Auf der abgelegenen Kola-Halbinsel im Nordwesten Russlands, inmitten der rostigen Ruinen einer verlassenen wissenschaftlichen Forschungsstation, befindet sich das tiefste Loch der Welt. Heute mit einer geschweißten Metallplatte abgedeckt und versiegelt, ist das Kola Superdeep Borehole, wie es genannt wird, ein Überbleibsel eines weitgehend vergessenen Wettlaufs des Kalten Krieges, der nicht auf die Sterne, sondern auf das Erdinnere abzielte.
Ein Team sowjetischer Wissenschaftler begann im Frühjahr 1970 auf Kola zu bohren, mit dem Ziel, so weit in die Erdkruste vorzudringen, wie es ihre Technologie erlauben würde. Vier Jahre bevor die Russen begannen, sich in die Kola-Kruste zu bohren, hatten die Vereinigten Staaten ihr eigenes Tiefbohrprogramm aufgegeben: Projekt Mohole, ein Versuch, sich mehrere Meilen durch den pazifischen Meeresboden zu bohren und eine Probe des darunter liegenden Mantels zu gewinnen. Mohole verfehlte sein Ziel bei weitem und erreichte nach fünf Jahren Bohrung unter mehr als 11.000 Fuß Wasser eine Tiefe von nur 601 Fuß.
Die Sowjets waren hartnäckiger. Ihre Arbeit auf Kola dauerte 24 Jahre lang an – das Projekt überlebte die Sowjetunion selbst. Bevor die Bohrungen 1994 endeten, stieß das Team auf eine 2,7 Milliarden Jahre alte Gesteinsschicht, fast eine Milliarde Jahre älter als der Vishnu-Schiefer am Fuß des Grand Canyon. Die Temperaturen am Boden des Kola-Lochs überstiegen 300 Grad Fahrenheit; das Gestein war so plastisch, dass sich das Loch zu schließen begann, sobald der Bohrer zurückgezogen wurde.
Während die Forscher in Kola geduldig nach unten bohrten, schickten ihre Kollegen im Weltraumrennen Dutzende von Raumschiffen in den Himmel: bis zum Mond, zum Mars und darüber hinaus. Anfang der 1990er Jahre, als die Kola-Bemühungen ins Stocken gerieten, hatte die Voyager-Raumsonde bereits die Umlaufbahn des Pluto hinter sich gelassen. Und die Tiefe des Kola-Lochs nach 24 Jahren Bohrung? Etwa 7,6 Meilen – tiefer als ein umgedrehter Mount Everest und ungefähr auf halbem Weg zum Erdmantel, aber immer noch eine winzige Entfernung, wenn man den Durchmesser der Erde von 7.918 Meilen bedenkt. Wäre die Erde so groß wie ein Apfel, würde das Kola-Loch nicht einmal die Schale durchbrechen.
Alle Minen auf der Erde, alle Stollen, Höhlen und Abgründe, alle Meere und alles Leben existieren innerhalb oder auf der dünnen Schale der felsigen Kruste unseres Planeten, die vergleichsweise viel dünner ist als eine Eierschale. Das immense, tiefe Erdinnere – der Erdmantel und der Erdkern – wurde nie direkt erforscht und wird es wahrscheinlich auch nie. Alles, was wir über den Erdmantel, der etwa 15 Meilen unter der Oberfläche beginnt, und über den Erdkern, der 1.800 Meilen unter uns liegt, wissen, wurde aus der Ferne gesammelt.
Während unser Verständnis für den Rest des Universums fast täglich wächst, schreitet das Wissen über das Innenleben unserer eigenen Welt viel langsamer voran. „In den Weltraum zu gehen, ist einfach viel einfacher, als über eine vergleichbare Distanz nach unten zu gehen“, sagt David Stevenson, ein Geophysiker am California Institute of Technology. „Von 5 auf 10 Kilometer hinunter zu gehen, ist viel schwieriger als von Null auf 5.“
Was die Wissenschaftler jedoch wissen, ist, dass das Leben auf der Erdoberfläche stark von dem beeinflusst wird, was in unzugänglichen Tiefen passiert. Die Hitze des inneren Erdkerns, der so heiß ist wie die Oberfläche der Sonne, wirbelt einen äußeren Kern aus geschmolzenem Eisen und Nickel durcheinander und erzeugt ein Magnetfeld, das die tödliche kosmische und solare Strahlung vom Planeten ablenkt. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie die Erde ohne ihr schützendes Magnetfeld aussehen könnte, müssen wir nur einen Blick auf die leblosen Oberflächen von Welten mit blutarmen Magnetfeldern wie Mars und Venus werfen.
