Die Anwesenheit von primordialem Mg kann die seismische Schicht mit verringerter Schallgeschwindigkeit im äußersten äußeren Erdkern erklären

Warum das tiefe Herz der Erde zählt

Tief unter unseren Füßen, mehr als 2.800 Kilometer, liegt der flüssige metallische äußere Erdkern, die wirbelnde Region, die unser Magnetfeld antreibt und zur Bewohnbarkeit des Planeten beiträgt. Seismische Wellen aus Erdbeben zeigen, dass die oberste Schicht dieses äußeren Kerns ungewöhnlich träge bei der Schallübertragung ist und eine rätselhafte Schicht mit verringerter Schallgeschwindigkeit bildet, bekannt als E′-Schicht. Dieser Artikel untersucht, ob ein vertrautes Element — Magnesium, das an der Erdoberfläche in Gesteinen häufig vorkommt — während der gewalttätigen Jugend der Erde in den Kern geraten sein könnte und heute hilft, diese rätselhafte verborgene Schicht zu erklären.

Eine seltsame langsame Zone tief in der Erde

Seismologen modellieren das Innere der Erde, indem sie verfolgen, wie Erdbebenwellen beim Durchgang durch verschiedene Schichten schneller oder langsamer werden. Standardmodelle, wie das weit verbreitete PREM-Profil, beschreiben den äußeren Kern als dichte, eisenreiche Flüssigkeit, die durch kleine Mengen leichter Elemente wie Silizium, Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff leicht „aufgehellt“ ist. Neuere seismische Modelle zeigen jedoch, dass in den oberen ein paar hundert Kilometern des äußeren Kerns Schallwellen bis zu etwa 1 % langsamer sind als erwartet. Bestehende Erklärungsversuche führten eine chemisch geschichtete Struktur des äußeren Kerns ins Feld, aber die üblichen leichten Elemente neigen dazu, die Schallgeschwindigkeit in Eisen zu erhöhen, nicht zu verringern. Das schuf ein Paradoxon: Es schien unmöglich, eine Schicht zu erzeugen, die gleichzeitig langsam genug ist, um seismische Daten zu erklären, und leicht genug, um stabil geschichtet zu bleiben, statt abzusinken.

Magnesium in flüssigem Eisen testen

Die Autoren konzentrieren sich auf Magnesium, ein Element, das im Mantel reichlich vorhanden, im Kern aber als selten angenommen wird. Hochdruckexperimente deuteten darauf hin, dass etwas Magnesium unter den intensiven Bedingungen der Erdformung in geschmolzenes Eisen gelöst worden sein könnte, besonders während des Mond bildenden Riesenimpacts. Bisher gab es jedoch keine robusten Berechnungen dazu, wie Magnesium Dichte und Schallgeschwindigkeit von flüssigem Eisen bei den extremen Drucken und Temperaturen des äußeren Kerns verändert. Mit erstprinzipiellen Molekulardynamik-Simulationen, einer quantenbasierten Simulationsmethode, modellierten die Forschenden flüssiges Eisen mit unterschiedlichen kleinen Anteilen an Magnesium bei Drücken bis zu 340 Gigapascal und Temperaturen bis zu 7.500 Kelvin — Bedingungen, die denen tief in der Erde entsprechen.

Wie Magnesium die Eigenschaften des Kerns verändert

Die Simulationen zeigen, dass mit zunehmendem Magnesiumgehalt in flüssigem Eisen sowohl die Dichte als auch die Geschwindigkeit kompressionaler (schallähnlicher) Wellen nahezu linear abnehmen. Der Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit ist moderat, aber entscheidend entgegengesetzt zu dem anderer leichter Elemente, die tendenziell höhere Wellengeschwindigkeiten bewirken. Indem sie ihre neuen Eisen–Magnesium-Ergebnisse mit früheren Daten zu anderen leichten Elementen kombinierten, bauten die Autoren Modelle zur Zusammensetzung des äußeren Kerns, die gleichzeitig seismische Dichten, seismische Geschwindigkeiten und vernünftige chemische Grenzen für die mögliche Elementmenge im Kern erfüllen müssen. Sie testeten sowohl einen einheitlich durchmischten äußeren Kern als auch eine zweischichtige Struktur mit einer ausgeprägten oberen Schicht. In allen erfolgreichen Modellen ist Magnesium im äußeren Kern erforderlich, mit typischen Werten zwischen etwa 0,5 und 1,8 Gewichtsprozent, und besonders konzentriert in den äußersten mehreren hundert Kilometern — genau dort, wo die E′-Schicht beobachtet wird.

Kosmische Kollisionen und eine magnesiumreiche Hülle

Diese Ergebnisse legen eine dramatische Entstehungsgeschichte für die E′-Schicht nahe. Vor dem mondbildenden Einschlag hatte die Erde wahrscheinlich bereits einen flüssigen Eisenkern, der etwas Silizium und Wasserstoff, aber relativ wenig Magnesium enthielt. Der Riesenimpact hätte Teile des Planeten auf extreme Temperaturen erhitzt und zusätzliches Magnesium zusammen mit Silizium und Sauerstoff in Metall lösen können, das dann zum bestehenden Kern sank. Da dieses magnesiumreiche Metall relativ auftriebsstark war, sammelte es sich zu einer geschichteten Hülle an der Spitze des äußeren Kerns. Über Milliarden Jahre der Abkühlung könnten sich einige Komponenten, etwa Siliziumoxide, Wasser, Eisenoxide und möglicherweise Magnesiumoxid, langsam kristallisieren oder wieder in den Mantel ausgasen. Übrig blieb ein oberer äußerer Kern, der in Magnesium angereichert und etwas sauerstoffärmer ist — genau die Zusammensetzung, die etwas leichter ist und Schallwellen langsamer trägt und damit zur E′-Schicht passt.

Was das für unseren Planeten bedeutet

Für Nicht-Spezialisten mag der Kern weit entfernt erscheinen, doch seine Zusammensetzung beeinflusst das Magnetfeld der Erde, den Wärmefluss und die langfristige Entwicklung des Planeten. Diese Studie zeigt, dass eine relativ kleine Menge primordialen Magnesiums im äußeren Kern ein lang bestehendes Rätsel um die niedriggeschwindigkeitsige E′-Schicht lösen kann, ohne grundlegende chemische oder seismische Beschränkungen zu verletzen. Sie hilft auch zu erklären, warum der silikatische Mantel der Erde etwas ärmer an Magnesium ist als einige primitive Meteoriten, was darauf hindeutet, dass ein messbarer Anteil des Magnesiums tief im Kern verborgen ist. Vereinfacht gesagt argumentieren die Autoren, dass Spuren von Magnesium, die während des kolossalen Impacts, der den Mond formte, eingebracht und umverteilt wurden, eine dünne, magnesiumhaltige Haut am äußeren Kern hinterlassen haben — subtil, aber stark genug, dass Erdbebenwellen sie auf dem gesamten Planeten nachweisen können.

Zitation: Liu, T., Jing, Z. Presence of primordial Mg can explain the seismic low-velocity layer in the Earth’s outermost outer core. Nat Commun 17, 1886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68572-4

Schlüsselwörter: Erdkern, Magnesium, seismische Wellen, Riesenimpact, Zusammensetzung des äußeren Kerns