Im Inneren der Erde: Von der Kruste bis zum Kern

Am Morgen des 8. Oktober 1909 betrat ein kroatischer Seismologe namens Andrija Mohorovicic das meteorologische Observatorium in Zagreb und fand die Trommeln seines Seismographen über und über mit der Spur eines Erdbebens bedeckt. Es war kein großes Beben; es hatte die Region Pokupsko getroffen, etwa vierzig Kilometer südöstlich der Stadt. Doch die Schlängellinien auf seinem Papier bargen etwas Seltsames. An Stationen in einiger Entfernung vom Epizentrum schien dieselbe Art seismischer Welle zweimal einzutreffen, der eine Impuls merklich schneller als der andere, als hätte sich ein einzelnes Signal entzweigespalten und sei entlang verschiedener Wege dahingerast.

Mohorovicic verbrachte den Rest jenes Jahres damit, herauszufinden, warum. Die einzige Erklärung, die passte, war, dass ein Teil der Wellen in eine tiefere, dichtere Gesteinsschicht abgetaucht war, dort schneller wurde und vor seinen langsameren Verwandten an die Oberfläche kam, die das flachere Material darüber durchquert hatten. Er hatte, ohne je einen Spaten zu heben, eine Grenze im Inneren der Erde aufgespürt. Diese Grenze trägt bis heute seinen Namen, von Geologen, denen das Aussprechen zu mühsam wird, kurz Moho genannt. Sie trennt die Kruste vom Mantel, und ihre Entdeckung läutete ein Vierteljahrhundert ein, in dem eine Handvoll Wissenschaftler, die nichts als das Zittern ferner Erdbeben lasen, den Bauplan eines Planeten rekonstruierten, den sie niemals sehen konnten.

In diesem Artikel geht es um diesen Bauplan und um die erstaunliche Tatsache, dass wir ihn überhaupt kennen. Der Erdmittelpunkt liegt mehr als 6.000 Kilometer unter Ihren Füßen, heißer als die Oberfläche vieler Sterne und zerquetscht unter Drücken, die jeder Vorstellung spotten. Wir können nicht dorthin gelangen, und wir können nicht dorthin bohren. Wie also kamen wir dazu, so selbstbewusst von einer Kruste, einem Mantel, einem flüssigen äußeren Kern und einem festen inneren Kern zu sprechen?

Einen Planeten aus seinem Zittern lesen

Fast alles, was wir über das tiefe Erdinnere wissen, stammt nicht vom Bohren, sondern vom Lauschen. Wenn ein großes Erdbeben aufbricht, sendet es seismische Wellen in alle Richtungen aus, auch geradewegs nach unten durch den Körper des Planeten. Diese Wellen kommen in zwei Hauptarten vor, die sich sehr unterschiedlich verhalten, und dieser Unterschied ist das einzelne mächtigste Werkzeug, das die Geophysik je besessen hat.

Die schnellere der beiden sind die P-Wellen, oder Primärwellen, die das Material, das sie durchqueren, stauchen und dehnen, so wie eine Schallwelle sich durch die Luft bewegt. Entscheidend ist, dass P-Wellen Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase gleichermaßen durchdringen. Die langsameren S-Wellen, oder Sekundärwellen, scheren das Material seitlich, und eine seitliche Scherung ist etwas, das eine Flüssigkeit schlicht nicht aushalten kann. S-Wellen bewegen sich nur durch Feststoffe und kommen an jeder flüssigen Schicht abrupt zum Stillstand.

Das gibt Seismologen eine Möglichkeit, den Planeten zu durchleuchten. Indem sie Seismographen an Stationen rund um den Globus aufstellen und genau aufzeichnen, wann jede Art von Welle eintrifft und aus welcher Richtung, können sie die Wege rekonstruieren, die die Energie genommen hat. Wo Wellen schneller werden, muss das Gestein dichter geworden sein. Wo S-Wellen gänzlich verschwinden, muss Flüssigkeit sein. Wo Wellen sich scharf brechen, haben sie eine Grenze zwischen zwei Materialien überschritten. Das Modell des Erdinneren wurde aus diesen Ankunftszeiten zusammengesetzt, geduldig, über Jahrzehnte, so wie ein Radiologe die Schatten auf einer Aufnahme liest.

