Als der bahnbrechende Science-Fiction-Autor Jules Verne die Reise Zum Mittelpunkt der Erde schrieb 1864 wusste er wahrscheinlich, dass seine Handlung reine Fantasie war. Vernes Charaktere schafften es nur ein paar Meilen nach unten, aber die Idee, dass irgendjemand auch nur daran denken könnte, in den Erdkern zu reisen, wurde vor der viktorianischen Zeit verworfen.
Tatsächlich haben wir auch heute noch am weitesten in die Erde gebohrt:etwa 12 km, während die Entfernung zum Zentrum mit 6.370 km über 500-mal weiter ist.
Woher wissen wir also, was darunter liegt? Herauszufinden, was das Herz unseres Planeten ist, war ein großartiges wissenschaftliches Rätsel.
Woher wissen wir, dass die Erde rund ist?
Die Vorstellung, dass die Erde ein bedeutungsvolles Zentrum hat, geht Hand in Hand mit der Form des Planeten wie eine Kugel, und wir wissen, dass wir nicht seit Ewigkeiten auf einer Scheibe leben lange Zeit.
Es ist ein Mythos, dass die Menschen im Mittelalter dachten, die Erde sei eine Scheibe – dies kam tatsächlich von einer Mischung aus viktorianischer antireligiöser Propaganda und einer Fehlinterpretation der stilisierten Karten dieser Zeit.
Vor über 2.200 Jahren führte der griechische Universalgelehrte Eratosthenes die erste Messung der Entfernung um die Erdkugel durch, und seitdem ist klar, dass sie einen Mittelpunkt haben muss.
Das heißt aber nicht, dass frühe Philosophen daran gedacht haben Erde, wie wir es heute tun.
Die altgriechische Physik besagt, dass die Welt aus einer Reihe konzentrischer Sphären mit vier Grundelementen besteht:Erde, Wasser, Luft und schließlich Feuer.
In diesem ältesten wissenschaftlichen Bild musste das Zentrum des Planeten fest sein, da Luft nicht innerhalb der Erdkugel sein konnte.
Offensichtlich war die Erdkugel nicht vollständig von Wasser umgeben, oder es gäbe kein trockenes Land, also dachte man, dass ein Stück Erde herausragt – was bedeutet, dass dies der Fall sein könnte nur ein Kontinent.
Infolgedessen war die Entdeckung Amerikas tatsächlich eines der ersten experimentellen wissenschaftlichen Ergebnisse, das die Idee eines einzigen Kontinents widerlegte und einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zur Umsiedlung markierte jenseits des altgriechischen wissenschaftlichen Denkens.
Die Vorstellung, dass die Erde vollständig hohl ist oder riesige Höhlen hat bis ins Zentrum reichend, wie in Vernes Buch, ist seit der Antike in der Fiktion und Mythologie beliebt und kommt auch in Pseudowissenschaften und Verschwörungstheorien vor.
Allerdings ist nicht klar, dass irgendein Wissenschaftler außer dem Astronomen Edmond Halley, der 1692 eine hohle Erde vorschlug, um einige ungewöhnliche Kompassanzeigen zu erklären, diese Idee jemals ernst genommen hat.
Und 1798 schlug ein englischer Wissenschaftler und Exzentriker den letzten Nagel in den Sarg der Hypothese der „hohlen Erde“. Treten Sie vor, Henry Cavendish, mit einem Experiment, um den Planeten genau zu wiegen.
Wie viel wiegt die Erde?
Cavendish war ein seltsamer Mann, der mit seinen Dienern nur über Notizen kommunizierte, um ein persönliches Treffen zu vermeiden.
Trotz seines aristokratischen Hintergrunds widmete Cavendish sein Leben der Wissenschaft, arbeitete sowohl in der Chemie als auch in der Physik und entwickelte vor allem ein Experiment zur Berechnung der Erddichte.
Verwendung einer einfachen Torsionswaage, die die Höhe der Torsionskraft maß verursacht durch die Anziehungskraft zweier großer Kugeln auf ein kleineres Paar, war Cavendish in der Lage, die schwache Anziehungskraft zwischen den beiden Kugelpaaren zu berechnen.
Indem er dies mit der eigenen Anziehungskraft der Erde vergleicht, konnte er die Dichte des Planeten (und, da die Größe der Erde bereits bekannt war, auch seine Masse) berechnen.
Aber die Dichtezahl zeigte, dass unser Planet größtenteils fest sein muss, es sei denn, es gäbe irgendwo in der Tiefe extrem dichte unbekannte Materialien.
Woher wissen wir, was sich im Erdkern befindet?
