BOSTON - Die riesigen Magma-Ozeane der Erde, die tief unter unseren Füßen toben, scheinen Sauerstoff in den flüssigen Kern des Planeten zu pumpen. Und dieser Sauerstoff formt Erdbeben und Vulkane auf unserem ganzen Planeten.
Zu diesem Schluss kommt eine Reihe von Forschungen, die der Physiker Dario Alfe vom University College London am Dienstag (5. März) hier auf der März-Sitzung der American Physical Society vorgestellt hat. Obwohl es unmöglich ist, Sauerstoff im Erdkern direkt zu beobachten - Tausende von Kilometern heißem Gestein behindern diese Ansicht -, verwendeten Alfe und seine Mitarbeiter eine Kombination aus seismologischen Daten, Chemie und Wissen über die alte Geschichte unseres Sonnensystems, um ihre Schlussfolgerungen zu ziehen.
Der Hauptbeweis dafür, dass sich so etwas wie Sauerstoff im Eisenkern versteckt? Erdbeben. Das Grollen, das wir an der Oberfläche spüren, ist das Ergebnis von Wellen, die sich auf unserem gesamten Planeten bewegen. Und das Verhalten dieser Wellen liefert Hinweise auf den Inhalt der Erde - fast wie ein Ultraschall des gesamten Planeten.
Wenn Erdbebenwellen vom Kern auf die Oberfläche zurückprallen, weist ihre Form darauf hin, dass der äußere Kern des flüssigen Eisens deutlich weniger dicht ist als der darin befindliche unter Druck stehende feste Eisenkern. Und dieser Dichteunterschied beeinflusst die Form von Erdbeben und das Verhalten von Vulkanen an der Oberfläche. Aber so sollte sich reines Eisen nicht verhalten, sagte Alfe nach seinem Vortrag zu Live Science.
"Wenn der Kern reines Eisen wäre, sollte der Dichtekontrast zwischen dem festen inneren Kern und der Flüssigkeit in der Größenordnung von 1,5 Prozent liegen", sagte er. "Aber die Seismologie sagt uns, dass es eher 5 Prozent sind."
Mit anderen Worten, der äußere Kern ist weniger dicht als er sein sollte, was darauf hindeutet, dass ein nicht eisernes Element eingemischt ist, was ihn leichter macht.
Das wirft also die Frage auf: Warum sollte das leichtere Element mit dem äußeren Kern gemischt werden, nicht aber mit dem festen inneren Kern?
Wenn sich Atome in einem flüssigen Zustand befinden, fließen sie frei aneinander vorbei, so dass eine Mischung verschiedener Elemente auch in der extremen Umgebung der inneren Erde koexistieren kann, sagte Alfe. Da jedoch extreme Drücke den inneren Kern in einen festen Zustand zwingen, bilden die Atome dort ein starreres Gitter chemischer Bindungen. Und diese strengere Struktur nimmt Fremdelemente nicht so leicht auf. Während sich der feste Kern bildete, hätte er Sauerstoffatome und andere Verunreinigungen in seine flüssige Umgebung gespuckt, wie Zahnpasta, die aus einer zusammengedrückten Röhre schießt.
"Sie sehen einen ähnlichen Effekt in Eisbergen", sagte er.
Wenn Salzwasser im Ozean gefriert, werden seine Verunreinigungen ausgestoßen. Eisberge enden also als Brocken festen Süßwassers, die über dem natriumreichen Ozean schwimmen.
Es gibt keinen direkten Beweis dafür, dass das leichtere Element im flüssigen Kern Sauerstoff ist, sagte Alfe. Aber unser Planet hat sich aus den Staubwolken des frühen Sonnensystems gebildet, und wir wissen, welche Elemente dort vorhanden waren.
Das Forscherteam schloss andere Elemente wie Silizium aus, die theoretisch aufgrund der Zusammensetzung dieser Wolke im Kern vorhanden sein könnten, erklärte jedoch nicht den beobachteten Effekt. Sauerstoff sei der wahrscheinlichste Kandidat, sagte er.
Ferner scheinen die theoretisch im Kern vorhandenen Sauerstoffkonzentrationen niedriger zu sein, als es die Chemie aufgrund des Sauerstoffgehalts des Mantels vorhersagen würde. Dies deutet darauf hin, dass wahrscheinlich noch heute mehr Sauerstoff aus dem ihn umgebenden sauerstoffreichen Mantel chemisch in den äußeren Kern gepumpt wird.
Auf die Frage, wie der Sauerstoff im Kern aussieht, sagte Alfe, er solle sich keine Blasen oder gar den Rost vorstellen, der entsteht, wenn sich Eisen direkt an Sauerstoff bindet. Stattdessen würden bei diesen Temperaturen und Drücken Sauerstoffatome frei zwischen Eisenatomen schweben und schwimmende Klumpen von flüssigem Eisen erzeugen.
"Wenn Sie ein Päckchen Flüssigkeit mit 90 Eisenatomen und 10 Sauerstoffatomen nehmen, ist dieses Päckchen weniger dicht als ein Päckchen reines Eisen", und so schwimmt es, sagte Alfe.
Um diese Ergebnisse zu bestätigen, freut sich Alfe auf die Ergebnisse der Bemühungen, die auf unserem Planeten gebildeten Neutrinos zu messen, die zur Oberfläche ausstrahlen. Während "Geoneutrinos" sehr selten sind, können sie eine Menge Informationen darüber bieten, was genau auf dem Planeten vor sich geht, wenn sie auftauchen.
Aber ohne die Möglichkeit, direkt auf den Kern zuzugreifen, werden Physiker immer daran gehindert sein, ihre bestmögliche Beurteilung seiner Zusammensetzung anhand begrenzter sekundärer Daten vorzunehmen.
