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Tief im Inneren der Erde liegt eine feste Metallkugel, die sich unabhängig von unserem rotierenden Planeten dreht, wie ein Kreisel, der sich in einem größeren Kreisel dreht, umgeben von Geheimnissen.
Dieser innere Kern hat seit seiner Entdeckung durch einen dänischen Seismologen Forscher fasziniert Inge Lehmann Die Rotation des Kerns wurde 1936 eingeleitet und seine Bewegung (seine Geschwindigkeit und Richtung) steht im Mittelpunkt einer jahrzehntelangen Debatte. Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass sich die Rotation des Kerns in den letzten Jahren erheblich verändert hat, doch die Wissenschaftler sind sich weiterhin uneinig darüber, was genau geschieht und was es bedeutet.
Ein Teil des Problems besteht darin, dass die Tiefen der Erde nicht direkt beobachtet oder erprobt werden können. Seismologen haben Informationen über die Bewegung des inneren Kerns gesammelt, indem sie das Wellenverhalten großer Erdbeben untersucht haben, die dieses Gebiet treffen. Variationen zwischen Wellen gleicher Intensität, die zu unterschiedlichen Zeiten durch den Kern gingen, ermöglichten es Wissenschaftlern, Veränderungen in der Position des inneren Kerns zu messen und seine Rotation 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 Naturwissenschaften an der James Cook University in Australien.
Aber die Forscher haben darüber debattiert, wie diese Ergebnisse zu interpretieren sind, „hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, detaillierte Beobachtungen des inneren Kerns durchzuführen, aufgrund seiner Abgeschiedenheit und der begrenzten verfügbaren Daten“, sagte Waszek. Infolgedessen „sind die Studien, die in den nächsten Jahren und Jahrzehnten durchgeführt wurden, hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit und ihrer Richtung relativ zum Erdmantel nicht einverstanden“, fügte sie hinzu. Einige Analysen deuteten sogar darauf hin, dass sich der Kern überhaupt nicht drehte.
Ein vielversprechendes Modell aus dem Jahr 2023 beschrieb einen inneren Kern, der sich einst schneller als die Erde selbst drehte, jetzt aber langsamer rotierte. Eine Zeit lang, so berichteten die Wissenschaftler, folgte die Rotation des Kerns der der Erde. Dann wurde es noch langsamer, bis sich der Kern relativ zu den ihn umgebenden Flüssigkeitsschichten rückwärts bewegte.
Damals warnten einige Experten, dass weitere Daten erforderlich seien, um diese Schlussfolgerung zu untermauern, und nun hat ein anderes Team von Wissenschaftlern überzeugende neue Beweise geliefert, die diese Hypothese über die interne Rotationsgeschwindigkeit des Kerns stützen. Am 12. Juni in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Forschungsergebnisse bestätigen nicht nur die Verlangsamung des Kerns, sondern unterstützen auch die These von 2023, dass diese Verlangsamung des Kerns 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, Professor für Geowissenschaften am Dornsife College of Letters, Arts and Sciences der University of Southern California.
„Wir diskutieren dieses Thema seit 20 Jahren und ich denke, dieses Thema steht im Mittelpunkt der Debatte“, sagte Vidale. „Ich denke, wir haben der Debatte darüber ein Ende gesetzt, ob sich der innere Kern bewegt oder nicht und wie er sich in den letzten zwei Jahrzehnten verändert hat. »
Aber nicht alle sind davon überzeugt, dass das Problem geklärt ist, und wie sich eine Verlangsamung des inneren Kerns auf unseren Planeten auswirken könnte, bleibt eine offene Frage – obwohl einige Experten sagen, dass das Erdmagnetfeld eine Rolle spielen könnte.
Magnetische Anziehung
Der innere Kern aus festem Metall ist etwa 5.180 Kilometer tief in der Erde vergraben und von einem äußeren Kern aus flüssigem Metall umgeben. Der innere Kern besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel und ist schätzungsweise so heiß wie die Sonnenoberfläche, etwa 5.400 Grad Celsius.
Das Erdmagnetfeld zieht diese feste Kugel aus heißem Metall an und lässt sie rotieren. Gleichzeitig ziehen die Schwerkraft und die Strömung des flüssigen äußeren Kerns und des Mantels den Kern. Über Jahrzehnte hinweg verursachte das Drücken und Ziehen dieser Kräfte Schwankungen in der Rotationsgeschwindigkeit des Kerns, erklärte Vidale.
Das Schwappen metallreicher Flüssigkeit im äußeren Kern erzeugt 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 ein langsamer rotierender Kern diesen möglicherweise beeinflussen und auch die Länge eines Tages leicht verkürzen könnte.
Wenn Wissenschaftler versuchen, den Planeten in seiner Gesamtheit zu „sehen“, verfolgen sie typischerweise zwei Arten seismischer Wellen: Druckwellen oder P-Wellen und Scherwellen oder S-Wellen. Nach Angaben des US Geological Survey breiten sich P-Wellen durch alle Arten aus der Materie; S-Wellen breiten sich nur in extrem viskosen Feststoffen oder Flüssigkeiten aus.
Seismologen bemerkten in den 1880er Jahren, dass die durch Erdbeben erzeugten S-Wellen nicht vollständig durch die Erde wanderten, und kamen daraus zu dem Schluss, dass der Erdkern geschmolzen sei. Doch einige P-Wellen tauchten nach ihrem Durchgang durch den Erdkern an unerwarteten Orten auf – einer „Schattenzone“, wie Lehmann es nannte – und führten zu Anomalien, die nicht erklärt werden konnten. Lehmann war der erste, der auf der Grundlage von Daten eines massiven Erdbebens in Neuseeland im Jahr 1929 vermutete, dass unberechenbare P-Wellen mit einem festen inneren Kern innerhalb des flüssigen äußeren Kerns interagieren könnten.
