Veränderungen im äußeren Kern der Erde, die durch seismische Wellen von Erdbeben aufgedeckt werden

Ein Unterschied von einer Sekunde in der Laufzeit einer Gruppe seismischer Wellen gibt uns ein wichtiges und beispielloses Bild davon, was tief im Inneren der Erde passiert.

Die Theorie unterstützt unser Verständnis der Konvektion im äußeren Kern der Erde und ihrer Funktion bei der Steuerung des Magnetfelds des Planeten. Wissenschaftler haben Konvektionsflüsse oder deren Veränderung nicht direkt beobachtet. Die Geologin von der Virginia Tech, Ying Zhou, liefert erstmals Beweise.

Ein schweres Erdbeben erschütterte im Mai 1997 die Region der Kermadec-Inseln im Südpazifik. Mehr als 20 Jahre später, im September 2018, erschütterte ein zweites schweres Erdbeben denselben Ort, wobei Wellen seismischer Energie von derselben Region ausgingen.

Obwohl zwei Jahrzehnte Seismizität die Erdbeben voneinander trennen, wird erwartet, dass sie seismische Wellen mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Erdschichten senden, weil sie in derselben Region auftreten, sagte Ying Zhou, Geologe am Department of Earth Sciences an der Virginia Tech. Wissen.

Das blaue Band zeigt eine den Kern durchdringende seismische Welle, die sich durch eine Region im äußeren Kern bewegt, wo die seismischen Geschwindigkeiten aufgrund der Übertragung von Flüssen geringer Intensität in die Region zunehmen. Bildnachweis: Ying Zhou von Virginia Tech

In Daten, die an vier der mehr als 150 globalen seismischen Netzwerkstationen aufgezeichnet wurden, die seismische Vibrationen in Echtzeit aufzeichnen, fand Zhou jedoch eine überraschende Anomalie zwischen den Zwillingsereignissen. Während des Erdbebens 2018 bewegte sich eine Gruppe seismischer Wellen namens SKS-Wellen etwa eine Sekunde schneller als ihre Gegenstücke von 1997.

Laut Zhou, dessen Ergebnisse kürzlich in veröffentlicht wurden Seismische Strahlen Äußerer Kern der Erde

Blaue Linien sind seismische Strahlen im äußeren Kern, wo sich kerndurchdringende seismische Wellen 2018 schneller durch diese Region bewegten als 1997. Bildnachweis: Bild mit freundlicher Genehmigung von Ying Zhou

Wissenschaftler konnten auch nur über die Quelle der beobachteten allmählichen Änderungen der Stärke und Richtung des Magnetfelds spekulieren, was wahrscheinlich eine Änderung der Strömungen im äußeren Kern beinhaltet.

„Wenn Sie sich den geomagnetischen Nordpol ansehen, bewegt er sich derzeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Kilometern pro Jahr“, sagte Zhou. „Es bewegt sich weg von Kanada und in Richtung Sibirien. Das Magnetfeld ist nicht jeden Tag gleich. Es verändert sich. Da sie sich ändert, vermuten wir auch, dass sich die Konvektion im äußeren Kern mit der Zeit ändert, aber es gibt keine direkten Beweise. Wir haben es noch nie gesehen.“

Zhou machte sich daran, diese Beweise zu finden. Die Veränderungen im äußeren Kern sind nicht dramatisch, sagte sie, aber sie sind es wert, bestätigt und grundlegend verstanden zu werden. In seismischen Wellen und ihren Geschwindigkeitsänderungen auf einer Zeitskala von zehn Jahren sah Zhou ein Mittel zur „direkten Abtastung“ des äußeren Kerns. Das liegt daran, dass die von ihr untersuchten SKS-Wellen direkt hindurchgehen.

„SKS“ stellt drei Phasen der Welle dar: Zuerst geht sie als S-Welle oder Scherwelle durch den Mantel; dann in den äußeren Kern als Kompressionswelle; dann als S-Welle durch den Mantel zurück. Wie schnell sich diese Wellen ausbreiten, hängt teilweise von der Dichte des äußeren Kerns ab, der sich auf ihrem Weg befindet. Wenn die Dichte in einem Bereich des äußeren Kerns geringer ist, während die Welle ihn durchdringt, wird sich die Welle schneller ausbreiten, genau wie die anomalen SKS-Wellen im Jahr 2018.

„Auf dem Weg dieser Welle hat sich etwas geändert, sodass sie jetzt schneller voranschreiten kann“, sagte Zhou.

Yin Zhou

Ying Zhou vom Virginia Tech Department of Geosciences. Bildnachweis: Foto mit freundlicher Genehmigung von Ying Zhou

Für Zhou weist der Unterschied in der Wellengeschwindigkeit auf Regionen mit geringer Dichte hin, die sich in den 20 Jahren seit dem Erdbeben von 1997 im äußeren Kern gebildet haben. Diese höhere SKS-Wellengeschwindigkeit während des Erdbebens von 2018 kann auf die Freisetzung leichter Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff im äußeren Kern während der Konvektion zurückgeführt werden, die beim Abkühlen der Erde stattfindet, sagte sie.

„Das Material, das vor 20 Jahren da war, ist nicht mehr da“, sagte Zhou. „Das ist ein neues Material, und es ist leichter. Diese Lichtelemente bewegen sich nach oben und verändern die Dichte in der Region, in der sie sich befinden.“

Für Zhou ist es ein Beweis dafür, dass Bewegung wirklich im Kern stattfindet und sich im Laufe der Zeit verändert, wie Wissenschaftler theoretisiert haben. „Wir können es jetzt sehen“, sagte sie. „Wenn wir es anhand von seismischen Wellen sehen können, könnten wir in Zukunft seismische Stationen einrichten und diesen Fluss überwachen.“

Was kommt als nächstes

Das ist Zhous nächster Versuch. Mit einer als Interferometrie bekannten Wellenmessmethode plant ihr Team, kontinuierliche seismische Aufzeichnungen von zwei seismischen Stationen zu analysieren, von denen eine als „virtuelle“ Erdbebenquelle dienen wird, sagte sie.

„Wir können Erdbeben verwenden, aber die Einschränkung, sich auf Erdbebendaten zu verlassen, besteht darin, dass wir die Orte der Erdbeben nicht wirklich kontrollieren können“, sagte Zhou. „Aber wir können die Standorte seismischer Stationen kontrollieren. Wir können die Stationen überall platzieren, wo wir sie haben wollen, wobei der Wellenweg von einer Station zur anderen Station durch den äußeren Kern verläuft. Wenn wir das im Laufe der Zeit überwachen, können wir sehen, wie sich kerndurchdringende seismische Wellen zwischen diesen beiden Stationen verändern. Damit werden wir besser in der Lage sein, die Bewegung der Flüssigkeit im äußeren Kern mit der Zeit zu sehen.“

Referenz: „Vorübergehende Schwankungen der Geschwindigkeit seismischer Wellen weisen auf schnelle Flüssigkeitsbewegungen im äußeren Kern der Erde hin“ von Ying Zhou, 25. April 2022, Kommunikation Erde & Umwelt.
DOI: 10.1038/s43247-022-00432-7

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