Juliane Dannberg mit Blick in die Ferne
©Colorado State University/Joe A. Mendoza

Physik Auf und Ab im Erdmantel

Das Erdinnere ist ständig in Bewegung. Heißes Gestein steigt auf und führt zu heftigen Vulkanausbrüchen. Die von Physikerin Juliane Dannberg entwickelten Computermodelle zeigen, in welchen Fällen diese Naturkatastrophen besonders verheerend sind – und sogar das Leben auf der Erde bedrohen können.

von Dr. Juliane Dannberg

Wer in einem Naturkundemuseum schon mal ein Dinosaurierskelett betrachtet hat, weiß, welche Faszination diese majestätischen Wesen auf uns ausüben können. Warum diese riesigen Tiere einst ausstarben, bleibt bis heute eine spannende Frage. Viele Forscher gehen davon aus, dass ein gut zehn Kilometer großer Meteorit dafür verantwortlich war. Er schlug vor 66 Millionen Jahren auf der mexikanischen Halbinsel Yukatan ein und führte weltweit zu drastischen Klimaveränderungen. Doch jene Zeit war auch geprägt von weltweit heftiger Vulkanaktivität, die mehrere hunderttausend Jahre andauerte. Auch sie machte die Erde zu einem lebensfeindlichen Ort.

Eines jedenfalls ist gewiss: Damals, an der Grenze zwischen Kreide und Tertiär, wurden innerhalb kurzer Zeit fast drei Viertel aller Tier- und Pflanzenarten ausgelöscht. Im Rahmen meiner Doktorarbeit interessierte ich mich für die Frage, ob der weltweite Vulkanismus tatsächlich auch allein für das Massensterben verantwortlich gewesen sein könnte.

Blick auf Gestein
©Colorado State University/Joe A. Mendoza
Festes Gestein des Erdmantels bewegt sich wenige Zentimeter im Jahr.

Seinen Ursprung hat der Vulkanismus in dem etwa 2900 Kilometer mächtigen Erdmantel, der unterhalb der nur wenige dutzend Kilometer dicken Erdkruste liegt. Beide Schichten bestehen augenscheinlich aus festem Gestein. Aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperaturen in einigen dutzend Kilometern Tiefe verhält der Erdmantel sich auf Zeitskalen von Jahrmillionen aber wie ein sehr zähflüssiger Sirup. Er grenzt in der Tiefe an den Erdkern, der die Gesteinsmassen des unteren Mantels aufheizt, sodass sich diese ausdehnen und in der Folge aufgrund ihrer geringen Dichte nach oben steigen. An anderer Stelle sinkt kälteres, dichteres Gestein in die Tiefe. Im Erdmantel gibt es daher einen Kreislauf aus auf- und absteigenden Gesteinsmassen – das funktioniert wie in einer Lavalampe, nur eben in geologischen Zeiträumen.

Wenn heißes Gestein aufsteigt, sinkt auch der Druck der Umgebung. Die Folge: Es beginnt zu schmelzen und kann schließlich die Erdoberfläche erreichen. Aus der Erdgeschichte wissen wir, dass einige besonders heftige Phasen gehäufter Vulkaneruptionen zeitgleich mit massenhaftem Artensterben stattfanden – so geschehen auch vor 65 Millionen Jahren, als die Dinosaurier verschwanden. Damals wurden ungeheure Mengen von Asche und Gasen wie Kohlenstoffdioxid oder Chlorwasserstoff freigesetzt, die das Klima der Erde nachhaltig veränderten.

Der Erdmantel funktioniert wie eine Lavalampe.

Juliane Dannberg

Allerdings kommt es dabei auf die Art des aufsteigenden und schmelzenden Gesteins an. Peridotit etwa, der Hauptbestandteil des Erdmantels, schmilzt erst bei sehr hohen Temperaturen und setzt beim Schmelzen vergleichsweise wenig klimawirksames Gas frei. Ein anderes Gestein, der Pyroxenit, schmilzt hingegen schon bei relativ niedrigen Temperaturen, sodass das Volumen des Magmas steigt.

Andererseits hat der Pyroxenit eine hohe Dichte und verringert deshalb die Geschwindigkeit der nach oben drängenden Gesteinsmassen. Diese sogenannten Plumes, pilzförmig aufsteigende heiße Gesteinsströme, kann man sich vorstellen wie einen Heißluftballon: Die Luft im Ballon – also die Gesteinsmasse im Erdinneren – wird erwärmt und steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf. Durch den Korb und die Insassen darin wird der Ballon aber schwerer, und ab einem bestimmten Gewicht steigt er einfach nicht mehr weiter nach oben.