Heute teilen wir das Innere der Erde in drei Segmente:die Kruste, die äußere Schicht, zwischen 5 km und 75 km dick, der Erdmantel, der sich bis in eine Tiefe von etwa 2.900 km erstreckt, wobei sich die Dicke des Kerns – das Bit, an dem wir hier interessiert sind – etwa 3.500 km vom Erdmittelpunkt entfernt erstreckt, mit zwei unterschiedlichen Segmenten.
Im Herzen des Kerns befindet sich eine extrem heiße, aber immer noch feste Nickel-Eisen-Kugel mit einem Radius von etwa 1.200 km. Mit etwa 5.400 °C hat dieser innere Kern eine ähnliche Temperatur wie die Oberfläche der Sonne. Der Rest ist der flüssige äußere Kern der Erde, der hauptsächlich aus Nickel-Eisen besteht, mit ähnlichen Temperaturen, der zum Zentrum hin heißer wird.
Aber wie können wir solche Details über einen Ort erfahren, der so unzugänglich ist?
Angesichts der nahezu unmöglichen Möglichkeit, jemals auch nur auf tausend Kilometer an den Kern heranzukommen, ist unser gesamtes Wissen indirekt und hängt von der Seismologie ab – der Wissenschaft der Erdbeben.
Nach einem Beben wandern seismische Wellen durch die Erde und verändern ihre Form und Richtung abhängig von den Materialien, die sie durchlaufen. Geophysiker haben diese Informationen verwendet, um abzuleiten, was im Kern der Erde liegt.
Ihre Seismometer, Geräte zur Messung solcher Wellen, sind das Äquivalent zu Teleskopen zur Erforschung des Erdinneren.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts deuteten die steigenden Temperaturen, als wir tiefer in die Erde gruben, in Verbindung mit der Analyse der Erdwellen durch Seismologen darauf hin, dass die inneren Teile unseres Planeten zumindest teilweise geschmolzen waren – heiß genug, um Gestein und Metall in Flüssigkeit zu verwandeln.
Und die wichtigsten Entdeckungen wurden von zwei Wissenschaftlern gemacht, die beschämenderweise nicht einmal für einen Nobelpreis nominiert wurden:der britische Geologe Richard Oldham und die dänische Seismologin Inge Lehmann.
Was können uns Wellen über die Struktur der Erde sagen?
Denken Sie an eine Welle, und Sie werden wahrscheinlich an eine Oberflächenwelle denken, wie Sie sie auf dem Meer sehen würden. Aber viele Wellen – zum Beispiel Schall – wandern durch den Körper eines Materials.
Obwohl die seismischen Wellen, die bei einem Erdbeben Schäden verursachen, diejenigen sind, die sich an der Oberfläche ausbreiten, gibt es auch zwei Arten von „Körperwellen“, die sich durch die Erde bewegen. P-Wellen („P“ steht für „primary“) sind Longitudinalwellen, genau wie Schall.
Sie vibrieren in Bewegungsrichtung, wodurch sich die Erde beim Durchgang zusammendrückt und ausdehnt.
P-Wellen breiten sich schnell aus – etwa 5 km pro Sekunde in einem Felsen wie Granit und bis zu 14 km pro Sekunde in den dichtesten Teilen des Mantels.
Die zweite Art von Körperwelle, S-Wellen („S“ steht für „sekundär“), sind langsamere Querwellen, die sich von einer Seite zur anderen bewegen. Im Gegensatz zu P-Wellen können sie sich nicht durch eine Flüssigkeit ausbreiten, weshalb sich diese beiden Arten von Wellen als wesentlich erwiesen haben, um uns dabei zu helfen, den Erdkern zu verstehen.
Stellen Sie sich vor, es gibt ein riesiges Erdbeben. Wellen beginnen sich durch die Erde zu bewegen.
Die P-Wellen schießen voraus, während die S-Wellen folgen hinterher mit etwa halber Geschwindigkeit. Beide Arten von Wellen werden von Seismometern erfasst, die zur Messung von Bodenvibrationen auf der ganzen Erde verwendet werden.
Aber dort, wo die Wellen durch den Kern dringen, um eine entfernte Messstation zu erreichen, gibt es eine sogenannte Schattenzone. Reisen Sie etwa 104° um den Erdumfang vom Epizentrum des Bebens und die Wellen verschwinden. Aber ab 140° erscheinen die P-Wellen wieder, ohne begleitende S-Wellen.
Schon 1906 erkannte Richard Oldham die Auswirkungen dieses seltsamen Schattens. Oldham verbrachte den größten Teil seiner Karriere beim Geological Survey of India und arbeitete oft im Himalaya.
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Als er sich 1903 nach Großbritannien zurückzog, nutzte er die in den letzten Jahren gesammelten Daten, um das Innere der Erde zu untersuchen. Er erkannte, dass das beobachtete Verhalten von P-Wellen und S-Wellen erklärt werden könnte, wenn der Erdmittelpunkt flüssig wäre.