Die planetarische Architektur, die das schützende Feld der Erde bildet, ist seit einigen Jahrzehnten weitgehend verstanden: ein innerer Kern aus festem Eisen, etwa so groß wie der Mond, umgeben von einem 1.400 Meilen dicken äußeren Kern aus flüssigem Eisen und Nickel, mit einem 1.800 Meilen dicken festen Mantel darüber, gekrönt von einer Kruste aus langsam driftenden tektonischen Platten. Aber wenn es um das Zentrum des Planeten geht, ist dieser Bauplan sehr unvollständig.
Um einen Eindruck davon zu bekommen, wie die Erde ohne ihr schützendes magnetisches Schild aussehen könnte, müssen wir nur einen Blick auf die leblose Oberfläche einer Welt wie der Venus werfen.
„Im Moment gibt es ein Problem mit unserem Verständnis des Erdkerns“, sagt Stevenson, „und es ist etwas, das erst in den letzten ein oder zwei Jahren aufgetaucht ist. Das Problem ist ein ernsthaftes Problem. Wir verstehen nicht, wie das Magnetfeld der Erde Milliarden von Jahren überdauert hat. Wir wissen, dass die Erde während des größten Teils ihrer Geschichte ein Magnetfeld hatte. Wir wissen nicht, wie die Erde das gemacht hat. … Wir haben jetzt weniger Verständnis dafür, wie der Erdkern im Laufe der Geschichte funktioniert hat, als wir noch vor einem Jahrzehnt dachten.“
Ein bescheidener Vorschlag
An einem warmen Sommermorgen traf ich mich mit Stevenson in seinem Büro am Caltech in Pasadena. Er war dem Wetter entsprechend gekleidet, trug Shorts, Sandalen und ein kurzärmeliges Hemd. Wir unterhielten uns eine Weile darüber, dass die Oberflächen des Mars und anderer Planeten trotz ihrer Entfernung von Dutzenden oder Hunderten von Millionen Kilometern weitaus besser zugänglich sind als der Erdkern.
„Natürlich ist das Universum über der Erde größtenteils transparent! Man hat also die wunderbare Möglichkeit, Photonen zu nutzen, um etwas über den Rest des Universums zu erfahren“, sagt er. „Aber im Inneren der Erde kann man das nicht tun. Die Methoden, die wir haben, um in das Innere der Erde zu sehen, sind also ziemlich begrenzt.“
Vor elf Jahren veröffentlichte Stevenson in der Zeitschrift Nature einen Artikel, in dem er einen wilden Plan skizzierte, um einige dieser Einschränkungen zu umgehen. Sein Artikel mit dem Titel „Mission to Earth’s core – a modest proposal“ beschrieb einen Weg, eine kleine Sonde direkt ins Zentrum der Erde zu schicken. Der Titel des Artikels war eine Anspielung auf Jonathan Swifts satirischen Essay „A Modest Proposal“ aus dem Jahr 1729, der sich über die harte britische Politik in Irland lustig machte, indem er vorschlug, die Iren sollten ihre Armut dadurch lindern, dass sie ihre Kinder als Fleisch an den englischen Adel verkaufen. Wie Swift argumentierte Stevenson nicht für die tatsächliche Durchführbarkeit seiner Idee; das Papier war ein Gedankenexperiment, eine Übung, um das buchstäblich weltbewegende Ausmaß des Aufwands zu zeigen, der nötig wäre, um tief in den Planeten vorzudringen.