Die vier Schichten, auf eine einzige Seite gezeichnet

Von außen nach innen gezeichnet, hat die Erde vier Hauptschichten. An der Oberfläche liegt eine dünne, spröde Kruste; darunter ein dicker, größtenteils fester Mantel, der über geologische Zeiträume hinweg wie extrem zäher Kitt fließt; darunter ein flüssiger äußerer Kern aus Eisen und Nickel; und im innersten Herzen ein fester innerer Kern, ebenfalls aus Eisen und Nickel, durch Druck erstarrt, obwohl er glühend heiß ist. Dies ist der standardmäßige Querschnitt, der in jedem Geographie- und Geologielehrbuch abgedruckt ist, und jede seiner Grenzen wurde durch das Lesen seismischer Wellen entdeckt.

Die Verhältnisse sind demütigend. Die Kruste, der einzige Teil, den wir je berührt haben, ist bei Weitem die dünnste Haut, und nahezu die gesamte Masse des Planeten liegt im Mantel und Kern darunter. Die Erde zu verstehen heißt, in einem ganz realen Sinne, einen Ort zu verstehen, den keiner von uns je erreichen wird.

Eine Kruste zweierlei Art: Ozean und Kontinent

Die Kruste ist keine einheitliche Hülle. Sie spaltet sich sauber in zwei verschiedene Typen, und der Unterschied zwischen ihnen bestimmt das grundlegendste Merkmal im Antlitz unseres Planeten, nämlich wo die Meere liegen und wo das Land sich erhebt.

Ozeanische Kruste ist dünn, typischerweise nur etwa fünf bis zehn Kilometer dick, und sie ist dicht, dunkel und chemisch basaltisch, dieselbe Gesteinsfamilie, die man in einem hawaiianischen Lavastrom finden würde. Sie ist außerdem geologisch jung, denn der Ozeanboden wird an den mittelozeanischen Rücken ständig neu gebildet und wieder in den Mantel zurückgeführt. Kontinentale Kruste hingegen ist dick, oft dreißig bis vierzig Kilometer und unter Gebirgsketten weit mehr, und sie ist leichter und in ihrer Zusammensetzung weitgehend granitisch. Sie ist außerdem uralt, manche Teile reichen Milliarden von Jahren zurück. Weil kontinentale Kruste weniger dicht ist, schwimmt sie höher auf dem Mantel, wie ein dickes Floß, das über den dünneren, schwereren ozeanischen Platten reitet, und dieser einfache Dichteunterschied ist der Grund, warum Kontinente über dem Meeresspiegel stehen und Ozeanbecken darunter liegen.

Der Mantel und die weiche Schicht unter den Platten

Unterhalb der Moho liegt der Mantel, eine Hülle aus Silikatgestein von rund 2.900 Kilometern Dicke. Er ist der Riese im Aufbau der Erde und macht etwa 84 Prozent des Gesamtvolumens des Planeten aus. Fast alles, was wir beiläufig „die Erde“ nennen, ist, dem Volumen nach, Mantel.

Hier müssen wir uns dem hartnäckigsten Irrtum der gesamten Geologie stellen, dem Glauben, der Mantel sei ein Meer aus geschmolzener Lava. Das ist er nicht. Der Mantel ist ganz überwiegend festes Gestein. Er ist gewiss außerordentlich heiß, und über Jahrmillionen kann er in langsamen Konvektionsströmen fließen und sich umwälzen, wobei er sich plastisch verformt, so wie ein Gletscher oder ein Block aus kaltem Teer sich verformt, wenn man nur lange genug wartet. Doch auf jeder menschlichen Zeitskala verhält er sich wie ein starrer Feststoff. Nur in bestimmten, begrenzten Bereichen, meist nahe der Oberfläche, wo der Druck nachlässt, schmilzt Mantelgestein überhaupt und erzeugt das Magma, das die Vulkane speist. Die glühende Lava, die wir an der Oberfläche sehen, ist die Ausnahme, nicht die Regel dessen, was darunter liegt.

