Forscher lösen Rätsel um das stärkste Gravitationsloch der Erde

Die Schwerkraft scheint auf der Erde überall gleich zu wirken. Tatsächlich ist das nur näherungsweise richtig. Je nachdem, wie die Masse im Inneren unseres Planeten verteilt ist, fällt die Erdanziehung regional unterschiedlich aus. Besonders auffällig ist eine Region über dem Rossmeer in der Antarktis. Dort befindet sich das sogenannte Antarctic Geoid Low (AGL) – das stärkste nicht-hydrostatische Geoid-Minimum der Erde.

Dieses außergewöhnliche Schwerefeld ist seit Langem bekannt. Unklar war bislang jedoch, wie es entstanden ist und warum es bis heute besteht. Ein internationales Forschungsteam hat diese Entwicklung nun erstmals über einen Zeitraum von 70 Millionen Jahren rekonstruiert. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Dynamik des Erdmantels und zeigen, wie eng Prozesse tief im Erdinneren mit dem Schwerefeld unseres Planeten verknüpft sind.

Ein Gravitationsloch, das keines ist

Der Begriff „Gravitationsloch“ ist streng genommen nicht ganz korrekt. Tatsächlich handelt es sich um eine Region, in der die Erdanziehung etwas schwächer ist als im globalen Durchschnitt. Menschen würden diesen Unterschied nicht bemerken, moderne Satelliten und hochpräzise Messungen dagegen schon.

Ganz so einfach ist die Sache allerdings nicht. Je nachdem, wie Forschende die ideale Form der Erde als Vergleichsmaßstab definieren, ergibt sich ein anderes Bild. In der klassischen Geodäsie liegt die stärkste negative Geoidanomalie im Indischen Ozean. Die neue Studie betrachtet dagegen nur den Anteil des Schwerefelds, der durch Vorgänge im Erdinneren entsteht. Mit dieser Methode zeigt sich das stärkste Geoid-Minimum eindeutig über der Antarktis.

Das Geoid kann man sich vereinfacht als die Form vorstellen, die die Meeresoberfläche ohne Wellen, Strömungen und Gezeiten allein unter dem Einfluss der Schwerkraft hätte. Über dem Antarctic Geoid Low liegt diese gedachte Meeresoberfläche relativ zum Erdmittelpunkt etwas tiefer als in Regionen mit stärkerer Gravitation.

Erstmals 70 Millionen Jahre Erdgeschichte rekonstruiert

Die eigentliche Neuerung der Studie ist daher nicht die Entdeckung des Antarctic Geoid Low selbst. Neu ist vielmehr die Rekonstruktion seiner Entwicklung über die vergangenen 70 Millionen Jahre.

Dafür kombinierte das Team um Alessandro Forte seismische Tomographie mit numerischen Modellen der Mantelkonvektion. Seismische Tomographie funktioniert ähnlich wie eine Computertomographie in der Medizin. Statt Röntgenstrahlen dienen jedoch Erdbebenwellen dazu, das Erdinnere sichtbar zu machen.

„Stellen Sie sich vor, Sie würden einen CT-Scan der gesamten Erde machen, aber wir haben keine Röntgenstrahlen wie in einer Arztpraxis. Wir haben Erdbeben“, erklärt Forte.

Anschließend rekonstruierten die Forschenden mithilfe eines sogenannten Back-and-forth-Nudging-Verfahrens schrittweise die frühere Entwicklung der Mantelströmungen. Dadurch ließ sich erstmals nachvollziehen, wie sich Stärke und Lage des Geoid-Minimums im Laufe der Erdgeschichte verändert haben.

Heiße und kalte Mantelströme formen das Schwerefeld

Die Gravitation hängt unmittelbar von der Massenverteilung im Erdinneren ab. Kaltes Gestein besitzt eine höhere Dichte als heißes Mantelmaterial und beeinflusst das Schwerefeld deshalb unterschiedlich.

Die Simulationen zeigen, dass unter dem Rossmeer zwei Prozesse zusammenwirken. Zum einen liegen dort Überreste alter ozeanischer Lithosphärenplatten, die im Verlauf von Millionen Jahren tief in den Mantel abgesunken sind. Diese dichten Gesteinspakete verstärken das Schwerefeld.

Gleichzeitig steigt aus dem unteren Mantel heißes, weniger dichtes Material auf. Diese großräumige Mantelaufströmung erzeugt Auftrieb und verändert ebenfalls das Schwerepotenzial.

