Tief im Inneren der Erde befindet sich eine feste Metallkugel, die sich unabhängig von der Rotation unseres Planeten dreht, wie ein Kreisel in einem größeren Kreisel, der von Geheimnissen umgeben ist.
Der innere Kern der Erde hat Forscher seit seiner Entdeckung durch die dänische Seismologin Inge Lehmann im Jahr 1936 fasziniert, und seine Bewegung – seine Geschwindigkeit und Rotationsrichtung – steht seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Debatte. Immer mehr Beweise deuten darauf hin, dass sich die Drehung des Erdkerns in den letzten Jahren dramatisch verändert hat, aber die Wissenschaftler sind sich immer noch nicht einig darüber, was tatsächlich passiert – und was es bedeutet.
Ein Teil des Problems besteht darin, dass das Erdinnere nicht direkt beobachtet oder beprobt werden kann. Seismologen haben Informationen über die Bewegung des inneren Kerns gesammelt, indem sie untersucht haben, wie sich Wellen großer Erdbeben, die dieses Gebiet treffen, verhalten. Variationen zwischen Wellen ähnlicher Stärke, die zu unterschiedlichen Zeiten durch den Kern laufen, ermöglichen es Wissenschaftlern, Veränderungen in der Position des inneren Kerns zu messen und seinen Spin zu berechnen.
„Die unterschiedliche Rotation des inneren Kerns wurde in den 1970er und 1980er Jahren als Phänomen vorgeschlagen, aber erst in den 1990er Jahren wurden seismologische Beweise veröffentlicht“, sagte Dr. Lauren Waszek, Dozentin für Physik an der James Cook University in Australien.
Die Forscher diskutierten jedoch darüber, wie diese Ergebnisse zu interpretieren seien, „hauptsächlich wegen der Herausforderungen bei detaillierten Beobachtungen des inneren Kerns, aufgrund seiner Abgeschiedenheit und der begrenzten verfügbaren Daten“, sagte Waszek. Infolgedessen „waren die in den folgenden Jahren und Jahrzehnten durchgeführten Studien uneinig über die Rotationsgeschwindigkeit sowie ihre Richtung relativ zum Erdmantel“, fügte er hinzu. Einige Analysen deuten sogar darauf hin, dass sich der Kern überhaupt nicht dreht.
Ein vielversprechendes Modell, das 2023 vorgeschlagen wurde, beschreibt einen inneren Kern, der sich in der Vergangenheit schneller drehte als die Erde selbst, jetzt aber langsamer rotiert. Wissenschaftler berichteten, dass die Rotation des Kerns eine Zeit lang mit der Rotation der Erde übereinstimmte. Anschließend verlangsamt es sich noch weiter, bis sich der Kern relativ zur umgebenden Flüssigkeitsschicht rückwärts bewegt.
Einige Experten warnten damals, dass weitere Daten erforderlich seien, um diese Schlussfolgerung zu untermauern, und nun hat ein anderes Wissenschaftlerteam überzeugende neue Beweise für diese Hypothese über die Rotationsrate des inneren Kerns geliefert. Am 12. Juni in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Forschungsergebnisse bestätigen nicht nur die Kernverlangsamung, sondern unterstützen auch einen Vorschlag aus dem Jahr 2023, dass diese Kernverlangsamung Teil eines jahrzehntelangen Musters der Verlangsamung und Beschleunigung ist.
Die neuen Erkenntnisse bestätigen auch, dass Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit einem 70-Jahres-Zyklus folgen, sagte der Co-Autor der Studie, Dr. John Vidale, Dekan und Professor für Geowissenschaften am Dornsife College of Letters, Arts and Sciences der University of Southern California.
„Wir streiten seit 20 Jahren darüber, und ich denke, es ist richtig“, sagte Vidale. „Ich denke, wir haben die Debatte darüber beendet, was sich im inneren Kern bewegt und wie das Muster in den letzten Jahrzehnten ausgesehen hat.“
Aber nicht alle sind davon überzeugt, dass das Problem gelöst ist, und wie sich eine Verlangsamung im inneren Kern auf unseren Planeten auswirken könnte, ist immer noch eine offene Frage – obwohl einige Experten sagen, dass das Erdmagnetfeld eine Rolle spielen könnte.
