Einblicke in die tiefe Verbindung von Plattentektonik und Erdkern

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Ein uralter Schutzschild: Das frühe Erdmagnetfeld

Die ältesten Mineralien der Erde sind 3,4 Milliarden Jahre alt und tragen eine Paläomagnetisierung. Dies lässt vermuten, dass die Erde mindestens seit dieser Zeit ein Magnetfeld hatte. Dieses Feld wird tief im Inneren des Planeten durch die konvektionsgetriebene Bewegung von flüssigem Eisen im äußeren Kern erzeugt. Damit das Erdmagnetfeld jedoch über Milliarden von Jahren bestehen bleibt, muss der Kern effizient gekühlt werden. Die Kernkühlung hängt hauptsächlich von der Abkühlung des darüber liegenden festen Mantels ab.

Heute kühlt sich der Mantel hauptsächlich durch Plattentektonik ab, also durch die Bewegung großer Platten auf der Erdoberfläche. Aber wann hat die Plattentektonik eigentlich begonnen? War es kurz nach der Entstehung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren? Oder erst später, zwischen 4 und 3 Milliarden Jahren? Oder handelt es sich um einen jüngeren Prozess, der weniger als eine Milliarde Jahre alt ist?

Modellierung des gekoppelten Systems von Kern und Mantel

Valentin Bonnet hat zusammen mit Nicola Tosi untersucht, wie verschiedene Arten der Mantelkühlung die thermische und magnetische Geschichte der Erde beeinflusst haben könnten. Dabei untersuchten sie entweder eine bewegliche Oberfläche wie die moderne Plattentektonik oder eine weniger effiziente Oberfläche wie einen stagnierenden Deckel, bei dem sich die Oberfläche nicht bewegt. Dies ist wichtig, da die Art und Weise, wie sich der Erdmantel im Laufe der Zeit abgekühlt hat, eng mit seiner Fähigkeit zusammenhängt, ein Magnetfeld zu erzeugen.

Um dies zu untersuchen, haben sie ein globales Modell für die Erde erstellt, das zwei Modelle miteinander verbindet: eines, das berechnet, wie sich der Kern entwickelt, einschließlich der Bildung des festen inneren Kerns, und ein anderes, das simuliert, wie sich der Mantel unter verschiedenen Kühlungsbedingungen verhält.

Ein Blick in die Vergangenheit: Szenarien für Viskosität, Kühlung und Wärmeleitfähigkeit

Valentin hat verschiedene Szenarien getestet: Wie viskos ist der Mantel, wie effektiv ist jede Art der Abkühlung, wann könnte die Plattentektonik begonnen haben und wie heiß waren Mantel und Kern zu Beginn? Er hat auch zwei mögliche Werte für die Wärmeleitfähigkeit von Eisen berücksichtigt, da diese noch umstritten ist. Anschließend verglich er die Vorhersagen seines Modells mit verschiedenen Beobachtungen, beispielsweise der Größe des inneren Kerns, den alten magnetischen Aufzeichnungen und der Veränderung der Manteltemperatur im Laufe der Zeit.

Durch die Zusammenführung all dieser Erkenntnisse trägt seine Arbeit dazu bei, zu erklären, wie die Prozesse im Erdinneren und an der Erdoberfläche zusammenwirken, um das Magnetfeld der Erde seit Milliarden von Jahren aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse zeigen eine interessante Korrelation zwischen dem Beginn der Plattentektonik und der Wärmeleitfähigkeit des Erdkerns.