Erst das Zusammenspiel beider Prozesse erklärt die außergewöhnliche Stärke des Antarctic Geoid Low. Frühere Modelle hatten vor allem die abgesunkenen Platten als Ursache angesehen. Die neue Rekonstruktion zeigt dagegen, dass auch die heiße Mantelaufströmung wesentlich zum heutigen Schwerefeld beiträgt.

Das Geoid-Minimum veränderte sich im Laufe der Erdgeschichte

Die Berechnungen zeigen außerdem, dass das Antarctic Geoid Low keineswegs eine statische Struktur ist. Seine Stärke und seine räumliche Ausprägung haben sich im Verlauf der vergangenen 70 Millionen Jahre mehrfach verändert.

Besonders zwischen etwa 50 und 30 Millionen Jahren vor heute kam es zu deutlichen Veränderungen. Seit rund 35 Millionen Jahren tragen Mantelstrukturen in Tiefen von weniger als 1300 Kilometern zusätzlich dazu bei, das Geoid-Minimum zu verstärken. Den Modellrechnungen zufolge nahm seine Ausprägung dadurch langfristig um rund 30 % zu.

Die tiefsten Bereiche des Mantels bleiben dennoch entscheidend. Nach den Berechnungen stammen dauerhaft etwa 30 bis 50 % des Signals aus den unteren rund 1000 Kilometern des Erdmantels.

Auch die Erdrotation reagiert

Veränderungen der Massenverteilung wirken sich nicht nur auf das Schwerefeld aus. Sie verändern auch das Massenträgheitsmoment der Erde und können dadurch langfristig die Ausrichtung des gesamten Planeten beeinflussen.

Dieser Prozess wird als True Polar Wander bezeichnet. Dabei verschiebt sich nicht die Rotationsachse im Raum, sondern die feste Erde richtet sich gegenüber ihrer Rotationsachse neu aus.

Bemerkenswert ist, dass die rekonstruierten Geoid-Veränderungen gut mit paläomagnetischen Daten übereinstimmen. Diese wurden unabhängig aus Gesteinen gewonnen und bestätigen die Modellrechnungen.

Welche Folgen hat das für Meer und Eis?

Das Geoid bestimmt die Form der ruhenden Ozeanoberfläche. Verändert sich das Schwerefeld über geologische Zeiträume, verändert sich damit auch der relative Meeresspiegel. Die feste Erdoberfläche und das Meer reagieren dabei allerdings unterschiedlich auf die Prozesse im Erdinneren.

Auffällig ist, dass sich die stärksten Veränderungen des Antarctic Geoid Low zeitlich mit der großräumigen Vereisung der Antarktis vor rund 34 Millionen Jahren überschneiden.

Ob zwischen beiden Ereignissen tatsächlich ein ursächlicher Zusammenhang besteht, lässt sich aus der Studie jedoch nicht ableiten. Die Autorinnen und Autoren sehen darin vielmehr einen Ansatz für künftige Untersuchungen. Geprüft werden soll, ob Veränderungen des Geoids langfristig Randbedingungen für die Entwicklung der antarktischen Eisschilde beeinflusst haben könnten.

Fließt das Wasser dort wirklich bergauf?

Immer wieder wird das Antarctic Geoid Low mit der Aussage beschrieben, Wasser fließe dort „bergauf“. Wörtlich trifft das nicht zu.

Da sich die ruhende Meeresoberfläche am Geoid orientiert, liegt sie über dem Geoid-Minimum relativ zum Erdmittelpunkt etwas tiefer als in Regionen mit stärkerer Gravitation. Im Vergleich erscheint es deshalb so, als müsse Wasser in Richtung höherer Schwerkraft ansteigen. Tatsächlich folgt es jedoch jederzeit dem Schwerepotenzial.

Ein Fenster in das Erdinnere

Die Studie liefert erstmals eine schlüssige Rekonstruktion der Entstehung und Entwicklung des stärksten nicht-hydrostatischen Geoid-Minimums der Erde. Sie zeigt, dass das Antarctic Geoid Low das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels aus abgesunkenen Lithosphärenplatten und aufsteigendem Mantelmaterial ist, das sich über viele Millionen Jahre entwickelt hat.

Zugleich unterstreichen die Ergebnisse, wie eng Manteldynamik, Schwerefeld, Meeresspiegel und Erdrotation miteinander verknüpft sind. Welche Rolle diese Prozesse langfristig für die Entwicklung der Antarktis gespielt haben, werden zukünftige Studien klären müssen.

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