Vergleich zum Rest des Mantels hinweist.

Laut Yoshinori Miyazaki, einem Geodynamiker an der Rutgers University und Hauptautor der Studie, handelt es sich dabei nicht um "zufällige Merkwürdigkeiten", sondern um besondere "Fingerabdrücke" der frühesten Erdgeschichte. Wenn wir verstehen, warum sie existieren, werden wir besser verstehen, wie unser Planet entstanden ist und warum er bewohnbar wurde.

Vor Milliarden von Jahren war die Erde nach heutiger Auffassung von einem globalen Ozean aus Magma bedeckt. Als er abkühlte, hätte sich der Erdmantel in seiner Zusammensetzung schichten müssen - wie gekühlter Saft, bei dem das süße Konzentrat nach unten sinkt und eine "wässrigere" Schicht oben bleibt.

Die seismischen Daten zeigen jedoch keine solche klare Schichtstruktur. Stattdessen sind große "Haufen" anomaler Materie - diese LLSVPs und ULVZ-Schmelzpunkte - ganz unten im Mantel sichtbar.

"Wenn wir die Berechnungen vom Magmaozean aus beginnen, kommen wir nicht zu dem, was wir tatsächlich im Erdmantel beobachten. In diesem Bild fehlte etwas", erklärt Miyazaki.

In der neuen Arbeit schlagen die Wissenschaftler vor, dass das "fehlende Element" der Kern selbst ist. Das Modell zeigt, dass über Milliarden von Jahren Elemente wie Silizium und Magnesium aus dem Kern in den unteren Erdmantel "sickern" könnten, sich mit ihm vermischen und die Bildung einer starren chemischen Schichtung verhindern.

Eine solche "Vermischung" der Kernmaterie erklärt nach den Berechnungen die ungewöhnliche Zusammensetzung und das Verhalten von LLSVP und ULVZ. Die Forscher halten sie für verfestigte Überreste des alten "basalen Magmaozeans", die durch aus dem Kern freigesetzte Komponenten kontaminiert sind.

Es geht nicht nur um die Chemie des Untergrunds, betont Miyazaki. Die Wechselwirkung zwischen dem Kern und dem Mantel beeinflusst, wie der Planet abkühlt, wie sich der Vulkanismus entwickelt und wie sich schließlich die Atmosphäre bildet. Dies könnte zum Teil erklären, warum es auf der Erde Ozeane, ein gemäßigtes Klima und Leben gibt, während die Venus zu einer überhitzten Treibhauswelt und der Mars zu einer kalten Wüste mit einer dünnen Atmosphäre geworden ist.

Wie sich die Wärmeströme und -schichten innerhalb eines Planeten verändern, könnte der Schlüssel zur Beantwortung der Frage sein, warum die Atmosphäre der Erde relativ stabil ist, während dies bei den Nachbarplaneten nicht der Fall ist.

Die Autoren der Studie glauben auch, dass tiefe Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze Vulkanismus-Hotspots wie Hawaii und Island befeuern und damit eine direkte Verbindung zwischen den tiefsten Schichten der Erde und ihrer Oberfläche herstellen.

Die Studie kombinierte Daten aus der Seismologie, der Mineralphysik und der numerischen Modellierung der unterirdischen Entwicklung. Das Ergebnis ist, dass LLSVP und ULVZ nicht mehr als "Anomalien" erscheinen, sondern als wichtige Zeugen der frühen Geschichte des Planeten.

Wie die Mitautorin Jie Deng von der Princeton University anmerkt, eröffnet die Vorstellung, dass der untere Erdmantel immer noch das chemische "Gedächtnis" der ersten Interaktionen zwischen Erdkern und Erdmantel speichert, einen neuen Weg zum Verständnis der einzigartigen Entwicklung der Erde.

Jeder neue Datensatz, so Miyazaki, trägt dazu bei, ein vollständigeres Bild davon zu zeichnen, wie sich die Erde verändert hat und warum sie unter den Planeten etwas Besonderes geworden ist.