Der erste Schritt auf Stevensons Reise zum Mittelpunkt der Erde: Eine thermonukleare Waffe zur Detonation bringen, um einen Riss mehrere hundert Meter tief in die Erdoberfläche zu sprengen. Als nächstes werden 110.000 Tonnen geschmolzenes Eisen in den Riss gegossen. (Stevenson sagte mir, dass er jetzt denkt, dass 110.000 Tonnen eine Unterschätzung ist. Positiv ist, dass eine nukleare Explosion nicht notwendig sein könnte – eine Million Tonnen konventioneller Sprengstoff könnten ausreichen.) Geschmolzenes Eisen, das etwa doppelt so dicht ist wie der umgebende Mantel, würde den Riss nach unten ausbreiten, bis hin zum Kern. Der Riss hinter dem absinkenden Eisenklumpen würde sich unter dem Druck des umgebenden Gesteins schnell abdichten, so dass keine Gefahr bestünde, dass sich der Riss katastrophal ausbreitet und den Planeten weit aufspaltet. Mit dem sinkenden Eisen würde eine hitzebeständige Sonde von der Größe eines Fußballs mitgerissen werden. Stevenson schätzt, dass sich das geschmolzene Eisen und die Sonde mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mph bewegen und den Kern in einer Woche erreichen würden.
Die Sonde würde Daten über die Temperatur, den Druck und die Zusammensetzung des Gesteins aufzeichnen, das sie durchquert. Da Radiowellen kein festes Gestein durchdringen können, würde die Sonde vibrieren und die Daten in einer Reihe von winzigen seismischen Wellen übertragen. Ein extrem empfindliches Seismometer auf der Erdoberfläche würde die Signale empfangen.
Es liegt im Bereich des Möglichen, eine Sonde zu bauen, die das Eintauchen in geschmolzenes Eisen überlebt, und ihre Daten zu sammeln, aber was ist mit dem Rest des Plans? Könnte eine Version von Stevensons Idee möglicherweise funktionieren?
„Das spezielle Schema, das ich vorgeschlagen habe, ist wahrscheinlich unpraktisch“, sagt er mir, vor allem wegen der enormen Mengen an geschmolzenem Eisen, die benötigt würden. „Aber es war nicht physisch lächerlich. Technisch mag es lächerlich gewesen sein, aber in Bezug auf die physikalischen Prinzipien habe ich keine physikalischen Gesetze verletzt. Ich habe gezeigt, dass man in einer Welt, in der man sich keine Gedanken darüber macht, wie viel Geld man ausgeben würde, das tun könnte, was ich beschrieben habe.“
Eine realistische Mission vorzuschlagen war nicht der Sinn der Arbeit, sagt Stevenson. Er wollte die Grenzen dessen aufzeigen, was man wissen kann, wenn man Theorien über das Erdinnere von der Planetenoberfläche aus aufstellt. „Ich wollte die Leute daran erinnern, dass die Geschichte der Planetenerkundung uns gezeigt hat, wie wichtig es ist, dorthin zu gehen. Immer wieder haben wir Dinge gelernt, wenn wir auf einem Planeten ankamen, die wir nicht vermutet hatten, als wir den Planeten aus der Ferne betrachteten. Ich glaube sehr stark an diesen Aspekt der Wissenschaft.
„Es besteht die Gefahr, dass wir unser Verständnis eines Aspekts des Universums aufspalten, indem wir uns sagen: ‚OK, wir wissen, dass wir nicht dorthin gehen können, also werden wir diese ausgeklügelte Geschichte über das, was dort ist, auf der Grundlage von Fernbeobachtungen aufbauen.‘ Und genau das tun wir für die Erde“, so Stevenson weiter. „Wir wissen nicht einmal, ob das Material in unmittelbarer Nähe des Kerns ganz fest oder teilweise fest ist. Wir kennen den Charakter der Kern-Mantel-Grenze nicht. Es gibt eine Menge Fragen, die man nur genau beantworten kann, wenn man dorthin geht.“
Suche nach dem Zentrum
In Ermangelung eines direkten Zugangs zu allem, was weiter als ein paar Kilometer unter der Erdoberfläche liegt, sind Stevenson und andere Geophysiker gezwungen, sich auf indirekte Methoden zu verlassen, zumindest im Moment. Gebildetes Rätselraten – und nicht so gebildetes Rätselraten – hat in der Geologie eine lange Geschichte. Während Kepler, Galileo und andere im 17. Jahrhundert die Grundlagen der modernen Astronomie schufen, blieb die Erforschung der Erde selbst eine mittelalterliche Wissenschaft, verstrickt in Mythen und phantastischen Vorstellungen.
