Nach jüngsten Schätzungen begann sich der feste innere Erdkern vor einer halben bis einer Milliarde Jahren zu bilden. Unsere neuen Messungen an alten Gesteinen, die aus dem Magma abkühlen, haben jedoch ergeben, dass die Bildung des Erdkerns mehr als eine halbe Milliarde Jahre früher begonnen haben könnte.

Das ist zwar immer noch relativ spät in der viereinhalb Milliarden Jahre alten Erdgeschichte, bedeutet aber, dass das tiefe Erdinnere in der tiefen Vergangenheit möglicherweise nicht so heiß war, wie manche behauptet haben. Das bedeutet, dass der Kern die Wärme langsamer an die Oberfläche abgibt als bisher angenommen, und es ist weniger wahrscheinlich, dass er bei der Gestaltung der Erdoberfläche durch tektonische Bewegungen und Vulkane eine große Rolle spielt.

Nachdem sich die Erde aus Kollisionen in einer riesigen Materialwolke gebildet hatte, aus der auch die Sonne entstand, war sie geschmolzen. Das lag an der Hitze, die durch den Entstehungsprozess entstand, und an der Tatsache, dass sie ständig mit anderen Körpern zusammenstieß. Aber nach einer Weile, als das Bombardement nachließ, kühlte die äußere Schicht ab und bildete eine feste Kruste.

Der innere Erdkern ist heute eine plutogroße Kugel aus festem Eisen im Zentrum unseres Planeten, umgeben von einem äußeren Kern aus geschmolzenem Eisen, das mit einem noch unbekannten, leichteren Element legiert ist. Obwohl die Erde in ihrem Zentrum am heißesten ist (ca. 6.000 °C), gefriert das flüssige Eisen aufgrund des dort herrschenden hohen Drucks zu einem Festkörper. Während die Erde weiter abkühlt, wächst der innere Kern durch diesen Gefrierprozess mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm pro Jahr.

Die Kenntnis des Zeitpunkts, an dem sich der Erdkern so weit abgekühlt hat, dass das Eisen erstmals gefroren ist, gibt uns einen grundlegenden Anhaltspunkt für die gesamte thermische Geschichte des Planeten.

Das Magnetfeld der Erde wird durch die Bewegung von elektrisch leitendem geschmolzenem Eisen im äußeren Kern erzeugt. Diese Bewegung wird durch leichte Elemente erzeugt, die an der inneren Kerngrenze freigesetzt werden, während sie wächst. Daher ist der Zeitpunkt, an dem das Eisen zum ersten Mal gefroren wurde, auch ein Zeitpunkt, an dem der äußere Kern eine starke zusätzliche Energiequelle erhielt.

Es ist die Signatur dieser Verstärkung des Magnetfeldes – die größte langfristige Zunahme in der gesamten Erdgeschichte -, die wir in den magnetischen Aufzeichnungen von Eruptivgestein, das zu dieser Zeit entstanden ist, zu beobachten glauben. Die magnetischen Partikel in diesen Gesteinen haben die Eigenschaften des Erdmagnetfeldes zu dem Zeitpunkt und an dem Ort, an dem sie aus dem Magma abkühlen, „eingeschlossen“.

Das Signal kann dann im Labor wiedergefunden werden, indem man misst, wie sich die Magnetisierung des Gesteins ändert, wenn es in einem kontrollierten Magnetfeld allmählich erwärmt wird. Die Suche nach dieser Signatur ist keine neue Idee, aber sie ist erst jetzt möglich geworden, weil immer mehr Messdaten zur Verfügung stehen und neue Ansätze zu deren Analyse entwickelt wurden.

Die Erde hat während des größten Teils ihrer Geschichte durch einen „Dynamo“-Prozess ein Magnetfeld aufrechterhalten. Dieser ist im Prinzip vergleichbar mit einem aufziehbaren Radio oder einer mit dem Fahrrad betriebenen Glühbirne, indem mechanische Energie in elektromagnetische Energie umgewandelt wird. Bevor der innere Kern zu erstarren begann, wurde dieser „Geodynamo“ vermutlich durch einen ganz anderen und ineffizienten „thermischen Konvektionsprozess“ angetrieben.

Als Eisen aus der Flüssigkeit an der Basis des Kerns herauszufrieren begann, wurde der Rest weniger dicht, was eine zusätzliche Auftriebsquelle darstellte und zu einer viel effizienteren „Kompositionskonvektion“ führte. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Effizienzeinsparung früher in der Erdgeschichte stattfand als bisher angenommen, was bedeutet, dass das Magnetfeld länger mit insgesamt weniger Energie aufrechterhalten werden konnte. Da die Energie größtenteils thermisch ist, bedeutet dies, dass der Kern als Ganzes wahrscheinlich kühler ist, als er es gewesen wäre, wenn sich der innere Teil später gebildet hätte.

Wärme und Plattentektonik

Ein kühlerer Kern bedeutet einen geringeren Wärmefluss an der Kern-Mantel-Grenze. Dies ist für alle Geowissenschaften von Bedeutung, weil es eine der Triebfedern für die Bewegung tektonischer Platten sein könnte und auch eine Quelle für den Plume-Vulkanismus an der Erdoberfläche ist. Wir wissen, dass diese Prozesse auf die Konvektion des Erdmantels zurückzuführen sind, die letztlich durch den Wärmefluss aus dem Planeten heraus entsteht, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die wir ziemlich genau messen können. Was wir noch nicht wissen, ist, wie viel von dieser an der Erdoberfläche verlorenen Wärme aus dem Erdmantel und wie viel aus dem Erdkern stammt.

Es wird angenommen, dass die Erhitzung des Kerns Plumes erzeugt, die direkt über der Kern-Mantel-Grenze aufsteigen und die Strömung im Mantel vorantreiben könnten. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Beitrag des Kerns zum Wärmefluss an der Oberfläche geringer ist, als andere Studien vermuten lassen, und dass die Subduktion im Ozean, bei der eine tektonische Platte unter eine andere in den Mantel hinabtaucht, für die Mantelkonvention viel wichtiger ist als die aus dem Kern aufsteigende Wärme.

Die Debatte über das Alter des inneren Kerns und die daraus resultierende thermische Entwicklung der Erde ist noch nicht beendet. Es werden mehr paläomagnetische Daten benötigt, um zu bestätigen, dass der von uns beobachtete starke Anstieg der Magnetfeldstärke tatsächlich der größte in der Geschichte des Planeten ist. Darüber hinaus muss durch Modellierung überprüft werden, ob ein anderes Ereignis die magnetische Verstärkung zu diesem Zeitpunkt verursacht haben könnte.

Nach dem derzeitigen Stand der Dinge deuten Theorie und Beobachtung darauf hin, dass die Erde zwei Drittel ihres heutigen Alters hatte, bevor sie begann, einen inneren Kern zu bilden – was bedeutet, dass die Geowissenschaftler ihr Verständnis der Geschichte des Planeten möglicherweise revidieren müssen.