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Sternengeschichten Folge 256: Das radioaktive Innere der Erde

Im Inneren der Erde ist der Erdkern. Dieser Kern hat einen Durchmesser von immerhin 6942 Kilometern; ist also in etwa so groß wie der Mond. Er ist fast 6000 Grad heiß, also in etwa so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Er besteht im wesentlichen aus Eisen und Nickel. Es gibt einen festen inneren Kern und außen um ihn herum einen flüssigen äußeren Kern. So viel wissen wir – und wie wir das herausgefunden haben, habe ich in Folge 143 der Sternengeschichten ausführlich erklärt.

Es gibt aber noch jede Menge was wir über das Innere unseres Planeten nicht wissen. Zum Beispiel warum er so heiß ist. Beziehungsweise: Warum er heißer ist als er sein sollte. Als die Planeten und damit auch die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren entstanden sind, taten sie das im Verlauf jeder Menge Kollisionen. Haufenweise kleinere Brocken kollidierten miteinander und schufen so die großen Planeten. Bei diesen Zusammenstößen wurde jede Menge Wärme freigesetzt; die frisch geschaffenen Planeten waren also allesamt sehr heiß. Und bis so ein großes Ding wie ein Planet abkühlt dauert es. Der Großteil der Wärme des Erdkerns ist immer noch die Wärme aus der Zeit seiner Entstehung.

Aber nach allen Modellrechnungen die wir über die Abläufe im Inneren der Erde angestellt haben, sollte der Kern unseres Planeten nicht so heiß sein, wie er tatsächlich ist. Wir haben natürlich kein Thermometer das wir in den Erdkern stecken können; die vermuteten Temperaturen sind selbst das Ergebnis von Modellrechnungen. Aber wir wissen aus Messungen von Erdbebenwellen ganz konkret, dass der äußere Kern flüssig sein muss. Wäre er das nicht, dann würden sich die seismischen Schwingungen die bei Erdbeben ausgelöst werden ganz anders ausbreiten als sie es tun.

Noch viel wichtiger: Gäbe es den flüssigen Erdkern nicht, dann hätten wir auch kein Magnetfeld. Es sind die Ströme aus flüssigen Eisen und Nickel die elektrische und magnetische Felder hervor rufen und so am Ende das globale Magnetfeld erzeugen. Damit der äußere Kern aber flüssig sein kann darf es im Inneren der Erde nicht zu kalt sein. Nach den Modellrechnungen die wir über die Entstehung und Abkühlung der Erde haben, sollte es aber im Inneren des Planeten zu kalt für einen flüssigen Kern sein.

Es ist offensichtlich das neben der ursprünglichen Wärme aus der Entstehungszeit der Erde noch eine andere Wärmequelle vorhanden sein muss. Und die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind sich ziemlich sicher, das es sich dabei um Radioaktivität handeln muss.

Was genau die Radioaktivität ist und welche Rolle sie in der Astronomie spielt habe ich ja schon in den Folgen 126 und 127 der Sternengeschichten erzählt. Wichtig ist nun vor allem die Tatsache, dass radioaktive Elemente zerfallen, also sich in andere chemische Elemente umwandeln und das sie Energie abgeben wenn sie das tun. Diese Zerfallswärme könnte die Wärmequelle im Inneren der Erde sein die wir suchen. Es muss im Erdkern ausreichend große Mengen radioaktiver Elemente geben um den äußeren Kern flüssig und das Magnetfeld aufrecht erhalten zu können.

Aber ist das tatsächlich auch der Fall? Wir können ja nicht in den Kern hinein schauen… Es gibt allerdings gute Indizien auf die Existenz radioaktiver Stoffe im Erdinneren. Zum Beispiel Uran. Uran ist – so wie die anderen chemischen Elemente – natürlich im Prinzip überall im Universum zu finden. Ein Teil der Atome aus dem die ursprüngliche riesige Wolke aus Gas und Staub bestand aus der sich vor 4,5 Milliarden Jahren die Sonne und die Planeten gebildet haben, waren Uran-Atome. Deswegen ist es nicht überraschend wenn auch im Material der Erde Uran zu finden ist. Und wir finden es ja auch; Uranbergbau findet überall auf der Erde statt – bis 1990 auch im ostdeutschen Erzgebirge. Heute sind Kasachstan, Kanada und Australien die größten Uranbergbaunationen.

