Der Er­de Kern

Was im In­ners­ten un­se­res Pla­ne­ten ist, kann man nicht er­kun­den. Aber si­mu­lie­ren kann man es, in La­bor-Astro­phy­sik. Die klärt auch an­de­res.

Die Presse am Sonntag - - Science - VON JÜR­GEN LANGENBACH

Was ist ganz im Her­zen un­se­res Pla­ne­ten? Das weiß kein Mensch, nicht ein­mal die Hel­den von Ju­les Ver­nes „Rei­se zum Mit­tel­punkt der Er­de“dran­gen dort­hin. Man kann es nur ver­mu­ten, von den so­zia­len Vor­lie­ben der che­mi­schen Ele­men­te her und von seis­mi­schen Mes­sun­gen, die Hin­wei­se auf die Zu­sam­men­set­zung auch der tiefs­ten Tie­fen ge­ben. Aus Ers­te­ren kann man schlie­ßen, dass im Kern – er ist zwei­ge­teilt, in­nen fest, au­ßen flüs­sig und macht mit 6942 Ki­lo­me­tern Durch­mes­ser ein Fünf­tel des Vo­lu­mens der Er­de aus, aber ein Drit­tel ih­rer Mas­se – vor al­lem Ei­sen steckt (und et­was Ni­ckel): Als ganz zu Be­ginn, vor 4,5 Mil­li­ar­den Jah­ren, die Er­de ein durch und durch ge­schmol­ze­ner Mag­mao­ze­an war, wan­der­te das schwe­re Ei­sen ins Zen­trum, die leich­te­ren Si­li­ka­te blie­ben oben, aus ih­nen bil­de­te sich der Man­tel – 2850 Ki­lo­me­ter mäch­tig –, ganz au­ßen sitzt die dün­ne Krus­te, kaum 35 Ki­lo­me­ter stark.

Das Ei­sen zog al­so hin­ab, aber nicht al­lein, ihm folg­ten Si­dero­phi­le. Die ha­ben ih­ren Na­men von ei­nem Gro­ßen der Mi­ne­ra­lo­gie, Vic­tor Mor­de­chai Gold­schmidt, er grup­pier­te in den 1920er-Jah­ren al­le che­mi­schen Ele­men­te um die her­um, mit de­nen sie sich gern zu­sam­men­tun, so er­ga­ben sich fünf Freun­des­krei­se. Ei­ner wird von Li­tho­phi­len ge­bil­det, Gesteins­lie­ben­den, sie blie­ben an der Erd­ober­flä­che, san­ken nicht hin­ab. Das ta­ten hin­ge­gen die Ei­sen­lie­ben­den – Si­dero­phi­len –, Gold und Pla­tin ge­hö­ren da­zu, Ru­the­ni­um und Pal­la­di­um auch.

Sie gin­gen mit in den Kern, und das bringt das ers­te Pro­blem: Au­ßen gibt es sie schon auch, nicht üp­pig – um die 1,3 Gramm Gold kom­men in der Erd­krus­te im Schnitt auf tau­send Ton­nen an­de­res Ma­te­ri­al –, aber doch. Wo­her? Sie sind mit dem „la­te hea­vy bom­bar­de­ment“ge­kom­men bzw. mit der „la­te ve­neer“, der spä­ten Tün­che: Als die Er­de ab­ge­kühlt war und sich au­ßen ver­fes­tigt hat­te, ge­riet sie vor 4,1 bis 3,8 Mil­li­ar­den Jah­ren in ei­nen Ha­gel von Ko­me­ten. Die brach­ten all das neu, was zu Be­ginn ver­schwun­den war, sei es hin­ab in den Kern wie die si­dero­phi­len Ele­men­te, sei es hin­auf ins All wie leicht flüch­ti­ge, Was­ser auch.

So weit, so schlüs­sig. Es passt nur nicht, das hat sich schon beim Was­ser ge­zeigt: In dem der Ko­me­ten ist dop­pelt so viel schwe­res Was­ser – D2O, es hat das Was­ser­stof­f­iso­top Deu­te­ri­um in sich – wie in dem der Er­de (s. „Pres­se am Sonn­tag“, 7. 12. 2014). Und bei den Si­dero­phi­len passt es auch nicht, et­wa beim Ru­the­ni­um: Das müss­te oben auf der Er­de die glei­chen Iso­to­pen­mus­ter ha­ben wie auf Ko­me­ten, aber es hat sie nicht, Ma­rio Fi­scher-Göd­de (Uni Müns­ter) hat es durch­ge­mes­sen (Sci­ence News 6. 6. 2016).

