Die Seismologie wird aufregend, wenn Sie die innere Struktur unseres Planeten sowohl räumlich als auch zeitlich besser verstehen können.
Aus Schulbüchern wissen wir, dass die Erde drei (oder vier) Schichten hat: Kruste, Mantel und Kern, manchmal unterteilt in innere und äußere. Dies ist nicht ganz richtig, da es einige der anderen Schichten ausschließt, die Wissenschaftler in der Struktur unseres Planeten unterscheiden. In einer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie berichten Geophysiker der Princeton University (USA) und des Instituts für Geodäsie und Geophysik in China über Berge und andere Topografien auf einer Schicht, die 660 Kilometer tief liegt und den oberen und unteren Mantel trennt.
„Höhenunterschiede von bis zu drei Kilometern an einer Grenze von mehr als 660 Kilometern mithilfe von Wellen zu finden, die sich durch die gesamte Erde und zurück bewegen, ist eine inspirierende Leistung“, sagte die Seismologin Christina Hauser, Assistenzprofessorin am Tokyo Institute of Technology, Japan, die nicht an der Studie beteiligt war.
Die Struktur der Erde. Die Rauheit an der Grenzschicht in einer Tiefe von 660 Kilometern zeigt die angeblichen unterirdischen Berge. Bildnachweis: Bild von Kyle McKernan, Kommunikationsbüro der Princeton University.
Um tief in die Erde zu schauen, verwenden Wissenschaftler die stärksten Wellen der Welt, die durch Erdbeben erzeugt werden. Tiefe starke Erdbeben können den gesamten Mantel in Bewegung setzen, und Erdbeben mit einer Stärke von 7,0 breiten Stoßwellen durch den Kern auf die andere Seite des Planeten und zurück aus.
Für diese Studie wandten sich die Wissenschaftler den Schlüsseldaten zu den Wellen zu, die nach dem Erdbeben der Stärke 8,2 entdeckt wurden - dem zweitstärksten seit Bestehen, das Bolivien 1994 erschütterte.
Um das komplexe Verhalten der Wellenstreuung in den Tiefen der Erde zu simulieren, verwendeten Seismologen den Tiger-Supercomputer-Cluster der Princeton University. Die Simulationstechnologie hängt von einer grundlegenden Eigenschaft der Wellen ab: ihrer Fähigkeit, die Richtung zu ändern und zu springen. So wie Lichtwellen beim Passieren eines Prismas reflektiert oder gebrochen werden können, wandern seismische Wellen direkt durch homogene Gesteine, werden jedoch an der Grenze der Medien reflektiert oder gebrochen. Ihre Streuung enthält somit Informationen über Oberflächenunregelmäßigkeiten und tiefe Schichten.
„Wir waren sehr überrascht von den erzielten Ergebnissen. Die 660 Kilometer lange Grenze hat eine stärkere Topographie als die Rocky Mountains oder Appalachen und ist so komplex wie das, was wir an der Oberfläche sehen “, schreiben die Autoren der Studie.
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Rocky Mountain Blick vom Rocky Mountain National Park USA. Bildnachweis: Stanislav Savin.
Das statistische Modell erlaubte es nicht, die Höhe der Berge in den Tiefen der Berge genau zu bestimmen, aber es wurde klar, dass die Unregelmäßigkeiten ungleichmäßig verteilt sind, genauso wie die Oberfläche der Erdkruste glatte Bereiche des Meeresbodens und der hohen Berge aufweist. Die Forscher untersuchten auch eine Schicht in einer Tiefe von 410 Kilometern im oberen Teil der "Übergangszone" des Mantels und fanden keine solche topografische Ausbreitung.
Die erzielten Ergebnisse zeigen, wie fortschrittlich seismische Instrumente waren, um neue und unerwartete Eigenschaften der Erdschichten zu entdecken.
Was bedeutet das
Das Vorhandensein von Unregelmäßigkeiten an der 660 Kilometer langen Grenze ist wichtig, um zu verstehen, wie unser Planet entstanden ist. Die erforschte Schicht teilt den Mantel, der etwa 84 Prozent des Erdvolumens ausmacht, in seinen oberen und unteren Teil. Seit Jahren diskutieren Geologen, wie wichtig diese Grenze ist. Insbesondere untersuchten sie, wie Wärme durch den Mantel fließt.
Einige geochemische und mineralogische Hinweise deuten auf einen chemischen Unterschied zwischen dem oberen und unteren Mantel hin, was die Vorstellung stützt, dass sich die beiden Abschnitte weder thermisch noch physikalisch vermischen. Die Daten zeigen jedoch, dass glattere Regionen an der 660 km-Grenze das Ergebnis einer sorgfältigen vertikalen Vermischung sein können, während sich Gebirgsregionen gebildet haben können, in denen keine Vermischung stattfindet.
Darüber hinaus können die erkannten Unregelmäßigkeiten theoretisch durch thermische Anomalien oder chemische Unregelmäßigkeiten verursacht werden. Aufgrund der Umverteilung der Wärme im Mantel wird jede kleine thermische Anomalie über eine Million Jahre hinweg geglättet, wobei nur chemische Unterschiede zurückbleiben.
Was könnte also den signifikanten Unterschied in der Schichtchemie verursacht haben? Wissenschaftler sagen, der Grund dafür sei das Absinken von Steinen, die früher zur Erdkruste gehörten. Geophysiker haben lange über das Schicksal der Meeresbodenplatten diskutiert, die in Subduktionszonen auf der ganzen Welt in den Mantel geschnitten wurden. Forscher spekulieren, dass die Überreste dieser alten Platten jetzt knapp über oder knapp unter der 660 Kilometer langen Grenze liegen könnten.
"Die Seismologie wird aufregend, wenn wir die innere Struktur unseres Planeten sowohl räumlich als auch zeitlich besser verstehen können", schließen die Autoren der Studie.