Im oberen Mantel lebt eine wichtige mechanische Unterscheidung. Der kühle, starre oberste Teil des Mantels verhält sich mechanisch wie ein Stück mit der Kruste darüber und bildet eine steife Hülle. Darunter sitzt die Asthenosphäre, eine wärmere, schwächere Schicht aus Mantelgestein, die ihrem Schmelzpunkt nahe genug ist, um weich und langsam verformbar zu sein. Sie ist die geschmierte Fläche, über die die starre Hülle darüber gleiten kann, und diese Unterscheidung, starrer Deckel über weicher Schicht, erweist sich als der Schlüssel zur Plattentektonik.

Gutenbergs Grenze und ein Kern aus flüssigem Eisen

Im Jahr 1914 legte der deutsch-amerikanische Seismologe Beno Gutenberg die dramatischste innere Grenze von allen fest, in einer Tiefe von etwa 2.900 Kilometern, wo der Mantel endet und der Kern beginnt. Der Beleg war frappierend. Jenseits eines bestimmten Winkels von jedem großen Erdbeben aus blieben S-Wellen schlicht aus, und P-Wellen wurden scharf gebrochen und trafen verspätet ein. Das Verschwinden der S-Wellen war der entscheidende Beweis, denn sie können keine Flüssigkeit durchqueren. Der Mantel saß auf etwas Geschmolzenem.

Dieses Etwas ist der äußere Kern, eine Hülle aus flüssigem Eisen und Nickel von rund 2.200 Kilometern Dicke, bei Temperaturen um 4.000 bis 5.500 Grad Celsius. Er ist kein stiller Ozean aus Metall, sondern ein unruhiger, von der aus der Tiefe entweichenden Hitze in gewaltige konvektive Wirbel versetzt. Diese Wirbel aus elektrisch leitfähigem flüssigem Metall wirken als ein sich selbst erhaltender Dynamo, und sie erzeugen das Magnetfeld der Erde, den unsichtbaren Schild, der einen Großteil des Sonnenwinds ablenkt und eine Kompassnadel nach Norden weisen lässt. Das Feld, das Schiffe leitet und die Atmosphäre schützt, ist letztlich ein Produkt von geschmolzenem Eisen, das Tausende von Kilometern unter dem Meeresboden schwappt.

Inge Lehmann und das feste Herz im Inneren

Zwei Jahrzehnte lang nach Gutenberg hielt man den Kern für vollständig flüssig. Dann, im Jahr 1936, veröffentlichte die dänische Seismologin Inge Lehmann eine Arbeit mit dem kargen und heute berühmten Titel P' (ausgesprochen „P prime“). Darin nahm sie sich eines Rätsels an. Es gibt eine Region auf dem Globus, gegenüber einem gegebenen Erdbeben, die sogenannte Schattenzone, wo der flüssige äußere Kern P-Wellen so stark bricht, dass sie eigentlich gar nicht ankommen dürften. Und doch tauchten dort dennoch schwache P-Wellen auf, wo die Theorie besagte, die Oberfläche müsse still sein.

Lehmanns Erklärung war elegant. Wenn tief im flüssigen äußeren Kern ein kleinerer, dichterer, fester innerer Kern säße, dann würden einige P-Wellen auf ihn treffen, von seiner Oberfläche reflektiert und gebrochen und in die Schattenzone umgelenkt, die keine direkte Welle erreichen kann. Die schwachen Signale waren Echos von einer verborgenen Kugel aus festem Metall im Zentrum des Planeten. Ihre Deutung wurde 1940 vom Seismologen Keith Bullen bestätigt, und das Vierschichtenmodell war vollständig. Der innere Kern ist nicht deshalb fest, weil er kühl wäre, denn er ist möglicherweise heißer als die flüssige Schicht um ihn herum, sondern weil der Druck im Zentrum der Erde so ungeheuer ist, dass er das Eisen trotz der Hitze zum Erstarren zwingt.