Aber es geht uns ja um das Uran im Erdkern. Unter normalen Umständen sollte sich dort nicht so viel ansammeln als das damit die fehlende Wärme der Erde erklärt werden könnte. Aber vielleicht ist die Entstehung der Erde nicht so abgelaufen wie wir das bisher dachten! Unser Bild von der Entstehung der Planeten hat sich in den letzten Jahrzehnten ja schon öfter geändert. Im 20. Jahrhundert dachte man, das die Planeten durch viele Kollisionen aus kleinen Objekten kontinuierlich zu großen Himmelskörpern angewachsen sind und das jeder Planet im wesentlichen dort entstanden ist wo er sich heute befindet.

Aber wie ich in Folge 68 der Sternengeschichten erklärt habe, haben wir gegen Ende des 20. Jahrhunderts herausgefunden das Planeten “wandern” können. Wir wissen heute das vor allem die großen Planeten nicht dort entstanden sind wo sie sich heute befinden. Die gravitative Wechselwirkung mit dem in der Frühzeit des Sonnensystems noch vorhandenen Staubes und Gases zwischen den Planeten hat ihre Umlaufbahnen verändert. Und vielleicht ist auch die Erde nicht so kontinuierlich entstanden wie wir das bisher angenommen haben. Das Material aus dem sich die Planeten gebildet haben war ursprünglich nicht völlig gleichmäßig verteilt. Die Zusammensetzung unterschied sich je nach Abstand zur Sonne: Näher an der Sonne war es wärmer als weiter weg und es gab weniger leicht flüchtige Stoffe wie zum Beispiel Wasser. Wo weniger Wasser war, war auch weniger Sauerstoff. Aber gerade Sauerstoff ist ein sehr interessantes Atom, da es sehr gerne mit anderen Atomen reagiert. Viel Sauerstoff bei der Entstehung der Erde könnte aber dafür sorgen das bestimmte chemische Reaktionen ablaufen die es dem Uran leichter machen sich mit Eisen zu verbinden und mit ihm den metallischen Kern des Planeten zu bilden.

Uran macht alles super! (Bild: gemeinfrei)

Uran macht alles super! (Bild: gemeinfrei)

Die Erde entstand aber zu nahe an der Sonne; dort gab es nicht genug Sauerstoff für diesen Prozess. Aber, das zeigen zumindest Computersimulationen, vielleicht ist die Entstehung des Planeten in zwei Phasen abgelaufen. Die Erde wuchs anfangs ganz normal aus kleinen Brocken immer weiter. Währenddessen wuchsen im äußeren Sonnensystem ebenfalls kleinere Brocken durch Kollisionen zu größeren Objekten. Diese Himmelskörper waren chemisch aber anders zusammengesetzt als die Protoerde in der Nähe der Sonne. Als die Gasriesen Jupiter und Saturn wegen der Wechselwirkung mit dem Gas und Staub anfingen durchs Sonnensystem zu wandern, führten die gravitativen Störungen die dadurch ausgelöst wurden dazu, dass größere Objekte aus dem äußeren Sonnensystem ins Innere geschleudert wurden und dort mit der Erde kollidierten. Am Ende entstand so ein Planet mit einem Eisenkern der ausreichend Uran enthält um die heutige Temperatur zu erklären.

Vielleicht ist aber auch ein ganz anderer Prozess abgelaufen. Andere Forscher sind der Meinung es ist vor allem radioaktives Kalium das im Erdkern die Hitzequelle bildet. Diese Hypothese existiert seit den 1970er Jahren, aber erst seit 2003 hat man dank chemischer Experimente konkrete Hinweise das das so auch funktionieren könnte. Denn es ist nicht unbedingt einfach das nachzustellen was im Erdinneren passiert. Dort herrschen Temperaturen und Drücke die wir im Alltag auf der Erdoberfläche nicht kennen. Aber Wissenschaftler hatten es geschafft im Labor die Bedingungen im Inneren der Erde nachzustellen und konnten zeigen das sich radioaktives Kalium dann tatsächlich bevorzugt vom silikathaltigen Material der Erdkruste und des Erdmantels in das metallische Material des Erdkerns bewegt. Auch hier gilt: Ob das wirklich passiert, wissen wir nicht. Noch nicht…

