Erdkern

Der Erdkern war die erste Struktur im Erdinneren, die nach der Erdentstehung differenzierte (nicht kristallisierte!!) → Differentiation lithophiler und siderophiler Elemente. Prozess war ca. 30 - 50 Myr nach CAI abgeschlossen (W-Hf-Isotopie; Rubie et al. 2007).

Perkolationsmodell (Metall floss entlang von Korngrenzen eines festen Mantels ins Zentrum) wäre zu langsam → Daher eher Erde mit tiefem Magmaozean (deep magma ocean model), in dem sich Metalle als Tröpfchen bis zu Diapire abschieden und durch einen flüssigen Mantel in Richtung Zentrum sanken (Rubie et al. 2003, Wade & Wood 2005).

Durch seismische Dichtemessungen erkannte man das Erdkern nahezu die Zusammensetzung einer Eisen-Nickel-Legierung hat (Jeffreys 1929). Jedoch negative Dichteabweichung von Fe-Ni-Legierung um ca. 5 - 15 % → Also leichtere Elemente im Erdkern.
Eisenmeteoriten sind das Analoga des Erdkerns, weswegen man aus ihnen die mittlere Zusammensetzung des Erdkerns bestimmen konnte (Tabelle 1). Modelle für Inneren und Äußeren Kern Zusammensetzung wurden durch Hochdruck-Experimente + Differentiationsmodelle berechnet.

Tabelle 1: Zusammensetzung des Inneren und Äußeren Erdkerns

Magnetisierung in magnetischen Einschlüssen in Jack Hills Zirkonen zeigen 3.3 – 4.2 Ga altes Magnetfeld der Erde an (Tarduno et al. 2023). Existenz eines Magnetfelds impliziert Konvektion (Warmes Material steigt auf > kühlt ab > sinkt…)  von Erdkern-Metallen (Geodynamo), was bedeutet: hoher Wärmefluss vom Erdkern zum Mantel → Überschreitung adiabatischer Wert, Mantel kühlt ab → Durch Plattentektonik oder massiven Vulkanismus an der Oberfläche.

Innerer Erdkern (4a)

Der Innere Erdkern kristallisierte vermutlich erst vor ca. 1000 bis 1500 Ma (z. B. Biggin et al. 2015), in manchen Modellen sogar ~ 500 Ma (Bono et al. 2019)  → Erkannt durch Zunahme der Magnetfeldstärke in Gesteinen (Innerer Kern kristallisiert (ICN) ⇒ Anreicherung leichter Elemente (Si, S, O) im äußeren Erdkern ⇒ Schnellere Konvektion ⇒ Stärkeres Magnetfeld)

Kristallisation durch Homogene Keimbildung unwahrscheinlich: Braucht Unterkühlung zur spontanen Nukleation ⇒ Eher heterogene Keimbildung an Verunreinigungen. Druck an ICB: 136 GPa: Schmelzpunkt Fe (136 GPa) ~ 6200°C (< 6200 °C: Kristallisationsbeginn)

Innerer Erdkern wächst seitdem stetig [ca. 1 mm/Jahr (Nimmo 2015)] an der Inneren-Kern-Grenze (ICB).

Zusammensetzung: Fe-Ni-Legierung in hexagonal dichtester Kugelpackung (95 – 100%) + leichte Elemenmte, wie Si, S, C, O (< 5%)

Seismische Messungen zeigen Anisotropie im inneren Kern: Schallwellen sind entlang der Rotationsachse schneller sind als in Äquatorrichtung → Bevorzugte Ausrichtung der Eisenkristalle. Erklärung, durch

1. Asymmetrisches Wachstum (Cottaar & Buffett 2012)

2. Schnellere Drehung als der Mantel, Superrotation: Differenzdrehung begünstigte Ausrichtung der Eisenkristalle (Song & Richards 1996)

3. Schichtung im IC, durch Konvektion im festen inneren Kern (IC transition zone: Song & Helmberger 1998) oder durch viskose Deformation (Vidale et al. 2025)

4. Einfluss des Magnetfelds auf IC-Kristallisation (Buffett & Wenk 2001)

Heute hat IC einen Radius von 1220 km (6371 – 5150 km), Dichte: 12.8 – 13.1 g/cm³, Temperatur: 6000 °C, Druck: 330 GPa (Dziewonski & Anderson 1981).