Eine 1664 vom Jesuitengelehrten Athanasius Kircher veröffentlichte Karte zeigt eine höhlenartige Erde, die mit Kammern durchsetzt ist – manche mit Luft, manche mit Wasser, manche mit Feuer gefüllt. Die Hölle nahm das lodernde Zentrum der Erde ein; das Fegefeuer lag etwas weiter draußen. Von Flammen durchflossene Kanäle erwärmten heiße Quellen, speisten Vulkane und quälten die Verdammten. Was auch immer seine Fehler als Theoretiker waren, Kircher war kein Gelehrter im Sessel. Er ließ sich einmal von einem Assistenten in den aktiven und rauchenden Krater des Vesuvs hinablassen, um Temperaturmessungen vorzunehmen.
Auch die besten Astronomen jener Zeit stolperten, wenn sie ihre Aufmerksamkeit der Erde zuwandten. In einer 1692 veröffentlichten Arbeit behauptete Edmond Halley, der später für die Kartierung der Umlaufbahn seines gleichnamigen Kometen berühmt wurde, dass die Erde größtenteils hohl sei und aus drei konzentrischen Schalen bestehe, die um einen Kern rotierten. Er schätzte, dass die äußerste Schale – die, auf der wir leben – 500 Meilen dick ist (Halley stützte seine Berechnungen auf ein falsches Ergebnis von Isaac Newton bezüglich der relativen Massen von Mond und Erde, was Halley dazu veranlasste, die Masse der Erde grob zu unterschätzen). Atmosphären aus glühendem Gas trennten die Schalen, von denen jede ihre eigenen magnetischen Pole hatte. Halley glaubte, dass die inneren Schalen sogar bewohnt und von unterirdischen Sonnen beleuchtet sein könnten.
Ein detailliertes Bild der Erdstruktur ergab sich erst nach der Erfindung des zeitaufzeichnenden Seismographen im Jahr 1875. Der erste Seismograph Nordamerikas wurde Ende des 19. Jahrhunderts am Lick Observatory in der Nähe von San Jose, Kalifornien, installiert; er zeichnete das Erdbeben von San Francisco 1906 auf. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erlaubte ein globales Netzwerk der Instrumente den Forschern, seismische Wellen aufzuzeichnen, die sich von einer Seite des Planeten zur anderen bewegten.
Ein Erdbeben, das stark genug ist, um gefühlt zu werden, tritt irgendwo auf der Welt etwa alle 30 Minuten auf. Jedes setzt eine Vielzahl von seismischen Wellen frei. Zusätzlich zu den Wellen, die die Erdoberfläche verzerren und so viel Zerstörung verursachen, erzeugen Erdbeben zwei weitere Arten von seismischer Energie, die durch den gesamten Körper des Planeten abprallen. Primärwellen, oder P-Wellen, komprimieren die Gesteins- oder Flüssigkeitsschichten, die sie durchdringen. Sie bewegen sich mit mehr als 16.000 Fuß pro Sekunde durch Granit. Sekundäre Wellen, oder S-Wellen, ziehen das Gestein auseinander, während sie durch den Planeten wellenförmig laufen und erzeugen das, was Wissenschaftler Scherkräfte nennen. Sie bewegen sich mit etwa der halben Geschwindigkeit der P-Wellen und sind der zweite Wellentyp, der die Seismographen erreicht, daher ihr Name.
Sekundärwellen bewegen sich nur durch Festkörper; Scherkräfte gibt es in Flüssigkeiten nicht (da Flüssigkeiten nicht auseinandergerissen werden können). Die Geschwindigkeiten und Wege beider Wellentypen variieren mit der Dichte und Elastizität der Materialien, auf die sie treffen. Immer wenn die Wellen eine Grenze zwischen Regionen mit unterschiedlicher Dichte oder anderen Eigenschaften erreichen, werden sie von ihrer Flugbahn abgelenkt. Durch die Analyse dieser Art von Daten aus seismischen Wellen können Wissenschaftler die Gesteine und Metalle identifizieren, aus denen der Erdmantel und der Erdkern bestehen.
