Unterirdische Atomwaffentests aus den Jahren 1977 bis 1995 liefern neue Einblicke in den äusseren Erdkern. Geophysikalische Auswertungen von seismischen Wellen zeigen, dass sich im flüssigen Aussenkern eine rund 700 Kilometer breite und etwa 100 Kilometer dicke Anomalie bewegt, was auf heftige Strömungen und durchmischtes Material hinweist.
Erdkern-Dynamik im Wandel der Zeit
Der innere Aufbau unseres Planeten gilt im Schulunterricht als verstanden: Auf den dünnen, festen Erdmantel folgt ein flüssiger Aussenkern aus geschmolzenem Metall, in dessen Zentrum ein superheisser, fester innerer Kern ruht. Doch diese grundsätzliche Dreiteilung ist erst rund 120 Jahre bekannt. Mithilfe von Erdbeben und den dabei entstehenden Primär- oder P-Wellen gelang es Geologen erstmals, die verschiedenen Aggregatzustände im Erdinneren zu vermessen. S-Wellen scheiterten an flüssigem Material, wodurch der Nachweis des geschmolzenen Aussenkerns gelang.
Neue Details über diese internen Systeme liefern nun Daten aus einer unerwarteten Quelle: unterirdischen Atomwaffentests, die vor mehr als 30 Jahren stattfanden. Eine Untersuchung der Geophysikerin Ying Zhou von der Virginia Tech analysierte seismische Wellen, die von unterirdischen Nuklearexplosionen auf dem Atoll Mururoa in Französisch-Polynesien zwischen 1977 und 1995 erzeugt wurden. Diese Wellen durchquerten den Planeten und wurden an einer seismischen Station in Kasachstan registriert. Da die Atomwaffentests an nahezu derselben Position stattfanden, legten die seismischen Wellen fast deckungsgleiche Wege durch das Erdinnere zurück.
Veränderte Laufzeiten und neu entdeckte Wellen
Der zeitliche Abgleich der Messungen offenbarte markante Abweichungen. Verglichen mit dem Jahr 1977 passierten die Wellen den Aussenkern in den Jahren 1982 und 1983 um rund 0,1 Sekunden schneller, zwischen 1988 und 1990 sogar um etwa 0.15 Sekunden. Bis 1995 verlangsamte sich die Reisezeit jedoch um 0,15 bis 0,2 Sekunden. Für eine seismische Welle, die Tausende von Kilometern durch den Planeten wandert, sind Bruchteile einer Sekunde von Bedeutung. Sie belegen, dass die Wellen durch heterogenes, also gemischtes Material wandern, das sich im Laufe der Jahrzehnte verschoben hat.
Die Auswertung identifizierte zudem einen zuvor unerkannten seismischen Wellentyp namens PKrKP. Im Gegensatz zu klassischen Wellen, die den inneren Kern durchqueren oder an ihm reflektiert werden, spiegelt sich die PKrKP-Welle mitten im flüssigen Aussenkern. Diese ungewöhnliche Eigenschaft ermöglichte es, jenen Abschnitt der seismischen Reise zu isolieren, der Aufschluss über den flüssigen Aussenkern gibt. Zum Vergleich zog die Analyse mit der Bezeichnung PP eine weitere Wellenart heran, die durch den Mantel statt durch den Aussenkern läuft. Die Untersuchung stützte sich dabei auf 112 Paare von Nukleartests, deren Explosionen jeweils weniger als 0,05 Grad voneinander entfernt stattfanden.
Strömungen im flüssigen Aussenkern
Aus Massstab und Geschwindigkeit der Veränderungen schliessen Forschende auf intensive Mischungsprozesse im flüssigen Aussenkern. Laut der Studie kann eine Anomalie im Südpazifik die gemessenen Laufzeitunterschiede erklären. Die Autorin schätzt, dass eine mit einer lateralen Ausdehnung von über 700 Kilometern und einer Dicke von etwa 100 Kilometern im Südpazifik diese Effekte auslöst. Als wahrscheinlich gilt, dass es sich dabei um schwebendes, festes Material handelt, das sich durch den flüssigen Aussenkern bewegt.
Diese Dynamik wirft ein neues Licht auf das Erdmagnetfeld, dessen Entstehung und Veränderung eng mit den Strömungen im Aussenkern verknüpft sind. Ergänzende Untersuchungen der University of Southern California zeigten zudem, dass der Aussenkern möglicherweise die Form des inneren Kerns verändert, was ebenfalls Rückwirkungen auf das Magnetfeld haben kann.
Rückläufige Drift des inneren Erdkerns
Die Erforschung der tiefsten Schichten stützt sich neben historischen Atomwaffentests vor allem auf wiederkehrende Erdbeben. Ein Team um den Geophysiker Wei Wang analysierte Aufzeichnungen von 121 Erdbeben, die sich zwischen 1991 und 2023 in der Nähe der Sandwichinseln ereigneten. Diese bildeten 143 distinkte, sich wiederholende Paare, deren Wellen ähnliche Routen nahmen. Die Forschenden konzentrierten sich auf PKIKP-Wellen, die durch den Mantel, den flüssigen Aussenkern und den festen inneren Kern verlaufen.
Die Analyse dieser Wellenmuster legte nahe, dass der innere Kern seine relative Position zum Mantel verändert hat. Zwischen 2003 und 2008 bewegte sich der innere Kern etwas schneller als der Mantel, ein Phänomen, das als Super-Rotation bezeichnet wird. Von 2008 bis 2023 rotierte er jedoch langsamer und bewegte sich auf seinem relativen Pfad zurück. In einem auf Kruste und Mantel bezogenen Referenzrahmen wirkt diese Bewegung wie ein Rückwärtsdriften. Die Differenz ist minimal: Frühere Schätzungen beziffern die Rotation auf 0,05 bis 0,15 Grad pro Jahr.
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