In einem solchen Fall würden P-Wellen von der Flüssigkeit gebrochen, sich wie Licht biegen, wenn es sich von Wasser zu Luft bewegt, und einen markanten Schatten hinterlassen. Im Gegensatz dazu würden S-Wellen vollständig durch einen flüssigen Kern gestoppt werden.
Oldhams Durchbruch führte zu einem weithin akzeptierten Bild eines geschmolzenen Kerns, aber 30 Jahre später erkannte Inge Lehmann, dass Oldhams Idee zu einfach war.
Die Brechung der P-Wellen durch die dichte Flüssigkeit im Erdmittelpunkt hätte einen totalen Schatten erzeugen müssen.
Tatsächlich zeigten Messungen mit den empfindlicheren Seismometern, die zu Lehmanns Zeiten verfügbar waren, dass schwache P-Wellen immer noch in der Schattenzone eintrafen.
Durch Untersuchung von Daten, die von einem Erdbeben in Neuseeland im Jahr 1929 durch den Planeten flossen Lehmann schlug vor, dass diese Wellen an der Grenze zwischen einem inneren festen Kern und der äußeren Flüssigkeit reflektiert wurden.
Ihre 1936 veröffentlichten Ergebnisse wurden zwei Jahre später von Beno Gutenberg und Charles Richter bestätigt, die die Auswirkungen eines festen Kerns genau modellierten.
Direkte Messungen dieser reflektierten seismischen Wellen kamen schließlich 1970.
Woraus besteht der Kern der Erde?
Weitere Studien nahmen noch subtilere Wellen auf, die aufgrund ihrer verzögerten Ankunft den flüssigen äußeren Kern als P-Wellen durchquert haben müssen, bevor sie im inneren Kern in transversale S-Wellen umgewandelt wurden , und dann zurück zu P-Wellen auf dem Weg nach draußen.
Diese Entdeckung, die erst 2005 bestätigt wurde, war ein weiterer Beweis für den soliden Kern.
Trotzdem ist die genaue Beschaffenheit des inneren Kerns Gegenstand erheblicher Debatten. Temperaturen können zum Beispiel nur aus experimentellen Studien darüber abgeleitet werden, wie Materialien unter Druck schmelzen und erstarren.
Eigentlich die Annahme, dass der Kern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht stammt aus einer Kombination aus der Häufigkeit, mit der verschiedene Elemente in unserer lokalen Region der Milchstraße vorkommen, und unserem Verständnis davon, wie sich unser Planet gebildet hat.
Unter dem immensen Druck im Zentrum der Erde – mehr als das Dreimillionenfache des atmosphärischen Drucks – können sich Materialien ganz anders verhalten als unter normalen Bedingungen.
Während der offensichtlichste Anwärter auf den inneren Kern eine massive Nickel-Eisen-Legierung ist, ist es möglich, dass ein extrem dichtes Plasma – der Materiezustand eines Sterns – ähnliche Eigenschaften aufweist. Eine der Schwierigkeiten dabei ist, zu wissen, wie sich Materialien in solch extremen Umgebungen verhalten.
Betritt die Diamantambosszelle.
In diesem bemerkenswerten Gerät werden die Spitzen zweier Diamanten mit einem Durchmesser von nur einem Bruchteil eines Millimeters zusammengepresst.
Eine Kraftanwendung auf eine kleine Fläche erzeugt mehr Druck als eine Kraftanwendung auf eine breite Fläche – deshalb ist es viel schmerzhafter, mit einem Pfennigabsatz getreten zu werden, als mit einer flachen Sohle.
Der Diamantamboss erzeugt einen bis zu doppelt so hohen Druck wie der Erdkern, und die Erwärmung erfolgt mithilfe von Lasern.
Wenn Metallproben zerkleinert und auf kernähnliche Bedingungen erhitzt werden, deuten die Ergebnisse auf einen kristallinen Feststoff im Zentrum der Erde hin.
Realistisch gesehen werden wir nie auch nur in die Nähe des Erdkerns kommen.
Die Wärme-, Druck- und Radioaktivitätswerte (eine der Hauptquellen der internen Erwärmung) sind so hoch, dass selbst wenn wir über 6.000 km Gestein und Metall durchbohren könnten, eine Sonde ausreichen würde unfähig zu überleben.
Im Vergleich zum Erreichen des Kerns ist das Reisen in die äußeren Bereiche des Sonnensystems trivial.
Aber die eigenen Schwingungen unseres Planeten, die von Erdbeben erzeugt und von so genialen Wissenschaftlern wie Inge Lehmann interpretiert wurden, geben uns die Möglichkeit, mit unserem Verstand zu erkunden, wo wir niemals persönlich hinkommen werden.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 304 von BBC Focus