Bis weit ins 20. Jahrhundert hinein glaubten die meisten Wissenschaftler, die Erde habe einen flüssigen Eisenkern. Die Beweise schienen eindeutig: Seismische Karten des Erdinneren zeigten ein Fehlen von S-Wellen im Zentrum der Erde, vermutlich weil die Wellen auf eine flüssige Zone trafen, durch die sie sich nicht ausbreiten konnten. Seismische Studien zeigten auch, dass alle Erdbeben eine „Schattenzone“ für P-Wellen auf der Erdoberfläche erzeugten, in der die Primärwellen an einigen seismischen Stationen nicht ankamen; die Lage der Schattenzone für P-Wellen variierte mit dem Ursprungspunkt des Erdbebens. Um die Schattenzone zu erklären, schlussfolgerten die Wissenschaftler, dass der vermutete flüssige Erdkern die P-Wellen von ihrer erwarteten Flugbahn ablenkt, so dass sie nicht an allen seismografischen Stationen aufgezeichnet werden würden. Der erste Hinweis, dass die Erde tatsächlich einen festen Eisenkern unter einer flüssigen Schicht hat, kam 1929, nachdem ein Erdbeben der Stärke 7,8 Neuseeland erschütterte. Solche großen Erschütterungen liefern eine Fülle von Daten, und Forscher auf der ganzen Welt durchforsteten in der Zeit nach dem Beben die Aufzeichnungen der Seismographen. Doch nur einem Wissenschaftler fiel etwas Ungewöhnliches auf. Inge Lehmann, eine dänische Seismologin, machte akribische Notizen über die seismische Aktivität, einschließlich der Ankunftszeit der P-Wellen, an verschiedenen seismographischen Stationen. (Lehmann hielt ihre Notizen auf Karten fest, die sie in leeren Haferflockenschachteln aufbewahrte.) Sie fand P-Wellen in Zonen, die eigentlich P-Wellen-Schattenzonen sein sollten. Wenn der Erdkern vollständig flüssig wäre, hätten die P-Wellen von den Schattenzonen weggelenkt werden müssen. In einer 1936 veröffentlichten Arbeit argumentierte sie, dass die anomalen P-Wellen von einer dichteren Struktur innerhalb des flüssigen Kerns abgelenkt worden sein müssen, wodurch sie auf Flugbahnen in die Schattenzonen geschickt wurden. Lehmann schloss daraus, dass die Erde einen festen inneren Kern haben muss. Erst 1970 wurden die Instrumente empfindlich genug, um zweifelsfrei zu beweisen, dass sie Recht hatte. Lehmann, die ihre letzte wissenschaftliche Arbeit mit 98 Jahren veröffentlichte, starb 1993 im Alter von 104 Jahren.
Earth’s Burning, Churning Engine
Mit der Entdeckung der Beschaffenheit des inneren Kerns waren die grundlegenden Komponenten der Erdzusammensetzung – und sogar die Entwicklung des Planeten aus seinen geschmolzenen Ursprüngen – geklärt. Oder so schien es bis vor kurzem. Neue Forschungen haben einen Fehler in unserem Verständnis des Kerns aufgedeckt – insbesondere in Bezug auf die Art und Weise, wie Wärmeenergie aus dem Kern und durch den darüber liegenden Mantel fließt. Das Problem wirft wichtige Fragen über das Alter des inneren Kerns auf und darüber, wie die Erde ihr Magnetfeld erzeugt, ein Phänomen, das für die Existenz von Leben entscheidend ist.
Basierend auf der radioaktiven Datierung von altem Gestein schätzen Wissenschaftler, dass sich die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren gebildet hat. Als die geschmolzene Proto-Erde abkühlte, verhärtete sich ihre äußerste Schicht zu einer dünnen Kruste. Auch der Erdmantel verfestigte sich im Laufe der Zeit, obwohl die Temperatur im unteren Erdmantel auch heute noch bei etwa 4.000 Grad Celsius liegt.
Der innere Kern, der einst völlig flüssig war, verfestigt sich langsam von innen nach außen und vergrößert seinen Durchmesser nach einigen Schätzungen um etwa einen halben Millimeter pro Jahr. Der Schmelzpunkt von Eisen ist bei höherem Druck höher, und als der Planet abkühlte, verhinderten die extremen Drücke im Zentrum der Erde schließlich, dass das Eisen dort weiterhin flüssig bleiben konnte. Trotz sonnenähnlicher Temperaturen begann sich der innere Kern zu verfestigen, und er wächst seitdem. Unter etwas geringerem Druck ist der äußere Kern – ein 1.400 Meilen tiefes, 8.000 Grad heißes Meer aus Eisen und Nickel – immer noch heiß genug, um flüssig zu sein. „Es würde durch Ihre Hände fließen wie Wasser“, sagt Bruce Buffett, ein Geophysiker an der University of California, Berkeley.
