Alle Schulkinder wissen, dass der Planet Erde in drei (oder vier) große Schichten unterteilt ist: die Kruste, den Mantel und den Kern. Dies trifft im Allgemeinen zu, obwohl diese Verallgemeinerung mehrere von Wissenschaftlern identifizierte zusätzliche Schichten nicht berücksichtigt, darunter beispielsweise die Übergangsschicht innerhalb des Erdmantels.
In einer am 15. Februar 2019 veröffentlichten Studie nutzten die Geophysikerin Jessica Irving und der Masterstudent Wenbo Wu von der Princeton University in Zusammenarbeit mit Sidao Ni vom Geodätischen und Geophysikalischen Institut in China Daten aus dem starken Erdbeben von 1994 in Bolivien, um die Berge zu finden. und andere topografische Merkmale auf der Oberfläche der Übergangszone tief im Erdmantel. Diese 660 Kilometer unter der Erde liegende Schicht trennt den oberen und unteren Erdmantel (ohne einen offiziellen Namen für diese Schicht zu nennen, nannten die Forscher sie einfach die „660-Kilometer-Grenze“).
Um so tief unter die Erde zu „schauen“, nutzten Wissenschaftler die stärksten Wellen auf dem Planeten, die durch starke Erdbeben verursacht wurden. „Man braucht ein starkes, tiefes Erdbeben, um den Planeten zu erschüttern“, sagte Jessica Irving, Assistenzprofessorin für Geowissenschaften.
Große Erdbeben sind viel stärker als gewöhnliche – ihre Energie nimmt mit jedem weiteren Schritt auf der Richterskala um das 30-fache zu. Irving erhält seine besten Daten von Erdbeben mit einer Stärke von 7.0 und mehr, da sich die seismischen Wellen, die von so großen Beben ausgesendet werden, in verschiedene Richtungen ausbreiten und durch den Kern auf die andere Seite des Planeten und zurück wandern können. Für diese Studie stammten die Schlüsseldaten von seismischen Wellen, die bei einem Erdbeben der Stärke 8.3 aufgezeichnet wurden – dem zweitstärksten Erdbeben, das jemals von Geologen aufgezeichnet wurde – das Bolivien im Jahr 1994 erschütterte.
„Erdbeben dieser Stärke kommen nicht oft vor. Wir haben das große Glück, dass heute weltweit viel mehr Seismometer installiert sind als vor 20 Jahren. Auch die Seismologie hat sich in den letzten 20 Jahren dank neuer Instrumente und Computerleistung stark verändert.
Seismologen und Datenwissenschaftler nutzen Supercomputer wie den Tiger-Cluster-Supercomputer von Princeton, um das komplexe Verhalten streuender seismischer Wellen tief im Untergrund zu simulieren.
Technologien basieren auf den grundlegenden Eigenschaften von Wellen: ihrer Fähigkeit, reflektiert und gebrochen zu werden. So wie Lichtwellen von einem Spiegel abprallen (reflektieren) oder sich krümmen (brechen) können, wenn sie ein Prisma passieren, breiten sich seismische Wellen durch homogene Gesteine aus, werden jedoch reflektiert oder gebrochen, wenn sie auf ihrem Weg auf raue Oberflächen treffen.
„Wir wissen, dass fast alle Objekte eine unebene Oberfläche haben und daher Licht streuen können“, sagte Wenbo Wu, der Hauptautor der Studie, der kürzlich in Geonomie promoviert hat und derzeit ein Postdoktorandenstipendium am California Institute of Technology anstrebt. „Dank dieser Tatsache können wir diese Objekte „sehen“ – Streuwellen tragen Informationen über die Rauheit der Oberflächen, denen sie auf ihrem Weg begegnen. In dieser Studie untersuchten wir streuende seismische Wellen, die sich tief im Erdinneren ausbreiten, um die „Rauhigkeit“ der gefundenen 660-Kilometer-Grenze zu bestimmen.“
Die Forscher waren überrascht, wie „rau“ diese Grenze ist – noch rauer als die Oberflächenschicht, auf der wir leben. „Mit anderen Worten, diese unterirdische Schicht hat eine komplexere Topographie als die Rocky Mountains oder das Appalachen-Gebirgssystem“, sagte Wu. Ihr statistisches Modell war nicht in der Lage, die genaue Höhe dieser unterirdischen Berge zu bestimmen, aber es besteht eine gute Chance, dass sie viel höher sind als alles auf der Erdoberfläche. Den Wissenschaftlern fiel außerdem auf, dass auch die 660 Kilometer lange Grenze ungleichmäßig verteilt ist. So wie die Landschicht an einigen Stellen glatte Meeresoberflächen und an anderen massive Berge aufweist, weist die 660-km-Grenze auch raue Zonen und glatte Schichten auf ihrer Oberfläche auf. Die Forscher untersuchten auch die unterirdischen Schichten in einer Tiefe von 410 Kilometern und an der Spitze des mittleren Erdmantels, konnten jedoch keine ähnliche Rauheit in diesen Oberflächen feststellen.