Durch die Verfolgung seismischer Wellen von Erdbeben, die seit 1964 auf ähnlichen Flugbahnen durch den inneren Erdkern strömten, stellten die Autoren der Studie von 2023 fest, dass die Rotation einem 70-Jahres-Zyklus folgte. In den 1970er Jahren drehte sich der innere Kern etwas schneller als der Planet. Um das Jahr 2008 verlangsamte er sich, und von 2008 bis 2023 begann er sich relativ zum Erdmantel leicht in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
Zukünftiges Kernspinnen
Für diese neue Studie beobachteten Vidale und seine Co-Autoren seismische Wellen, die durch Erdbeben an denselben Orten zu unterschiedlichen Zeiten erzeugt wurden. Sie fanden 121 Beispiele für solche Erdbeben, die sich zwischen 1991 und 2023 auf den Südlichen Sandwichinseln ereigneten, einem Archipel vulkanischer Inseln im Atlantischen Ozean östlich der Südspitze Südamerikas. Die Forscher untersuchten auch kerndurchdringende Stoßwellen sowjetischer Atomtests, die zwischen 1971 und 1974 durchgeführt wurden.
Laut Vidale beeinflusst die Rotation des Kerns die Ankunftszeit der Welle. Ein Vergleich der Laufzeiten seismischer Signale am Kontakt des Kerns ergab Veränderungen in der Rotation des Kerns im Laufe der Zeit und bestätigte den 70-jährigen Rotationszyklus. Den Berechnungen der Forscher zufolge ist der Kern dabei, wieder auf Reisegeschwindigkeit zurückzukehren.
Im Vergleich zu anderen seismografischen Untersuchungen des Kerns, bei denen einzelne Erdbeben gemessen werden, während sie den Kern passieren – unabhängig davon, wann sie auftreten – reduziert die Verwendung nur gepaarter Erdbeben die Menge an nutzbaren Daten, „was die Methode schwieriger macht“, sagte Waszek. Laut Vidale ermöglichte diese Methode den Wissenschaftlern jedoch auch, Änderungen in der Kernrotation genauer zu messen. Wenn das Modell seines Teams stimmt, wird sich die Kernrotation in etwa fünf bis zehn Jahren wieder beschleunigen.
Die Seismographen zeigten auch, dass sich die Rotation des Kerns im Laufe 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 stark ist wie erwartet. Wenn es sich während der Rotation verformt, könnte dies die Symmetrie seiner Rotationsgeschwindigkeit beeinträchtigen, sagte er.
Die Berechnungen des Teams deuten auch darauf hin, dass der Kern unterschiedliche Rotationsraten für Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen aufweist, was „einen interessanten Beitrag zum Diskurs“ darstellt, sagte Waszek.
Aber die Tiefe und Unzugänglichkeit des inneren Kerns bedeute, dass weiterhin Unsicherheiten bestehen, fügte sie hinzu. Was die Frage angeht, ob die Kernrotationsdebatte wirklich vorbei ist oder nicht: „Wir brauchen mehr Daten und verbesserte interdisziplinäre Werkzeuge, um dieses Thema eingehender zu untersuchen“, sagte Waszek.
„Voller Potenzial“
Änderungen in der Kernrotation seien zwar verfolgt und messbar, für Menschen auf der Erdoberfläche jedoch kaum wahrnehmbar, erklärte Vidale. Wenn der Kern langsamer rotiert, wird der Mantel schneller. Diese Veränderung beschleunigt die Erdrotation und verkürzt die Länge des Tages. Aber solche Rotationsänderungen führten zu Tagen, die nur wenige Tausendstelsekunden dauerten, fügte er hinzu.
„In Bezug auf die Auswirkungen auf das Leben eines Menschen? “, er sagte. „Ich glaube nicht, dass es viel bedeutet. »
Wissenschaftler untersuchen den inneren Kern, um zu verstehen, wie die Tiefen der Erde entstanden sind und wie die Aktivität mit allen unterirdischen Schichten des Planeten zusammenhängt. Von besonderem Interesse, fügte Vidale hinzu, sei die mysteriöse Region, in der der flüssige äußere Kern den festen inneren Kern umhüllt. Als Treffpunkt von Flüssigkeit und Feststoff ist diese Grenze „mit Aktivitätspotential gefüllt“, ebenso wie die Kern-Mantel-Grenze und die Grenze zwischen Mantel und Kruste.
„Wir könnten zum Beispiel Vulkane am Rand des inneren Kerns haben, wo Feststoffe und Flüssigkeiten aufeinandertreffen und sich bewegen“, sagte er.
Da die Rotation des inneren Kerns die Bewegung des äußeren Kerns beeinflusst, wird angenommen, dass die Rotation des inneren Kerns dazu beiträgt, das Erdmagnetfeld anzutreiben, obwohl weitere Forschungen erforderlich sind, um seine genaue Rolle aufzuklären. Und es gebe noch viel zu lernen über die Gesamtstruktur des inneren Kerns, sagte Waszek.
„Neue und kommende Methoden werden für die Beantwortung aktueller Fragen zum inneren Erdkern, einschließlich der Rotation, von entscheidender Bedeutung sein. »
Mindy Weisberger ist eine Wissenschaftsautorin und Medienproduzentin, deren Arbeiten in den Zeitschriften Live Science, Scientific American und How It Works erschienen sind.
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