Alle Schichten der Erde, vom Kern bis zur Kruste, sind in ständiger Bewegung, verursacht durch den Wärmefluss. Wärme bewegt sich im Erdinneren auf zwei grundlegend verschiedene Arten: Konvektion und Leitung. Konvektion tritt auf, wenn Wärme von unten eine Bewegung in den darüber liegenden Schichten erzeugt – erhitztes Material steigt auf, fällt dann wieder zurück, wenn es abkühlt, nur um erneut erhitzt zu werden. Konvektion ist das, was einen Topf mit kochender Suppe zum Brodeln bringt. Tief im Erdinneren verursachen die langsame Konvektion von Gesteinsmineralien im Erdmantel und der Wärmeverlust aus dem abkühlenden festen inneren Kern die Konvektion im flüssigen äußeren Kern.
Wärme bahnt sich ihren Weg durch die Erde auch durch Konduktion – die Übertragung von Wärmeenergie durch Moleküle innerhalb eines Materials von heißeren zu kälteren Bereichen – ohne irgendeine Bewegung zu verursachen. Um das Beispiel mit der Suppe fortzusetzen: Wärme wird durch den Boden des Metalltopfes geleitet. Das Metall im Topf bewegt sich nicht; es überträgt oder leitet lediglich Wärme an den Inhalt des Topfes. So ist es auch im Erdinneren: Zusätzlich zu den Konvektionsströmen, die erhitztes Material durch den äußeren Kern und den Erdmantel bewegen, wird Wärme durch Flüssigkeiten und Feststoffe geleitet, ohne dass diese aufgewühlt werden.
Forscher wissen seit vielen Jahrzehnten, dass das langsame, konvektive Schwappen von flüssigem Eisen im äußeren Kern, unterstützt durch die Erdrotation, das Magnetfeld des Planeten erzeugt. Wenn das geschmolzene Eisen fließt, erzeugt es elektrische Ströme, die lokale Magnetfelder erzeugen. Diese Felder wiederum erzeugen weitere elektrische Ströme, ein Effekt, der zu einem sich selbst erhaltenden Zyklus führt, der Geodynamo genannt wird. Beweise aus alten Gesteinen zeigen, dass der Geodynamo der Erde seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren in Betrieb ist. (Wenn sich Gesteine bilden, richten sich ihre magnetischen Mineralien nach dem Erdfeld aus, und diese Ausrichtung bleibt erhalten, wenn die Gesteine erstarren, was Geophysikern eine in Stein gemeißelte Aufzeichnung der magnetischen Vergangenheit des Planeten liefert)
Aber hier liegt das grundlegende Problem mit unserem Verständnis des Geodynamos: Er kann nicht so funktionieren, wie Geophysiker lange geglaubt haben. Vor zwei Jahren entdeckte ein Team von Wissenschaftlern zweier britischer Universitäten, dass flüssiges Eisen bei den Temperaturen und Drücken, die im äußeren Kern herrschen, viel mehr Wärme in den Erdmantel leitet, als man bisher für möglich gehalten hatte. „Frühere Schätzungen waren viel zu niedrig“, sagt Dario Alfè, ein Geophysiker am University College London, der an der neuen Forschung beteiligt war. „Die Leitfähigkeit ist zwei- oder dreimal höher als das, was man bisher dachte.“
Die Entdeckung ist ärgerlich: Wenn flüssiges Eisen so viel Wärme in den Mantel leitet, wäre im äußeren Kern nicht mehr genug Wärme vorhanden, um den Ozean aus flüssigem Eisen umzuwälzen. Mit anderen Worten: Es gäbe keine wärmegetriebene Konvektion im äußeren Kern. Wenn ein Topf mit Suppe die Wärme so effektiv an die umgebende Luft abgeben würde, würde die Konvektion nie einsetzen und die Suppe würde nie kochen. „Das ist ein großes Problem“, sagt Alfè, „denn die Konvektion ist der Antrieb des Geodynamos. Ohne Konvektion gäbe es keinen Geodynamo.“
Alfè und seine Kollegen benutzten Supercomputer, um eine „First Principles“-Berechnung des Wärmeflusses im flüssigen Eisen des Erdkerns durchzuführen. Mit „ersten Prinzipien“ meinen sie, dass sie einen Satz komplexer Gleichungen lösten, die die atomaren Zustände von Eisen bestimmen. Sie schätzten nicht ab oder extrapolierten aus Laborexperimenten – sie wandten die Gesetze der fundamentalen Quantenmechanik an, um die Eigenschaften von Eisen bei extremen Drücken und Temperaturen abzuleiten. Die britischen Forscher verbrachten mehrere Jahre damit, die mathematischen Techniken zu entwickeln, die in den Gleichungen verwendet werden; erst in den letzten Jahren sind Computer leistungsfähig genug geworden, um sie zu lösen.
