Der Erdkern ist ein riesiges verstecktes Wasserstoffreservoir

Seit Jahrzehnten diskutieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dar¨¹ber, wie viel Wasserstoff (H) der Erdkern enth?lt und wie er dorthin gekommen ist. Einige Theorien besagen, dass Wasser (H₂O) erst nach der Entstehung des Kerns von Kometen und Asteroiden auf die Erde gebracht wurde. Andere halten es f¨¹r wahrscheinlicher, dass die Erde schon w?hrend ihrer Entstehung wasserreich war, und dass ein Grossteil dieses Wasservorrats w?hrend der Kernbildung als elementarer Wasserstoff (H) im tiefsten Inneren des Planeten versank.

Wie viel Wasserstoff aber wirklich im Erdkern steckt, l?sst sich nicht direkt messen. Und indirekte Messungen ¨¹ber seismische Wellen sind ebenfalls schwierig, weil im Erdkern v?llig andere Druck- und Temperarturbedingungen herrschen als im Erdmandel.

Ein Forschungsteam um Motohiko Murakami, Professor am Departement Erd- und Planetenwissenschaften der ETH Z¨¹rich, konnte nun in einem Experiment zeigen, in welcher Form Wasserstoff im Erdkern vorliegt. Die Ergebnisse halfen ihm, damit auch die Wasserstoffmenge im Kern zu berechnen. Seine Studie ist soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Communications erschienen.

Wasserstoff mit Silizium und Sauerstoff eingeschlossen

Im Experiment bildeten die Forscher die Bedingungen nach, wie sie bei der Erdentstehung herrschten. So konnten sie zeigen, dass Wasserstoff im Kern nicht allein vorliegt, sondern mit Silizium und Sauerstoff Nanostrukturen bildet, die sich im geschmolzenen Eisen einlagern. Der Wasserstoff liegt im Kern also nicht als Gas oder als Wassermolek¨¹l (H2O) vor, sondern als sogenanntes Eisenhydrid direkt im geschmolzenen Metall.

F¨¹r ihren Versuch nutzen die ETH-Forscher eine lasererhitzte Diamantstempelzelle. In diesem Ger?t k?nnen die Wissenschaftler einen Druck erzeugen, der mehr als eine Million Mal h?her ist als der Atmosph?rendruck, und Temperaturen, die heisser sind als die auf der Sonnenoberfl?che.

Um den Erdkern zu simulieren, verwendeten die Forschenden eine wasserhaltige Kristallkapsel, in der ein winziges St¨¹ck metallisches Eisen eingebettet war. Mit Laser erhitzten sie dann diese Kapsel, bis das Eisen fl¨¹ssig wurde und sich die Elemente Silizium, Sauerstoff und Wasserstoff aus der Kapsel in das geschmolzene Eisen hinein bewegten. Anschliessend k¨¹hlten die Forscher die Kapsel sofort ab und machten die einzelnen Atome dreidimensional sichtbar.

?Die gr?sste Herausforderung bestand darin, Wasserstoff unter solch extremen Bedingungen im Nanobereich nachzuweisen. Mithilfe modernster Tomografie konnten wir schliesslich visualisieren, wie sich diese Atome innerhalb des metallischen Eisens verhalten?, sagt Dongyang Huang, ehemaliger Postdoktorand in Murakamis Forschungsgruppe und Erstautor der Studie.

Wasserstoffgehalt gr?sser als erwartet

Um den gesamten Wasserstoffgehalt des Kerns zu bestimmen, nutzten die Forschenden zwei Werte: einerseits das Verh?ltnis von Wasserstoff zu Silizium, das sie im Experiment ermittelten, andererseits den aus anderen Studien bekannten Siliziumanteil des Erdkerns.

Das Ergebnis: 0,07 bis 0,36 Prozent der Kernmasse bestehen aus Wasserstoff. Wenn man daraus Wasser bilden w¨¹rde, entspr?che das etwa 9- bis 50-mal der Wassermenge aller heutigen Ozeane. Der Erdkern d¨¹rfte also deutlich mehr Wasserstoff enthalten als ?ltere Modelle annehmen.

Wasserstoff kam fr¨¹h hinzu

Die Resultate ver?ndern auch das Bild davon, wie die Erde entstanden ist. Wenn so viel Wasserstoff schon w?hrend des Wachstums der Erde in den Kern gelangte, dann muss der Grossteil davon sehr fr¨¹h vorhanden gewesen sein.

?Das spricht eher dagegen, dass der Wasserstoff von Kometen stammt, die erst nach der Entstehung in die junge Erde einschlugen?, betont Murakami. Die Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass der Kern das gr?sste Wasserstoffreservoir des Planeten sein k?nnte ¨C gr?sser als Ozeane, Atmosph?re und Mantel zusammen.

?Die Ergebnisse verbessern unser Verst?ndnis der tiefen Erde. Sie liefern Hinweise darauf, wie Wasser und andere fl¨¹chtige Stoffe im fr¨¹hen Sonnensystem verteilt wurden und wie die Erde zu ihrem Wasserstoff kam?, erkl?rt Murakami.

Wasserstoff im Kern beeinflusst Magnetfeld

Verborgener Wasserstoff im Kern k?nnte viele Prozesse im Erdinnern beeinflussen: vom Entstehen des Magnetfeldes bis zum langfristigen Austausch von Wasserstoff zwischen Kern und Mantel. ?ber Milliarden Jahre k?nnte ein Teil dieses tief gespeicherten Wasserstoffs langsam zur Oberfl?che zur¨¹ckkehren und Vulkanismus und die Dynamik des Erdmantels beeinflussen.

Zudem helfen die Ergebnisse, Exoplaneten zu modellieren, da die Verteilung von Wasserstoff und anderen Elementen entscheidend daf¨¹r ist, ob ein Planet einen Metallkern besitzt oder kernlos bleibt. Und nicht zuletzt liefert die Studie neue Grundlagen f¨¹r geochemische Modelle des Erdmantels und des globalen Wasserkreislaufs.

?Das Wasser, das wir heute an der Erdoberfl?che sehen, ist vielleicht nur die sichtbare Spitze eines gigantischen Eisbergs, tief im Inneren der Erde?, betont der ETH-Professor.