Wie heiß, wie tief und warum wir nicht einfach dorthin bohren können

Das Erdinnere wird mit der Tiefe steil heißer, aber nicht in einer einfachen geraden Linie. Nahe der Oberfläche steigt die Temperatur mit dem geothermischen Gradienten, etwa 25 bis 30 Grad Celsius für jeden Kilometer, den man hinabsteigt. Hielte sich diese Rate den ganzen Weg hinunter, wäre das Zentrum unmöglich heiß, Zehntausende von Grad. Sie hält sich nicht. Der Gradient flacht mit der Tiefe dramatisch ab, sodass das eigentliche Zentrum der Erde bei rund 5.200 Grad Celsius liegt, vergleichbar mit der Oberfläche der Sonne, statt bei den absurden Werten, die ein konstanter Gradient vorhersagen würde. Der Druck hingegen steigt unaufhörlich den ganzen Weg hinab und erreicht am Kern das Millionenfache des atmosphärischen Drucks, was genau das ist, was es dem sengend heißen inneren Kern erlaubt, fest zu bleiben.

Angesichts all dieser ferngesteuerten Rückschlüsse mögen Sie sich fragen, warum wir nicht einfach hinunterbohren und nachsehen. Die ehrliche Antwort lautet, dass wir es versucht haben und kaum an der Oberfläche gekratzt haben. Das tiefste Loch, das je in den Planeten gebohrt wurde, ist die Kola-Bohrung auf der russischen Halbinsel Kola, die bis 1989 12.262 Meter erreicht hatte, etwas über zwölf Kilometer. Das ist ein echter ingenieurtechnischer Triumph, und doch entspricht es weniger als 0,2 Prozent der Strecke bis zum Zentrum, und das Gestein wurde so heiß und so plastisch, dass das Projekt zum Stillstand kam. Bohren ist letzten Endes nicht die Art, wie wir das Erdinnere kennenlernen, und wird es niemals sein. Die Seismologie ist es.

Die Hülle, die in Platten zerbrechen wird

Ein letztes Stück verbindet die Struktur und weist auf das nächste Kapitel der Geschichte hin. Wir haben davon gesprochen, dass die Kruste und der starre obere Teil des Mantels sich wie eine einzige mechanische Einheit verhalten. Diese vereinte Hülle hat einen Namen. Sie ist die Lithosphäre, die kühle, spröde, starre äußere Schicht der Erde, bestehend aus der Kruste plus dem obersten Mantel, die auf der weichen Asthenosphäre darunter reitet.

Die Lithosphäre ist wichtig, weil es die Lithosphäre ist, nicht die Kruste allein, die in die großen tektonischen Platten zerbrochen ist, deren langsame Zusammenstöße und Trennungen Gebirge auftürmen, Ozeane öffnen und Erdbeben auslösen. Mohorovicics kleines kroatisches Beben von 1909, und jedes Beben seither, ist letztlich ein Signal von dieser unruhigen Hülle in Bewegung. Dieselben Wellen, die die Schichten des Planeten enthüllten, sind der Planet, der uns sagt, dass seine Oberfläche lebt.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Die Erde besteht aus vier ineinander geschachtelten Schichten, von außen nach innen: einer dünnen spröden Kruste, die sich in dichten jungen ozeanischen Basalt und dicken uralten kontinentalen Granit teilt; einem gewaltigen festen Mantel aus Silikatgestein, der etwa 84 Prozent des Planetenvolumens ausmacht und über geologische Zeiträume plastisch fließt, ohne geschmolzene Lava zu sein; einem flüssigen äußeren Kern aus Eisen und Nickel, dessen konvektierendes Metall das Magnetfeld erzeugt; und einem festen inneren Kern aus Eisen und Nickel, der durch erdrückenden Druck selbst bei rund 5.200 Grad Celsius erstarrt ist. All das wissen wir nicht vom Bohren, das nie auch nur 0,2 Prozent des Weges hinab erreicht hat, sondern von seismischen Wellen, indem wir uns die Tatsache zunutze machen, dass P-Wellen sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten durchqueren, während S-Wellen an Flüssigkeit haltmachen. Das Vierschichtenbild wurde fast vollständig aus dem Lesen von Erdbeben zusammengesetzt, von Mohorovicics Grenze zwischen Kruste und Mantel im Jahr 1909, über Gutenbergs flüssigen äußeren Kern 1914, bis zu Lehmanns festem inneren Kern 1936. Und die starre äußere Hülle aus Kruste plus oberstem Mantel, die Lithosphäre, ist das Stück, das der nächste Teil der Geschichte in die sich bewegenden tektonischen Platten zerbricht.