„Es war aufregend und beängstigend, weil wir Werte gefunden haben, die ganz anders waren als das, was die Leute bisher benutzt haben“, sagt Alfè über die Entdeckung. „Das erste, was man denkt, ist: ‚Damit will ich nicht falsch liegen.‘ „
Keine Einschläge, kein Magnetfeld, kein Leben?
Die Arbeit hat seit ihrer Veröffentlichung in Nature vor zwei Jahren eine breite Akzeptanz gefunden, vor allem, da ihre First-Principles-Berechnungen nun eine gewisse experimentelle Unterstützung haben. Ein japanisches Forscherteam fand kürzlich heraus, dass kleine Proben von Eisen, wenn sie im Labor hohen Drücken ausgesetzt wurden, die gleichen Wärmeübertragungseigenschaften zeigten, die Alfè und seine Kollegen vorhergesagt hatten. Stevenson, der Geophysiker vom Caltech, sagt, dass die neuen Werte für die Leitfähigkeit von flüssigem Eisen wahrscheinlich den Test der Zeit überstehen werden. „Es ist möglich, dass die Zahlen ein wenig sinken, aber ich wäre überrascht, wenn sie ganz auf den konventionellen Wert sinken würden“, sagt er.
Wie lassen sich also die neuen Erkenntnisse mit der unbestreitbaren Existenz des Magnetfeldes des Planeten vereinbaren? Stevenson und andere Forscher haben zuvor einen zweiten Mechanismus neben dem Wärmefluss vorgeschlagen, der die erforderliche Konvektion im äußeren Kern erzeugen könnte. Der innere Kern besteht zwar fast vollständig aus reinem Eisen, aber man nimmt an, dass er auch Spuren von leichteren Elementen enthält, vor allem Sauerstoff und Silizium. Wenn das Eisen im inneren Kern abkühlt und sich verfestigt, so die Hypothese der Forscher, würden einige dieser leichten Elemente herausgepresst werden, ähnlich wie das Salz, das aus Eiskristallen austritt, wenn Meerwasser gefriert. Diese leichten Elemente würden dann in den flüssigen äußeren Kern aufsteigen und Konvektionsströme erzeugen. Diese sogenannte Kompositionskonvektion wäre eine weitere Möglichkeit, den Geodynamo anzutreiben.
Die Kompositionskonvektion würde aber nur funktionieren, wenn sich bereits ein innerer Kern gebildet hätte. In einem rein flüssigen Kern wären die leichten Elemente gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt, es gäbe also keine Kompositionskonvektion. Basierend darauf, wie schnell der Erdkern jetzt abkühlt und sich verfestigt, ist es wahrscheinlich, dass sich der innere Kern erst vor relativ kurzer Zeit gebildet hat, vielleicht innerhalb der letzten Milliarden Jahre.
Ein Großteil der Aufprallenergie der primordialen Kollisionen wäre in Wärme umgewandelt worden und hätte das Erdinnere verflüssigt.
Wie konnte der Geodynamo mindestens ein paar Milliarden Jahre lang funktionieren, bevor der innere Kern existierte? „Das Problem liegt eigentlich in der Vergangenheit der Erde“, nicht in der Gegenwart, sagt Alfè. „Das ist der Punkt, an dem neue Hypothesen auftauchen. Einige Leute sagen, dass die Erde in der Vergangenheit vielleicht viel heißer war.“
Wenn die junge Erde mehr Wärme enthielt, als die aktuellen Theorien berücksichtigen, könnte genug übrig geblieben sein, um die notwendige Konvektion anzutreiben, selbst wenn man die neuen Erkenntnisse über die höhere Leitfähigkeit von flüssigem Eisen berücksichtigt. Was könnte die zusätzliche Wärme geliefert haben? Eine der führenden Erklärungen hätte die Vorstellungskraft selbst der erfinderischsten mittelalterlichen Kartenzeichner überfordert: Primordiale Kollisionen zwischen der jungen Erde und anderen Protoplaneten drückten Mantelmaterial in den Kern und sorgten so für die Hitze, die den Geodynamo der Erde in Gang setzte.