„Sie fanden heraus, dass die 660-Kilometer-Grenze genauso komplex ist wie die Oberflächenschicht“, sagte die Seismologin Christina Hauser, Assistenzprofessorin am Tokyo Institute of Technology, die nicht an der Studie beteiligt war. „Die seismischen Wellen starker Erdbeben zu nutzen, um einen Höhenunterschied von 3 Kilometern in einem 660 Kilometer tiefen Untergrund zu ermitteln, ist eine unvorstellbare Leistung ... Ihre Entdeckungen bedeuten, dass wir in Zukunft mit ausgefeilteren seismischen Instrumenten dazu in der Lage sein werden bisher unbekannte, subtile Signale aufzuspüren, die uns neue Eigenschaften der inneren Schichten unseres Planeten offenbaren werden.“
Die Seismologin Jessica Irving, Assistenzprofessorin für Geophysik, hält zwei Meteoriten aus der Sammlung der Princeton University in der Hand, die Eisen enthalten und vermutlich Teil des Planeten Erde sind.
Foto aufgenommen von Denis Appelwhite.
Was bedeutet das?
Die Existenz rauer Oberflächen entlang der 660 Kilometer langen Grenze ist wichtig für das Verständnis der Entstehung und Funktionsweise unseres Planeten. Diese Schicht teilt den Mantel, der etwa 84 Prozent des Volumens unseres Planeten ausmacht, in einen oberen und einen unteren Abschnitt. Seit Jahren diskutieren Geologen darüber, wie wichtig diese Grenze ist. Sie untersuchten insbesondere, wie Wärme durch den Erdmantel transportiert wird – und ob erhitzte Gesteine sich von der Gutenberg-Grenze (der Schicht, die den Erdmantel vom Kern in einer Tiefe von 2900 Kilometern trennt) bis zur Oberfläche des Erdmantels bewegen, oder ob diese Bewegung wird an der 660-Kilometer-Grenze unterbrochen. Einige geochemische und mineralogische Daten deuten darauf hin, dass die oberen und unteren Schichten des Mantels unterschiedliche chemische Zusammensetzungen haben, was die Annahme stützt, dass die beiden Schichten thermisch oder physikalisch nicht mischbar sind. Andere Beobachtungen deuten darauf hin, dass die oberen und unteren Schichten des Mantels keinen chemischen Unterschied aufweisen, was Anlass zur Debatte über den sogenannten „gut gemischten Mantel“ gibt, bei dem beide Schichten des Mantels an einem angrenzenden Wärmeaustauschzyklus teilnehmen.
„Unsere Studie liefert neue Einblicke in diese Debatte“, sagte Wenbo Wu. Die aus dieser Studie gewonnenen Daten legen nahe, dass beide Seiten möglicherweise teilweise Recht haben. Die glatteren Schichten der 660-km-Grenze könnten durch eine gründliche vertikale Vermischung entstanden sein, wohingegen sich die raueren Gebirgszonen gebildet haben könnten, in denen die Vermischung des oberen und unteren Mantels nicht so reibungslos verlief.
Darüber hinaus wurde von Forschern auf großen, mittleren und kleinen Skalen die „Rauheit“ der Schicht an der gefundenen Grenze festgestellt, die theoretisch durch thermische Anomalien oder chemische Heterogenität verursacht werden könnte. Aber aufgrund der Art und Weise, wie die Wärme im Mantel transportiert wird, würde jede kleine thermische Anomalie innerhalb weniger Millionen Jahre ausgeglichen werden, erklärt Wu. Somit kann nur chemische Heterogenität die Rauheit dieser Schicht erklären.
Was könnte eine solch erhebliche chemische Heterogenität verursachen? Zum Beispiel das Auftreten von Gesteinen in den Schichten des Erdmantels, die zur Erdkruste gehörten und sich über viele Millionen Jahre dorthin bewegten. Wissenschaftler diskutieren seit langem über das Schicksal der Platten auf dem Meeresboden, die durch Subduktionszonen, die rund um den Pazifischen Ozean und andere Teile der Erde kollidieren, in den Erdmantel gedrückt werden. Weibo Wu und Jessica Irving vermuten, dass Reste dieser Platten nun über oder unter der 660-Kilometer-Grenze liegen könnten.
„Viele Menschen glauben, dass es ziemlich schwierig ist, die innere Struktur des Planeten und seine Veränderungen in den letzten 4.5 Milliarden Jahren allein anhand seismischer Wellendaten zu untersuchen. „Aber das ist alles andere als wahr!“, sagte Irving. „Diese Forschung hat uns neue Informationen über das Schicksal der alten tektonischen Platten geliefert, die über viele Milliarden Jahre in den Erdmantel abgesunken sind.“
Abschließend fügte Irving hinzu: „Ich denke, dass die Seismologie am interessantesten ist, wenn sie uns hilft, die innere Struktur unseres Planeten in Raum und Zeit zu verstehen.“
Vom Autor der Übersetzung: Ich wollte schon immer versuchen, einen populärwissenschaftlichen Artikel aus dem Englischen ins Russische zu übersetzen, aber damit hatte ich nicht gerechnet inwieweit das ist schwer. Großer Respekt an diejenigen, die regelmäßig und effizient Artikel über Habré übersetzen. Um einen Text professionell übersetzen zu können, müssen Sie nicht nur Englisch beherrschen, sondern auch das Thema selbst verstehen, indem Sie Fremdquellen studieren. Fügen Sie einen kleinen „Gag“ hinzu, damit es natürlicher klingt, aber übertreiben Sie es auch nicht, um den Artikel nicht zu verderben. Vielen Dank fürs Lesen :)
Source: habr.com