Übertragen auf den Erdmantel stellt sich die Frage, wie viel Pyroxenit in diesen Plumes so weit aufsteigen kann, dass er die festen Gesteinsschichten durchbrechen kann – und ob die von den Vulkanen weltweit freigesetzten Gasmengen ausreichen, um ein Massensterben auszulösen.

Juliane Dannberg mit Gestein in der Hand
©Colorado State University/Joe A. Mendoza
Juliane Dannberg bei ihren Forschungsarbeiten.

Im Rahmen meiner Doktorarbeit erstellte ich Computermodelle, mit denen ich die Bewegungen unterschiedlich zusammengesetzter Gesteinsmassen im Erdinneren nachvollziehen kann. Die grundlegenden Gleichungen, die diese von Dichteunterschieden angetriebenen Bewegungen beschreiben, sind zwar schon seit den 1950er-Jahren bekannt, aber erst durch die zunehmende Rechenleistung von Computern in den letzten Jahrzehnten kann man diese Gleichungen auch lösen. Schwierig war auch die Bestimmung der Antriebskraft in den Gleichungen, also welche Dichte Gesteine verschiedener chemischer Zusammensetzung bei den im Erdinneren herrschenden Temperaturen und Drücken haben – schließlich reicht das tiefste jemals gebohrte Loch, in dem solche Parameter gemessen werden können, gerade einmal zwölf Kilometer tief. Die Mantelströme haben ihren Ursprung aber in einigen tausend Kilometern Tiefe. Allein die Temperaturen ändern sich während ihres Aufstiegs um mehrere tausend Grad Celsius.

Das feste Gestein des Erdmantels bewegt sich wenige Zentimeter im Jahr.

Juliane Dannberg

Mittlerweile sind Forscher aber in der Lage, diese extremen Bedingungen im Labor zu simulieren, sodass wir über die physikalischen und chemischen Zustände im Erdinneren recht gut Bescheid wissen. Während in bisherigen Modellen oft konstante Werte oder einfache Näherungen für die Gesteinsdichte verwendet wurden, habe ich die Ergebnisse dieser Experimente in meine Simulationen mit einfließen lassen. Dabei fand ich heraus, dass das aufsteigende Gestein einen Anteil von bis zu 15 Prozent Pyroxenit nach oben tragen kann – mit der Folge, dass das Volumen des Magmas wesentlich größer ist als beim Aufschmelzen des „normalen“ Mantelgesteins.

Für das Ausbrechen der Vulkane ist aber nicht nur entscheidend, wie viel Magma entsteht, sondern auch, wie es sich bewegt. Dies ist ein weitaus schwierigeres Problem, weil das Magma innerhalb der Lithosphäre in Kanälen von wenigen Kilometern Breite und mit Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Jahr aufsteigt. Im Vergleich dazu ist der Erdmantel mehrere tausend Kilometer groß und das feste Gestein kommt nur wenige Zentimeter im Jahr voran. Es ist also eine Herausforderung, beide Prozesse zusammen in einem Modell zu betrachten.

Um die Bewegungen im Erdmantel abzubilden, habe ich den modellierten Bereich mithilfe eines virtuellen Gitters unterteilt. Das Ganze ähnelt dem Aufbau eines Digitalfotos. Während die einzelnen Pixel Informationen über Helligkeit und Farbe enthalten, berechnet der Computer für die einzelnen Zellen -meines Modells Parameter wie Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung und Aufstiegsgeschwindigkeit des Plumes.

Spalt im Gestein
©Colorado State University/Joe A. Mendoza
Die Mantelströme haben ihren Ursprung in einigen tausend Kilometern Tiefe.

Um in der Analogie zum Foto zu bleiben: Wer seine Freunde vor einer Bergkulisse abbilden möchte, kann entweder ein Panoramabild oder ein Porträt aufnehmen. Beim Panoramabild sieht der Betrachter, wo die Freunde stehen, kann aber die Gesichter nicht mehr im Detail erkennen. Bei dem Porträt hingegen sieht man zwar das Gesicht klar und deutlich, aber nicht mehr den ganzen Hintergrund.

Um dieses Problem in meinem Modell zu lösen, benutzte ich eine spezielle Methode, die „adaptive Gitterverfeinerung“. In den Bereichen der Simulation, in denen Magma entsteht und sich auf kleinen Skalen bewegt, verwende ich eine höhere Auflösung. In anderen Bereichen hingegen, in denen die Bewegungen großräumig und langsam vonstatten gehen, reicht eine niedrigere Auflösung aus. Für unser Foto würde das heißen, dass das Gesicht der Person mit einer höheren Pixeldichte abgedeckt ist, während beispielsweise für den Himmel im Hintergrund die Abstände zwischen den Pixeln größer sein können.