Die Idee, dass ein marsgroßer Körper vor etwa 4,5 Milliarden Jahren auf die Erde prallte, wurde erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen, um die verblüffende Ähnlichkeit von Mondgestein mit irdischem zu erklären. Mondgestein ist in dieser Hinsicht einzigartig. Meteoriten zum Beispiel haben chemische und elementare Profile, die sie eindeutig als andersweltlich kennzeichnen. „Aber Gesteine vom Mond und von der Erde sehen identisch aus“, sagt Buffett.
Hätte es diesen Vorrat an überschüssiger Wärme nicht gegeben, wäre der Geodynamo der Erde vielleicht nie in Gang gekommen. Und ohne ein schützendes Magnetfeld um den Planeten hätte die Sonnenstrahlung die Erdatmosphäre abgestreift und die Oberfläche bombardiert, was offenbar das Schicksal des Mars war. Es könnte sein, dass mehrere scheinbar disparate Phänomene wesentlich dazu beigetragen haben, die Erde zu einer bewohnbaren Welt zu machen: die Entstehung des Mondes, das planetare Magnetfeld, die Plattentektonik und das Vorhandensein von Wasser. Ohne die Kollision, durch die der Mond entstand, hätte es nicht genug Wärme gegeben, um die Konvektion im Erdkern in Gang zu setzen und das Magnetfeld zu verstärken. Ohne Wasser wäre die Erdkruste vielleicht zu stark geblieben, um in tektonische Platten aufgespalten zu werden; und ohne eine tektonisch zerbrochene Kruste wäre zu viel Wärme im Erdinneren eingeschlossen worden. Ohne dass sich die Erde abkühlen könnte, hätte es keine Konvektion und Konduktion gegeben.
„Hängen diese Dinge zusammen oder sind sie nur glückliche Zufälle?“, fragt Buffett. „Wir wissen es nicht mit Sicherheit. Diese Korrespondenzen sind faszinierend. Man kann sich die Venus anschauen: keine Plattentektonik, kein Wasser, kein Magnetfeld. Je mehr man sich das ansieht und darüber nachdenkt, desto mehr denkt man, dass das kein Zufall sein kann. Der Gedanke, dass all diese Dinge miteinander verbunden sein könnten, ist irgendwie wundersam.“
Ist die Erde also einzigartig? Braucht das Leben mehr als Sauerstoff, Wasser und geeignete Temperaturen? Sind auch eine zufällige Urkollision und ein Mond notwendig, zusammen mit einem aufgewühlten flüssigen Kern? Wie wiederholbar könnten die Umstände sein, die unsere Welt hervorbrachten, mit einer Kruste voller Leben, abgeschirmt von einem feindlichen Kosmos durch einen 3,5 Milliarden Jahre alten internen Motor aus Hitze und Eisen?
„Es ist immer noch nicht klar, wie ungewöhnlich unser Sonnensystem ist“, sagt Stevenson. „Klar ist, dass Planeten extrem häufig sind – daran gibt es keinen Zweifel. Aber die Entstehung von Planeten ist kein deterministischer Prozess. Es ist ein chaotischer Prozess, der eine Vielzahl von Ergebnissen hat. Allein in unserem Sonnensystem gibt es auffällige Unterschiede zwischen Erde und Venus. Ich denke, es ist eine Frage des Zufalls, wie sich das Spiel entwickelt hat, wie die Würfel gefallen sind.“
Die Antworten könnten kommen, wenn wir mehr über die Art von Welten erfahren, die andere Sterne umkreisen, sagt Stevenson. Vielleicht wird eine Handvoll dieser Welten unserer eigenen ähneln, vielleicht aber auch Tausende. Und vielleicht wird eine dieser Welten Bewohner haben, die auf einer dünnen, veränderlichen Kruste leben, bohren, Beben überwachen, Theorien aufstellen, versuchen zu verstehen, was unter ihnen liegt, und sich fragen, ob ihre Welt wundersam oder alltäglich ist.