Ähn­li­che Pro­ble­me gibt es mit an­de­ren Si­dero­phi­len, und Gold et­wa fin­det sich auch viel tie­fer in der Er­de, als ei­ne ober­fläch­li­che Tün­che es hät­te auf­tra­gen kön­nen. Zu­dem sind ge­ra­de hef­ti­ge Zwei­fel da­ran laut ge­wor­den, dass es das „la­te hea­vy bom­bar­de­ment“über­haupt ge­ge­ben hat. Man schließt sein Ge­sche­hen vor al­lem aus Mond­ge­stein der Apol­lo-Mis­sio­nen, aber des­sen Zu­sam­men­set­zung lässt sich laut Patrick Bo­ehn­ke (UC Los An­ge­les) auch ganz an­ders er­klä­ren (Pnas 131, S. 10802). Wo­her die Si­dero­phi­len au­ßen kom­men, bleibt ein Rät­sel. Den Erd­kern si­mu­lie­ren. Und wel­che nicht Si­dero­phi­len dem Ei­sen in die Tie­fe ge­folgt sind, ist auch ei­nes. Nur aus schwe­ren Ele­men­ten kann der in­ne­re Kern nicht be­ste­hen: Man ver­mu­tet, dass sein Ei­sen ei­ne Kris­tall­struk­tur hat – he­xa­go­nal clo­se pa­cked (hpc) – , die es auf der Erd­ober­flä­che nicht gibt. Aber im La­bor hat Tats­u­ya Sa­k­a­ma­ki (Sen­dai) sie her­ge­stellt – und be­schallt (Sci­ence Ad­van­ces e15000802): Im Ver­gleich der seis­mi­schen Mus­ter zeigt sich, dass der ech­te Erd­kern et­was we­ni­ger dicht ist als hpc-Ei­sen, er muss leich­te Ele­men­te ent­hal­ten, man weiß nur nicht wel­che, es kön­nen ver­schie­dens­te sein, Was­ser­stoff, Koh­len­stoff, Sau­er­stoff, Schwe­fel und an­de­re. Wie soll man es klä­ren, man kann ja nicht nach­schau­en im Kern?! Aber man kann ihn ein Stück weit si­mu­lie­ren, sei­ne Be­din­gun­gen nach­stel­len, den Druck vor al­lem.

In sol­cher La­bor-Astro­phy­sik wird im­mer mehr mög­lich, et­wa beim Lons­daleit: Das ist ein Mi­ne­ral aus Koh­len­stoff, noch här­ter als Dia­mant, es ent- steht bei ex­tre­mem Druck aus Gra­phit. Das nahm man zu­min­dest an, als man es 1967 zum ers­ten Mal auf der Er­de ent­deck­te, in Frag­men­ten ei­nes As­te­ro­iden in ei­nem Ein­schlags­kra­ter, seit­dem galt Lons­daleit als Zei­ger für Ein­schlä­ge. Aber Lons­daleit blieb um­strit­ten, es gab Zwei­fel, ob es die­se Form von Koh­len­stoff über­haupt gibt: In Wahr­heit sei es be­son­ders ge­fal­te­ter Dia­mant, ar­gu­men­tier­te Pe­ter´ Neh­met´ (Na­tu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons 5:5447).

Ganz zu Be­ginn, als die Er­de ein Mag­ma­meer war, sank vor al­lem das Ei­sen hin­ab. Das Ei­sen blieb nicht al­lein, ihm folg­ten »Freun­de«: si­dero­phi­le Ele­men­te wie Gold und Pla­tin.

Des­halb mach­te Do­mi­nik Kraus (Ber­ke­ley) die Pro­be aufs Ex­em­pel, er si­mu­lier­te im La­bor ei­nen Ein­schlag, heiz­te mit ei­nem La­ser­puls die Ober­flä­che von Gra­phit so stark auf, dass die aus­ge­lös­te Schock­wel­le für Na­no­se­kun­den ei­nen Druck von 200 Gi­ga­pas­cal brach­te, das ist zwei Mil­lio­nen Mal so viel wie der Luft­druck auf See­hö­he: Das reich­te für Lons­daleit (Na­tu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons 7:10970).

Den Ein­schlag ei­nes Him­mels­kör­pers kann man al­so si­mu­lie­ren, und beim Erd­kern geht es auch, zu­min­dest an­nä­he­rungs­wei­se: Es gibt län­ger schon den Ver­dacht, dass auch vom Druck ab­hängt, mit wel­chen der leich­te­ren Ele­men­te – bzw. ih­ren Iso­to­pen – sich Ei­sen zu­sam­men­tut. Stimmt das, müss­te sich die Be­vor­zu­gung zei­gen, in Iso­to­pen­frak­tio­nie­rung. Ge­prüft hat das Anat Sha­har (Wa­shing­ton), in­dem sie in ei­ner Press­zel­le aus Dia­mant Ei­sen (und Ei­sen­ver­bin­dun­gen) und Was­ser­stoff bzw. Koh­len­stoff ei­nem Druck von 40 Gi­ga­pas­cal aus­setz­te, das ist das, was man auf län­ge­re Dau­er kann, es nä­hert sich den 60 GPa, die man im frü­hen Erd­kern ver­mu­tet.

Die Iso­to­pen­frak­tio­nie­rung zeig­te sich, bei bei­den, Was­ser­stoff und Koh­len­stoff. Aber im Erd­kern kann sie nicht ge­sche­hen sein, denn sonst müss­te sie sich auch im Erd­man­tel zei­gen, dort müss­ten die Iso­to­pen an­ge­rei­chert sein, die nicht in den Kern gin­gen. Sie sind es nicht: Was­ser­stoff und Koh­len­stoff schei­den als Be­stand­tei­le des Erd­kerns aus (Sci­ence 352, S. 580). Blei­ben als Kan­di­da­ten für Leich­tes in der Tie­fe et­wa Sau­er­stoff, Si­li­zi­um und Schwe­fel, die will Sha­har als Nächs­te tes­ten.

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