Entstehungsgeschichte der Erde 08.11.2013, 14:45 Uhr

Simulation des Erdinneren mit Laser und Diamant

In einem aufwändigen Experiment beobachteten Forscher flüssiges Magma in einem Zustand, wie er in Urzeiten herrschte. Noch heute gibt es Reste davon in der Erdkruste, die auf einen urzeitlichen Magma-Ozean hinweisen.

Der Basaltklumpen wurde einem Druck von 60 Gigapascal ausgesetzt. Zwei Laser erhitzten ihn auf 3 000 Grad Celsius. Anschließend durchleuchteten die Forscher die geschmolzene Probe mit einem Röntgenstrahl. 

Der Basaltklumpen wurde einem Druck von 60 Gigapascal ausgesetzt. Zwei Laser erhitzten ihn auf 3 000 Grad Celsius. Anschließend durchleuchteten die Forscher die geschmolzene Probe mit einem Röntgenstrahl. 

Foto: Universität Edinburgh/Chrystèle Sanloup

Gebannt starrten die Forscher auf den Monitor. Dort würde in Kürze einen winzigen Augenblick lang ein Röntgenbild von flüssigem Magma erscheinen, wie es vor Jahrmillionen im Inneren der Erde existiert hat. Anders als der flüssige Gesteinsbrei, der heute bei Vulkanausbrüchen an die Oberfläche quillt, stand dieses Magma unter gewaltigem Druck. Diesen und die hohe Temperatur simulierten die Forscher mit Hilfe einer Diamantstempelzelle.

Laser heizen Basaltklumpen auf 3000 Grad Celsius auf

Die Diamantstempelzelle besteht aus zwei angespitzten Diamanten. Zwischen deren Spitzen wurde die Probe eingeklemmt, in diesem Fall ein kaum stecknadelkopfgroßer Basaltklumpen, der vor allem aus Siliziumverbindungen besteht. Hydraulische Kräfte bewegten die Diamanten aufeinander zu, bis der Klumpen einem Druck von 60 Gigapascal ausgesetzt war, das entspricht dem 600 000-fachen des Atmosphärendrucks.

Zwei Laser, die ihre Blitze durch die Diamanten direkt auf die Probe schossen, heizten diese innerhalb von wenigen Sekunden auf 3000 Grad Celsius auf. Solche extremen Verhältnisse herrschen sonst in einer Tiefe von 1400 Kilometern. Die Laser konzentrierten ihre jeweils 40 Watt auf eine Fläche mit einem Durchmesser von gerade mal 20-tausendstel-Millimetern. Damit übertrafen sie die Leistungsdichte, die auf der Sonnenoberfläche herrscht, um das 2000-fache.

Die aufgeschmolzene Probe durchleuchteten die Wissenschaftler mit dem schärfsten und damit auflösungsstärksten Röntgenstrahl der Welt. Diesen lieferte Petra III, eine Quelle am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg.

Forscher vermuten urzeitlichen Magma-Ozean

Die Forscher fanden heraus, dass die Dichte des Magmas unter großem Druck massiv ansteigt, was nicht sonderlich überrascht, aber immerhin erstmals experimentell bewiesen wurde. Das erklärt auch die Bewegung der Erdplatten, die oftmals fatale Folgen haben, wenn sie zusammenstoßen und Erdbeben verursachen. Kristallines Magma, woraus die gesamte Erdkruste besteht – bei der Entstehung der Erde war diese komplett flüssig und erstarrte erst allmählich – hat eine geringere Dichte als flüssiges, das unter hohem Druck steht.

Die Forscher am DESY und Kollegen der Universitäten Edinburgh, Amsterdam und Frankfurt am Main sowie der Université Pierre et Marie Curie in Paris glauben, dass die noch heute seismologisch nachweisbaren isolierten Taschen mit Gesteinsschmelze oberhalb des Erdkerns Überbleibsel eines tiefen Magma-Ozeans sind.

Von Wolfgang Kempkens

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