Was auch immer passiert ist: Wir können froh darüber sein. Ohne das Magnetfeld unseres Planeten wäre das Leben hier lange nicht so angenehm wie es heute ist. Vielleicht hätte sich das Leben so wie wir es kennen auch überhaupt nicht entwickelt. Denn das Magnetfeld schützt uns vor der aggressiven kosmischen Strahlung, vor den Protuberanzen der Sonne und es schützt auch die Atmosphäre vor dem Sonnenwind – der unsere Lufthülle ansonsten vielleicht schon längst davon geblasen hätte.

Der Radioaktivität im Inneren der Erde ist es also zu verdanken, das unser Planet so lebensfreundlich ist wie wir ihn erleben können. Wo auch immer sie her kommt…

Kommentare (14)

  1. #1 pane
    20. Oktober 2017

    woher weiß man eigentlich, dass der Erdkern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, und z.B. keine nennenswerte Menge Kobalt oder Kupfer oder irgend ein anderes Zeugs enthält, dass den Strom leitet?

  2. #2 UMa
    20. Oktober 2017

    @Florian

    Dieser Kern hat einen Durchmesser von immerhin 6942 Kilometern; ist also in etwa so groß wie der Mond.

    Mars, das muss wohl Mars heißen. So große Monde gibt es im Sonnensystem nicht.

  3. #3 Zhar
    20. Oktober 2017

    @UMa
    also ist die flüssige kernschicht aus karamellcreme?! 😉 aber ja der mars kommt nahe dran, ist sogar etwas zu klein, is schon beeindruckend

  4. #4 Captain E.
    20. Oktober 2017

    Was ich nicht verstanden habe – warum gleich soll es kein Uran (oder sogar Plutonium!) im Erdkern geben? Üblicherweise wird immer gesagt, dass der Erdkern aus Eisen und Nickel besteht, weil diese Metalle in der frühen und flüssigen Erde in großer Menge vorhanden waren und sich aufgrund ihrer Dichte im Kern angesammelt haben. Sollte dasselbe nicht auch für schwere Elemente wie Uran oder Plutonium gelten? Mit anderer Worten: Sollten die Uranvorkommen in der Erdkruste nicht nur ein winziger Bruchteil der Gesamtmenge auf der Erde sein? Dass das Uran im Kern absolut betrachtet nur eine geringe Menge darstellt im Vergleich zu Eisen und Nickel – geschenkt.

  5. #5 Wizzy
    20. Oktober 2017

    @Captain E.
    Es ist eigentlich heute die Standardannahme der Geologie des Erdinneren, dass dort Uran den größeren Teil der Erdwärme produziert. Ich glaube, Florian wollte im Text ausdrücken, dass die zugehörige Uranmenge nicht so recht zu klassischen Modellen der Planetenentstehung ohne Migration passt – das war mir neu. Plutonium existiert natürlich in nicht nachweisbar geringen Mengen, da es auf geologischen Zeitskalen zu schnell zerfällt. Daher wird Plutonium auch als Marker für menschliche Nuklearaktivitäten genutzt.

  6. #6 Wizzy
    20. Oktober 2017

    Ergänzung: Okay, ich sollte sagen, in gemeinhin nicht nachweisbar geringen Mengen. {Wikipedia} Durch verfeinerte analytische Methoden kann man seit 1971 natürliches Plutonium nachweisen. 1951 gelang dies bereits dem US-amerikanischen Chemiker D. F. Peppard durch Aufkonzentration von 239-Pu aus einem uranreichen Pechblendekonzentrat aus dem Kongo. Für jedes Mikrogramm waren 100 Tonnen Pechblende notwendig.

  7. #7 UMa
    20. Oktober 2017

    @Captain E.
    Da spielt die Chemie noch eine Rolle. Uran ist nicht siderophil sondern lithophil.
    https://de.wikipedia.org/wiki/Goldschmidt-Klassifikation
    Das meiste Uran ist in der Erdkruste. Würde das Innere der Erde ebenfalls so viel Uran enthalten, wäre der Fluss der Erdwärme um ein vielfaches höher.

