Vor fast zwanzig Jahren haben Satelliten ein ungewöhnliches Gravitationssignal vor der Küste Afrikas aufgefangen, das eine tiefgreifende Störung im Erdschwerefeld offenbarte.
Die Forscher identifizierten diese Anomalie durch die Auswertung der Daten, die von den GRACE-Satelliten (Gravity Recovery and Climate Experiment) zwischen 2002 und 2017 gesammelt wurden. Das Signal, das sich über etwa 7.000 Kilometer erstreckte, erreichte seine maximale Intensität im Januar 2007. Dieser Zeitraum fiel mit einem "geomagnetischen Ruck" zusammen, einer plötzlichen Veränderung des Erdmagnetfelds, was auf einen Zusammenhang zwischen diesen beiden Phänomenen hindeutet.
Die in
Geophysical Research Letters veröffentlichte Studie schlägt vor, dass Mineralumwandlungen im unteren Erdmantel eine schnelle Umverteilung der Masse verursacht haben, was sowohl die Schwerkraft als auch den Magnetismus beeinflusste.
Die GRACE-Satelliten, eine Zusammenarbeit zwischen der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, operierten als Duo, um winzige Schwankungen der Erdanziehungskraft zu messen. Indem sie hintereinander flogen, erfassten sie Abstandsänderungen, die durch Unterschiede in der Gravitationsanziehung verursacht wurden, oft verbunden mit Wasser- oder Massenbewegungen. In diesem Fall filterte das Team oberflächliche Signale heraus, um jene aus der Tiefe zu isolieren, und bestätigte so den inneren Ursprung der Anomalie. Mioara Mandea, Geophysikerin am nationalen Zentrum für Weltraumstudien in Frankreich, zweifelte zunächst an der Gültigkeit des Signals, bevor sie an seiner Interpretation mitwirkte.
Die betroffene Region befindet sich im unteren Mantel, einer Gesteinszone, die hauptsächlich aus Magnesiumsilikat besteht und direkt über dem flüssigen äußeren Kern liegt. Wissenschaftler schätzen, dass die Umwandlung von Perowskit in Post-Perowskit, ein Wechsel der Kristallstruktur unter hohem Druck, zu einer signifikanten Massenverschiebung führte. Dieser selten beobachtete Prozess könnte sowohl die Schwerkraftverzerrung als auch den magnetischen Ruck erklären und wirft ein Licht auf die Wechselwirkungen zwischen den Erdschichten.
Die GRACE-Satelliten entdeckten die Schwereanomalie, indem sie die Abstandsänderungen zwischen sich maßen und so tiefgreifende Massenveränderungen aufdeckten.
Bildnachweis: NASA/JPL
Mandea betont, dass diese Entdeckung die Notwendigkeit verdeutlicht, verschiedene Daten und Methoden zu kombinieren, um das Erdinnere zu erforschen. Durch die Kombination von Gravimetrie, Magnetismus und anderen Techniken können Forscher verborgene Mechanismen aufdecken, wie jene, die dieser Anomalie zugrunde liegen. Dieser synergetische Ansatz verspricht neue Fortschritte im Verständnis der tiefen Dynamik der Erde, eines Systems mit vielen Facetten, die noch weitgehend unbekannt sind.
Die Mineralumwandlung im unteren Erdmantel
Der untere Erdmantel, der in einer Tiefe zwischen 660 und 2.900 Kilometern liegt, besteht hauptsächlich aus Magnesiumsilikat, einem Mineral, das unter dem Einfluss von Druck und Temperatur seine Struktur ändern kann. Eine dieser Umwandlungen ist der Übergang von Perowskit zu Post-Perowskit, bei dem sich die Atome neu anordnen, um einen dichteren Kristall zu bilden.
Dieses Phänomen, das nahe der Grenze zum äußeren Kern auftritt, kann Energie freisetzen oder absorbieren und großräumige Massenbewegungen verursachen. Im Fall der afrikanischen Anomalie hat diese Veränderung wahrscheinlich das Gestein umverteilt, das Schwerefeld verändert und mit dem Kern interagiert, um den Magnetismus zu beeinflussen.
Solche Umwandlungen sind selten und schwer direkt zu beobachten, aber sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Mantelkonvektion, die die Plattentektonik und den Vulkanismus beeinflusst. Laborstudien simulieren diese extremen Bedingungen, um ihre Auswirkungen auf die Erddynamik besser zu verstehen.
Die GRACE-Satelliten und die Schweremessung
Die GRACE-Satelliten (Gravity Recovery and Climate Experiment) revolutionierten die Erforschung der Erdschwerkraft durch den Einsatz eines Paars identischer Satelliten, die im Formationsflug unterwegs waren. Durch kontinuierliches Messen der Entfernung zwischen ihnen erfassen sie winzige Schwankungen, die durch Massenveränderungen auf der Erde verursacht werden, wie Meeresströmungen oder tiefe Bewegungen.
Diese Technologie ermöglicht es, Schwereanomalien mit beispielloser Präzision zu kartieren und dabei sonst unsichtbare innere Prozesse aufzudecken. Beispielsweise kann eine Verschiebung von Gestein im Mantel die Schwerkraft lokal verändern, was GRACE in der Nähe Afrikas identifizieren konnte.
Die GRACE-Daten sind entscheidend, um nicht nur die Erdstruktur, sondern auch das Klima zu verstehen, indem sie Wassermassen verfolgen. Die Mission endete 2017, aber ihre Nachfolger, wie GRACE-Follow On, setzen diese entscheidende Arbeit für die Geowissenschaften fort.
Quelle: Geophysical Research Letters