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Hohe Temperaturen und gewaltiger Druck sorgen dafür, dass der innere Erdkern fest ist – so die gängige Theorie. Doch offenbar stimmt das nur teilweise.

Austin – Nirgends auf der Erde herrschen so hohe Temperaturen und ein so hoher Druck wie in ihrem Inneren. Der Druck presst die Eisenatome im Erdinneren fest zusammen und sorgt so für einen festen inneren Erdkern. Doch selbst unter diesen extremen Bedingungen gibt es noch Spielraum für Bewegung, wie ein Forschungsteam nun zeigt.

Die Forscherinnen und Forscher aus den USA und China haben festgestellt, dass sich bestimmte Gruppierungen von Eisenatomen im inneren Erdkern schnell bewegen können. Sie sind offenbar in der Lage, ihre Positionen im Bruchteil einer Sekunde zu tauschen, während die zugrundeliegende Metallstruktur des Eisens aufrechterhalten wird. Diese Art der Bewegung ist als „kollektive Bewegung“ bekannt. Im Alltag sieht man sie unter anderem bei Vogelschwärmen, Tierherden, aber auch bei Menschenmengen oder im Autoverkehr.

Atome im inneren Erdkern können sich überraschend schnell bewegen

Zurück zum Erdkern: Den können Forscherinnen und Forscher nicht direkt erforschen, da es im Inneren der Erde zu heiß ist und der Druck zu hoch. Doch mithilfe von Labortests und theoretischen Modellen hat das Forschungsteam trotzdem Hinweise gefunden, dass die Atome im inneren Erdkern sich viel mehr bewegen als bisher gedacht. Diese Ergebnisse könnten dabei helfen, eine Reihe von verblüffenden Eigenschaften des Erdkerns zu verstehen, die die Wissenschaft seit langem beschäftigen – beispielsweise, wie genau das Magnetfeld der Erde entsteht.

„Jetzt kennen wir den grundlegenden Mechanismus, der uns helfen wird, die dynamischen Prozesse und die Entwicklung des Erdinneren zu verstehen“, freut sich Jung-Fu Lin (University of Texas), einer der Hauptautoren der Studie, die im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

Miniatur-Version des Erdkerns zeigt „kollektive Bewegung“ von Eisen-Atomen

Um zu dieser Erkenntnis zu kommen, baute das amerikanisch-chinesische Team im Labor eine Miniatur-Version des Erdkerns nach. Im ersten Schritt wurde dazu eine kleine Eisenplatte mit einem sich schnell bewegenden Projektil beschossen. So erhielten die Forscherinnen und Forscher Daten zu Temperatur, Druck und Geschwindigkeit, die anschließend in ein Computermodell eingegeben wurden, das mithilfe maschinellen Lernens Atome im Erdinneren simuliert.

Mithilfe der künstlichen Intelligenz entstand im Computer eine „Superzelle“ von etwa 30.000 Atomen, die das Forschungsteam nun nutzte, um unter anderem die Eigenschaften der Atome genauer vorherzusagen. Was das Team beobachten konnte, war unerwartet: Gruppen von Atomen bewegten sich und tauschten ihre Plätze, während die zugrunde liegende hexagonale Struktur der Atome beibehalten wurde.

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Innerer Erdkern ist weicher und formbarer als es die Forschung erwartet

Diese unerwartete Bewegung der Atome könnte erklären, warum seismische Messungen des inneren Erdkerns zeigen, dass dieser viel weicher und formbarer ist, als man es bei dem hohen Druck erwarten würde, sagt das Forschungsteam. Erst kürzlich hat ein anderes Forschungsteam die Vermutung aufgestellt, dass im inneren Erdkern flüssiges Eisen eingeschlossen sein könnte.

Youjun Zhang (Sichuan University), Co-Autor der aktuellen Studie, erklärt: „Die große Entdeckung, die wir gemacht haben, ist, dass festes Eisen tief im Erdinneren überraschend weich wird, weil sich seine Atome viel mehr bewegen können, als wir uns je vorgestellt haben. Diese erhöhte Bewegung macht den inneren Kern weniger starr und schwächer gegenüber Scherkräften.“ (tab)