Die komplexe Zusammensetzung des Erdkerns

Der Erdkern, der sich in einen festen inneren und einen flüssigen äußeren Kern unterteilt, stellt aufgrund seiner extremen physikalischen Bedingungen eine der größten Herausforderungen für die geophysikalische Forschung dar. Während seine Hauptbestandteile Eisen und Nickel weitgehend unumstritten sind, bleibt die genaue Zusammensetzung der leichteren Elemente Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Debatten. Diese leichten Elemente – darunter Wasserstoff, Silizium, Sauerstoff, Schwefel und Kohlenstoff – sind essenziell, um das beobachtete Dichtedefizit des Kerns zu erklären und Rückschlüsse auf die thermodynamischen und chemischen Prozesse während der Erdentstehung zu ziehen.

Innovative Hochdruck-Experimente und ihre methodischen Fortschritte

Ein Team um Dongyang Huang von der ETH Zürich hat mit einem neuartigen experimentellen Ansatz die bisherigen Unsicherheiten bezüglich des Wasserstoffgehalts im Erdkern deutlich reduziert. In ihrem Hochdruck-Experiment nutzten die Forscher einen Laser, um eine in Silikatglas eingeschlossene Eisenprobe unter Bedingungen zu setzen, die denen des Erdkerns entsprechen: Temperaturen von bis zu 5.300 Kelvin und Drücke von 85 Gigapascal. Durch die Analyse der dabei entstehenden Nanocluster aus Eisen, Wasserstoff, Silizium und Sauerstoff konnten sie den Wasserstoffgehalt des Kerns präziser als je zuvor bestimmen.

Präzisierung des Wasserstoffgehalts und seine geochemischen Implikationen

Die Studie, veröffentlicht in Nature Communications, quantifiziert den Wasserstoffgehalt des Erdkerns auf 0,07 bis 0,36 Gewichtsprozent. Dies entspricht dem neun- bis 45-fachen des in den irdischen Ozeanen gebundenen Wasserstoffs und bestätigt den Erdkern als das mit Abstand größte Wasserstoffreservoir unseres Planeten. Diese Erkenntnis revidiert frühere Schätzungen, die den Wasserstoffgehalt auf einen Bereich von vier Größenordnungen spannten, und liefert damit eine solide Grundlage für weitere geochemische und geophysikalische Modelle.

Der Ursprung des Wasserstoffs: Akkretionstheoretische Perspektiven

Die Ergebnisse der Studie stützen die Hypothese, dass der Wasserstoff bereits während der Hauptphase der Erdakkretion in den Kern inkorporiert wurde. Demnach brachten Planetesimale und Staubpartikel aus der protoplanetaren Scheibe Wasserstoff mit, der während der Differenzierung der Erde in den Kern gelangte. Diese Theorie impliziert, dass die Erde von Beginn an über signifikante Mengen an Wasser verfügte, was für das Verständnis der frühen Entwicklung unseres Planeten und der Entstehung von Leben von zentraler Bedeutung ist.

Konsequenzen für die geophysikalische und planetologische Forschung

Die präzise Bestimmung des Wasserstoffgehalts im Erdkern hat weitreichende Konsequenzen für verschiedene Disziplinen der Geowissenschaften. Sie ermöglicht nicht nur ein besseres Verständnis der physikalischen Eigenschaften des Kerns, wie seiner Seismologie und Konvektionsdynamik, sondern wirft auch neues Licht auf die Prozesse der Planetenentstehung und -differenzierung. Darüber hinaus unterstreicht die Studie die Notwendigkeit interdisziplinärer Ansätze, die experimentelle Geophysik, geochemische Analysen und theoretische Modellierungen integrieren, um die komplexen Vorgänge im Erdinneren zu entschlüsseln.