Erdmagnetfeld: Kam der Geodynamo erst mit der Mondentstehung in Schwung?

Pasadena (USA) - Seit etwa dreieinhalb Milliarden Jahren ist die Erde von einem Magnetfeld umgeben. Aufgebaut wird es durch turbulente Strömungen im flüssigen äußeren Erdmantel. Um zu erklären, woher genügend Energie für diese gewaltige Umwälzpumpe stammen könnte, schlagen nun kalifornische Geowissenschaftler einen neuen Auftriebs-Mechanismus vor. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnte damit das Rätsel mangelnder Energie während der Frühphase der Erdgeschichte vor seiner Auflösung stehen.

Joseph O’Rourke und David Stevenson vom California Institute of Technology in Pasadena halten es sogar 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 Konvektionströmungen steigen heiße, eisenhaltige Schmelzen auf, kühlen an der Grenze zum Erdmantel ab und sinken darauf wieder ab. Die Forscher gehen nun davon aus, dass dieser Prozess wesentlich durch Magnesium-Minerale, bei Temperaturen von über 4.000 Grad gelöst im flüssigen Eisenkern, unterstützt wurde. Denn beim Aufstieg Richtung Erdmantel sollten sich diese leichteren Minerale an der Kern-Mantel-Grenze abgelagert haben. Zurück blieb eine schwerere Eisenschmelze, die darauf wieder absinken und so den Magnetfeld erzeugenden Konvektionsstrom antreiben konnten.

Grundlage dieser neuen, überraschenden Magnesium-Theorie sind zahlreiche Simulationen, die O’Rourke und Stevenson durchgeführt haben. Ihre Annahmen zur Zusammensetzung, Druck und Temperatur im flüssigen Erdkern stimmten dabei deutlich besser mit bisherigen Erkenntnissen überein als bisherige Theorien über das frühe Erdmagnetfeld. Die Menge an Magnesium im flüssigen Erdkern schätzten sie auf ein bis zwei Gewichtsprozent ab. „Der mögliche Beitrag von Magnesium zum Geodynamo schafft viel Motivation, um unser Wissen weiter auszubauen“, beurteilt Bruch Buffett von der University of California in Berkeley die Relevanz dieser Studie.

Ab einer späteren Phase der Erdgeschichte bis zum heutigen Tage 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 gilt der Zerfall radioaktiven Materials als eine weitere Wärmequelle zum Antrieb des Geodynamos.