Illustration Mantelströme
©Colorado State University
So sehen beispielhaft die auf- und absteigenden Mantelströme (Plumes) in der Computersimulation aus. Die Bewegungen ähneln ein bisschen dem Auf und Ab der Tropfen in einer Lava-Lampe. Zwischen den einzelnen Bildern liegt jeweils ein Zeitraum von jeweils fünf Millionen Jahren. Die kalten Gesteinsschichten der festen Lithosphäre sind blau eingefärbt, in den linsenförmigen gelben und roten Bereichen schmilzt das Gestein.

Mithilfe dieser neu entwickelten mathematischen Methode war ich in der Lage, die Wechselwirkungen zwischen Festgestein und Schmelze zu untersuchen. Dabei konnte ich modellieren, wie das Gestein in großer Tiefe schmilzt und bis an die Untergrenze der tektonischen Platten aufsteigt, sich dort abkühlt und erstarrt – und wieder absinkt. Dabei reißt es auch Teile der tektonischen Platte mit abwärts und erodiert sie von unten.

An den so entstandenen Schwachstellen können Platten leichter auseinanderbrechen, wie es beispielsweise vor 130 Millionen Jahren geschah, als sich Afrika und Südamerika voneinander lösten und der Südatlantik entstand. Außerdem kann an der dünneren Stelle der Platte heißes Gestein aus dem Erdmantel weiter nach oben steigen, wodurch aufgrund der fortschreitenden Druckentlastung mehr Magma entsteht und die Vulkanausbrüche an der Erdoberfläche heftiger werden.

Und die Dinosaurier? Tatsächlich konnte ich aus der Kombination dieser beiden Prozesse – dem Aufschmelzen hoher Pyroxenitanteile und der Destabilisierung der tektonischen Platte – abschätzen, dass der globale Vulkanismus gegen Ende der Kreidezeit durchaus die Ausmaße hatte, ein weltweites Massensterben auszulösen. Insofern hätte es jenes Meteoriteneinschlags wohl gar nicht bedurft.

Hintergrund

Ein Blick ins Erdinnere

Mancher Geologieprofessor kommt mit einem gekochten Ei in die Anfängervorlesung. Es ist ein einigermaßen maßstabsgerechtes Modell der Erde, die von außen nach innen aus Erdkruste (Schale), Erdmantel (Eiweiß) und Erdkern (Dotter) besteht. Die Dicke der Erdkruste variiert zwischen fünf Kilometern unter den Ozeanen und 70 Kilometern unter dem Himalaya.

Das tiefste, je von Menschen gebohrte Loch wurde auf der russischen Kola-Halbinsel gebohrt – und hat die Erdkruste nur angekratzt. Dass Forscher dennoch wissen, wie unser Planet im Inneren aufgebaut ist, verdanken sie vor allem den Erdbeben – weltweit sind es täglich an die 9000 Erschütterungen, von denen die meisten aber nur von empfindlichen Geräten registriert werden.

Bebt die Erde an einem Ort, laufen die Erdbebenwellen durch das Erdinnere und können von einem Seismografen in vielen tausend Kilometern Entfernung registriert werden. Diese Erdbebenwellen bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch feste, weiche und flüssige Bereiche. Sie werden an Grenzflächen abgelenkt, reflektiert oder verschluckt. Aus den Ankunftszeiten der Erdbebenwellen am Seismografen lassen sich die Positionen von Grenzflächen im Erdinneren rekonstruieren.

Aufgrund der hier herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse verhält sich das Gestein des Erdmantels über Zeiträume von Jahrmillionen zähflüssig. Die aufsteigenden und wieder absinkenden Gesteinsströme sind Teil der plattentektonischen Prozesse. Dabei verschieben sich die Platten der Lithosphäre, tauchen in den Erdmantel, während an anderer Stelle flüssiges Gestein aufsteigt und neue Erdkruste bildet.

An seiner Unterseite grenzt der Erdmantel an den Erdkern, der überwiegend aus Eisen- und Nickelverbindungen besteht und so eine deutlich höhere Dichte aufweist. Der Äußere Erdkern reicht bis in eine Tiefe von etwa 5200 Kilometern – bei Temperaturen von etwa 5000 Grad Celsius ist er fast so flüssig wie Wasser. Die Strömungen der eisenreichen Flüssigkeit aus tiefer liegenden heißeren Bereichen zu weiter außen liegenden, weniger heißen Bereichen erzeugen das Erdmagnetfeld. Darunter befindet sich der Innere Kern, der ähnlich zusammengesetzt ist wie der Äußere, aufgrund des hohen Drucks von über 350 Gigapascal jedoch fest ist. 

von Joachim Schüring

Querschnitt durch die Erdschichten
©Mario Mensch
Bebt die Erde an einem Ort, laufen die Erdbebenwellen durch das Erdinnere und können von einem Seismografen in vielen tausend Kilometern Entfernung registriert werden.

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