Äußerer Erdkern (4b)

Übrig gebliebener schmelzflüssiger Rest der durch Kristallisation des Inneren Kerns mit der Zeit weniger wird. Zwischen Innerem und Äußerem Kern liegt die Lehmann-Diskontinuität.

Zusammensetzung: Fe-Ni-Legierung + leichte Elemente (siehe Tabelle 1)  

Äußerer Kern (OC) ist durch starke Konvektionsströmungen geprägt, die das Magnetfeld erzeugen (Geodynamo). Es gibt zwei Hauptquellen für OC-Konvektion Strömungen:

1. Thermische Konvektion (Hitzeabgabe vom Erdkern an den Mantel).

2. Kompositionelle Konvektion (Freisetzung leichter Elemente bei der Kristallisation des inneren Kerns).

Konvektion + Corioliskraft (durch Erdrotation) führen zu einer spiralförmigen, auf-absinkenden Bewegung (Helizität) des leitenden Metalls. Bewegung freier Elektronen im Eisen > Indukltion elektrischer Spannung > Magnetfeld (Dynamo-Effekt)

Polumkehr, ca. alle 200 ka bis 1 Ma (zufällig, kein Muster). Die letzte war die Brunhes-Matuyama-Umkehr vor 780 ka, danach begann das Brunhes-Chron. Jedoch gibt es Ausnahmen, wie die Laschamp-Exkursion vor 41 ± 2 ka, eine kurzzeitige Umkehrung die ca. 440 yr andauerte (Laj et al. 2014) oder die Mono-Lake-Exkursion vor 34 Ka (Dauer ~1800 yr). In Erdgeschichte auch lange Phasen gleicher Polung, wie das Cretaceous Normal Superchron (CNS) von 120 - 83 Ma (Ogg, 2020).

Magnetfeldumpolungen sind gut in remanent magnetisierten Mineralen (z.B. Magnetit) in ständig neu gebildeter Kruste am Mittelozeanischen Rücken (MOR) gespeichert.

Ursache für Magnetfeld Schwankungen, Exkursionen und Umpolungen sind nicht vollständig geklärt. Möglicherweise nur Strömungsveränderung im OC, aber vielleicht getriggert durch Abkühlung vom Mantel (z.B. durch Hot-Spot-Vulkanismus, Plattentektonik)

Äußerer Kern hat eine Dicke von 2260 km (5150 – 2890 km), Dichte: 9.9 – 12.2 g/cm³, Temperatur: 4000 – 5700 °C, Druck: 136 – 330 GPa (Dziewonski & Anderson 1981).

Literatur

Biggin, A. J., Piispa, E. J., Pesonen, L. J., Holme, R., Paterson, G. A., Veikkolainen, T., & Tauxe, L. (2015). Palaeomagnetic field intensity variations suggest Mesoproterozoic inner-core nucleation. Nature, 526(7572), 245-248.

Bono, R. K., Tarduno, J. A., Nimmo, F., & Cottrell, R. D. (2019). Young inner core inferred from Ediacaran ultra-low geomagnetic field intensity. Nature Geoscience, 12(2), 143-147.

Buffett, B. A., & Wenk, H. R. (2001). Texturing of the Earth's inner core by Maxwell stresses. Nature, 413(6851), 60-63.

Cottaar, S., & Buffett, B. (2012). Convection in the Earth’s inner core. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 198, 67-78.

Dziewonski, A. M., & Anderson, D. L. (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the earth and planetary interiors, 25(4), 297-356.

Laj, C., Guillou, H., & Kissel, C. (2014). Dynamics of the earth magnetic field in the 10–75 kyr period comprising the Laschamp and Mono Lake excursions: New results from the French Chaîne des Puys in a global perspective. Earth and Planetary Science Letters, 387, 184-197.

Ogg, J. G. (2020). Geomagnetic polarity time scale. In Geologic time scale 2020 (pp. 159-192). Elsevier.

Song, X., & Richards, P. G. (1996). Seismological evidence for differential rotation of the Earth's inner core. Nature, 382(6588), 221-224.

Vidale, J. E., Wang, W., Wang, R., Pang, G., & Koper, K. (2025). Annual-scale variability in both the rotation rate and near surface of Earth’s inner core. Nature Geoscience, 1-6.