  8. #8 Captain E.
    20. Oktober 2017

    O.k., das heißt also, dass die radioaktiven Schwermetalle eher in der Kruste hängen geblieben sind und sich nur in geringem Maße im Erdkern ansammeln konnten. Aber selbst wenn, gäbe es natürlich bei weitem nicht so viel davon wie Eisen oder Nickel. Thorium müsste es (vergleichbar mit der Erdkruste) allerdings eine Menge (mehr als Uran) dort unten geben, aber aufgrund der langen Halbwertszeit von Th-232 gibt es nicht so viel Energie an die Umgebung ab wie dieselbe Menge Uran-238.

    Tja, allerdings zerfällt U-238 ja nun einmal zu Th-234, und dieses zerfällt in Tagen zu Pa-234 und dieses wiederum in Stunden zu U-234. Danach geht die Zerfallsreihe etwas langsamer weiter, aber dieser Zerfall der Uran-Tochter- und Enkelinelemente heizt natürlich zusätzlich.

  9. #9 wereatheist
    Friedrichshain-Kreuzberg
    20. Oktober 2017

    In natürlichen Mineralien ist die komplette Zerfallskette präsent, d.h. Tochter-,Enkelin-, Urenkelin-Nuklide, etc. Das ist nicht schwer zu verstehen, Cap’n.
    Die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde ist gleich hoch für jedes Tochternuklid der gesamten Zerfallskette.

  10. #10 Captain E.
    23. Oktober 2017

    @wereatheist:

    Das hört sich so an, als würdest du mir irgendetwas vorwerfen wollen. Ich bin aber nicht so ganz darüber im Klaren, was genau das sein soll.

    Was ich sagen wollte, war aber auch nur, dass es im Erdkern in erster Linie die Uran-Isotope geben dürfte, die man auch in der Erdkruste findet, und die überwiegende Menge davon ist nun einmal U-238, und das ist sehr langlebig und produziert daher eher wenig Energie. Wenn man dagegen die Tochternuklide die Zerfallsreihe hinunter mitrechnet, dann tragen Th-234 und Pa-234 sehr viel mehr zur Energiebilanz von U-238 bei als dieses selber. Das wieder etwas langlebigere U-234 dürfte allerdings auch im Erdkern einen Anteil von 0,0055 % am gesamten vorhandenen Uran beitragen. Viel entsteht also nicht, und das dürfte der langen Halbwertszeit von U-238 geschuldet sein.

    Th-232 gehört dagegen zu einer anderen Zerfallsreihe. Aber hier gilt: Die freiwerdende Energie pro Zerfall ist ähnlich wie bei U-238, die Halbwertszeit dagegen wesentlich länger. Folglich dürfte das Thorium tatsächlich nicht soviel zur Aufheizung beitragen.

    Letztlich stellt sich wohl die Frage, ob man die freiwerdenden Energiemengen der einzelnen Isotope betrachten will oder die der kompletten Zerfallsreihen.

    Apropos “Die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde ist gleich hoch für jedes Tochternuklid der gesamten Zerfallskette.”: Was genau wolltest du damit denn aussagen? Die Anzahl an Zerfällen pro Sekunde (= Becquerel) macht letztlich immer nur Sinn, wenn man auch die vorhandene Menge betrachtet. Eine Tonne Uran strahlt mit der tausendfachen Strahlung (angegeben in Becquerel) als ein Kilogramm.

  11. #11 Umami
    23. Oktober 2017

    Nur mal eine kurze Frage abseits dieser Folge (ich bin grad mal bei 100):
    Mich löchert grad mein 7-jähriger zu Astronomie.
    Hast du irgendwelche Tipps, was es an Material/Quellen/Ausflugsziele so gibt?
    Angefangen hatte es seltsamerweise mit einer Sorge vor Vulkanen, keine Ahnung, warum es ins Weltall ging…

  12. #12 tomtoo
    24. Oktober 2017

    @Umami
    Also wo issen das näheste Planetarium ?

  13. #13 Umami
    24. Oktober 2017

    *kopfklatsch*
    Das war zu einfach.
    Also auf nach Mannheim oder Stuttgart.

  14. #14 tomtoo
    25. Oktober 2017

    @Umami
    Ich war zwar noch nie im Stuttgarter. Aber als Monnemer is ja klar was ich da empfehle. ; )