Magnetische Anziehung
Der feste metallische Innenkern ist etwa 3.220 Meilen (5.180 Kilometer) tief in der Erde vergraben und von einem flüssigen metallischen Außenkern umgeben. Der innere Kern besteht größtenteils aus Eisen und Nickel und soll so heiß sein wie die Sonnenoberfläche – etwa 9.800 Grad Fahrenheit (5.400 Grad Celsius).
Das Erdmagnetfeld zieht diese heißen, dichten Metallkugeln an und bringt sie zum Rotieren. Gleichzeitig ziehen die Schwerkraft und die Flüssigkeitsströme des äußeren Kerns und Mantels am Kern. Über Jahrzehnte hinweg verursachten diese Druck- und Zugkräfte Schwankungen in der Rotationsgeschwindigkeit des Kerns, sagte Vidale.
Funken einer metallreichen Flüssigkeit im äußeren Kern erzeugen elektrische Ströme, die das Erdmagnetfeld antreiben, das unseren Planeten vor tödlicher Sonnenstrahlung schützt. Obwohl der direkte Einfluss des inneren Kerns auf das Magnetfeld unbekannt ist, hatten Wissenschaftler bereits im Jahr 2023 berichtet, dass der langsamer rotierende Kern möglicherweise Einfluss darauf haben und auch die Länge des Tages verkürzen könnte.
Wenn Wissenschaftler versuchen, einen ganzen Planeten zu „sehen“, verfolgen sie normalerweise zwei Arten seismischer Wellen: Druckwellen oder P-Wellen und Scherwellen oder S-Wellen, die sich durch alle Arten von Materie bewegen. Nach Angaben des US Geological Survey breiten sich S-Wellen nur durch feste Objekte oder sehr viskose Flüssigkeiten aus.
Seismologen stellten in den 1880er Jahren fest, dass die von Erdbeben erzeugten S-Wellen nicht die gesamte Erde durchdrangen, was sie zu dem Schluss brachte, dass der Erdkern geschmolzen sei. Einige P-Wellen treten jedoch nach ihrem Durchgang durch den Erdkern an unerwarteten Orten auf – „Schattenzonen“, wie Lehmann sie nennt – und verursachen Anomalien, die nicht erklärt werden können. Lehmann war der erste, der auf der Grundlage von Daten des großen Erdbebens in Neuseeland im Jahr 1929 vermutete, dass verirrte P-Wellen mit dem festen inneren Kern innerhalb des flüssigen äußeren Kerns interagieren könnten.
Durch die Verfolgung seismischer Wellen von Erdbeben, die seit 1964 auf demselben Weg durch den inneren Erdkern strömten, stellten die Autoren einer Studie aus dem Jahr 2023 fest, dass die Rotation einem 70-Jahres-Zyklus folgt. In den 1970er Jahren rotierte der innere Kern etwas schneller als der Planet. Seine Rotation verlangsamte sich um das Jahr 2008, und von 2008 bis 2023 begann er sich relativ zum Erdmantel leicht rückwärts zu bewegen.
Zukünftige Kernschleife
Für diese neue Forschung beobachteten Vidale und seine Co-Autoren seismische Wellen, die durch Erdbeben am selben Ort zu unterschiedlichen Zeiten erzeugt wurden. Sie fanden 121 Beispiele für solche Erdbeben, die sich zwischen 1991 und 2023 auf den Südlichen Sandwichinseln ereigneten, einem vulkanischen Archipel im Atlantischen Ozean östlich der südlichsten Spitze Südamerikas. Forscher beobachteten auch Schockwellen, die bei sowjetischen Atomtests zwischen 1971 und 1974 in den Kern eindrangen.
Vidale sagte, dass die Rotation des Kerns die Ankunftszeit der Welle beeinflusst. Ein Vergleich des Zeitpunkts der seismischen Signale beim Auftreffen auf den Kern zeigt Veränderungen in der Rotation des Kerns im Laufe der Zeit, was einen Rotationszyklus von 70 Jahren bestätigt. Den Berechnungen der Forscher zufolge ist der Kern fast bereit, wieder zu beschleunigen.
Im Vergleich zu anderen seismografischen Studien des Erdkerns, bei denen einzelne Erdbeben gemessen werden, während sie den Erdkern durchdringen – unabhängig davon, wann sie auftreten – verringert die Verwendung nur gepaarter Erdbeben die Menge der verwendbaren Daten, was „diese Methode anspruchsvoller macht“, sagte er sagte Waszek. Laut Vidale können Wissenschaftler auf diese Weise jedoch auch Änderungen in der Rotation des Erdkerns genauer messen. Wenn das Modell seines Teams stimmt, wird sich die Kernrotation der Erde in etwa fünf bis zehn Jahren wieder beschleunigen.
Der Seismograph zeigte auch, dass sich die Drehung des Kerns während seines 70-jährigen Zyklus unterschiedlich schnell verlangsamt und beschleunigt, „was einer Erklärung bedarf“, sagte Vidale. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der innere Metallkern nicht so dicht ist wie erwartet. Wenn es beim Drehen seine Form ändert, könnte das die Symmetrie seiner Rotationsgeschwindigkeit beeinträchtigen, sagte er.
Die Berechnungen des Teams zeigten auch, dass der Kern unterschiedliche Rotationsgrade für die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung aufwies, was „einen interessanten Beitrag zum Diskurs“ darstellt, sagte Waszek.
Aber die Tiefe und die Schwierigkeit, den inneren Kern zu erreichen, bedeute, dass weiterhin Unsicherheit bestehe, fügte er hinzu. Was die Frage angeht, ob die Debatte über die Kernrotation wirklich vorbei ist: „Wir brauchen mehr Daten und bessere interdisziplinäre Tools, um dies weiter zu untersuchen“, sagte Waszek.
„Voller Potenzial“
Veränderungen im Spin des Kerns seien für Menschen auf der Erdoberfläche kaum sichtbar, obwohl sie verfolgt und gemessen werden könnten, sagte Vidale. Wenn der Kern langsamer rotiert, wird der Mantel schneller. Durch diese Verschiebung dreht sich die Erde schneller und die Länge des Tages wird kürzer. Allerdings betrage die Rotationsverschiebung nur eine Tausendstelsekunde in der Tageslänge, sagte er.
„Wie wirkt es sich auf das Leben eines Menschen aus?“ er sagte. „Ich kann mir nicht vorstellen, wie groß die Auswirkungen sein werden.“
Wissenschaftler untersuchen den inneren Kern, um herauszufinden, wie sich das Erdinnere gebildet hat und wie Aktivitäten alle unterirdischen Schichten des Planeten verbinden. Besonders interessant sei die mysteriöse Region, in der der flüssige äußere Kern den festen inneren Kern umhüllt, fügte Vidale hinzu. Als Ort, an dem sich Flüssigkeiten und Feststoffe treffen, ist diese Grenze „voller potenzieller Aktivität“, ebenso wie die Kern-Mantel-Grenze und die Grenze zwischen Mantel und Kruste.
„Wir könnten zum Beispiel Vulkane an der Grenze des inneren Kerns haben, wo feste und flüssige Objekte aufeinandertreffen und sich bewegen“, sagte er.
Da die Rotation des inneren Kerns die Bewegung im äußeren Kern beeinflusst, wird angenommen, dass die Rotation des inneren Kerns dazu beiträgt, das Erdmagnetfeld anzutreiben, obwohl weitere Forschung erforderlich ist, um seine genaue Rolle aufzudecken. Und es gebe noch viel zu lernen über die Gesamtstruktur des inneren Kerns, sagte Waszek.
„Neue und kommende Methoden werden von zentraler Bedeutung für die Beantwortung hartnäckiger Fragen zum Erdkern, einschließlich der Rotation, sein.“
Mindy Weisberger ist eine Wissenschaftsautorin und Medienproduzentin, deren Arbeiten in den Magazinen Live Science, Scientific American und How It Works erschienen sind.
