Forschung | Naturwissenschaft & Mathematik

Die Vermessung des Erdinneren

Internationales Forschungsteam unter Kieler Beteiligung entwickelt hochauflösendes 3D-Modell zum globalen Erdaufbau

Die Hülle unserer Erde ist in permanenter Bewegung: Verschiedene Erdplatten drücken und schieben gegeneinander und bilden so nach und nach Gebirge, Vulkane oder verursachen Erdbeben. Um die Vorgänge der Plattentektonik besser zu verstehen, ist die sogenannte Lithosphäre – die Erdkruste und der darunterliegende Erdmantel – von entscheidender Bedeutung. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat jetzt ein neues 3D-Modell veröffentlicht, um die Lithosphäre genauer als bisher zu beschreiben. An dem internationalen Projekt sind auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beteiligt, die dafür konventionelle geophysikalische Methoden mit satellitengestützten Daten kombinierten. Vom 29. März bis 1. April wird das gesamte Forschungsprojekt Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten der Methode bei der vom Kieler Team ausgerichteten internationalen „3D-Earth Spring School“ online vorstellen.  


Erdschichten sind differenzierter als bisheriges Schalenmodell

Bei einem Erdbeben treten seismische Wellen auf, deren Geschwindigkeit gemessen wird, um mehr über die Verteilung der physikalischen Eigenschaften im Erdinneren zu erfahren. Wie schnell sich diese Wellen ausbreiten, wird hauptsächlich von der Temperatur und von der Dichte des Gesteins bestimmt. „Satellitengestützte Gravitationsdaten können hier wertvolle Ergänzungen liefern, denn die Gesteinsdichte beeinflusst die Stärke des Schwerkraftsignals. Außerdem ermitteln Satelliten sehr genaue Daten für die gesamte Erdoberfläche und decken damit auch Gebiete ab, in denen es kaum Bodenmessungen gibt", erklärt Geophysiker Dr. Nils Holzrichter aus der Arbeitsgruppe „Satelliten- und Aerogeophysik“ an der CAU.

Das 3D-Modell der Lithosphäre, das die ESA jetzt veröffentlicht hat, kombiniert globale Gravitationsdaten des GOCE-Satelliten (Gravity field and steady-state ocean circulation explorer), seismologische Beobachtungen und Gesteinsinformationen. „Mit der Kombination von Satelliten-, Erdbeben- und Gesteinsdaten können wir gewissermaßen mit einer Lupe auf das bekannte Schalenmodell des Erdinneren schauen und die einzelnen Schichten viel genauer als bisher differenzieren“, erklärt Holzrichter, der unter anderem die Daten für das 3D-Modell aufbereitet hat. „Da es sich um ein globales Referenzmodell handelt, lassen sich damit auch Studien aus verschiedenen Regionen der Welt besser miteinander vergleichen.“

ESA-Video des 3D-Modells (© ESA/Planetary Visions)

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Methode wurde bereits auf Erdhebung von Nordamerika angewendet

Angewendet hat das Kieler Forschungsteam das Modell bereits auf das „Laurentidische Eisschild“: Die massive Eisschicht bedeckte während der letzten Eiszeit Teile des heutigen Kanadas und der USA und drückte die Landmassen mit ihrem Gewicht nieder. Vor 20.000 Jahren schmolzen die Gletscher ab und seitdem hebt sich der nordamerikanische Kontinent wieder an. „Mit unserer Methode lässt sich konkreter als bisher ermitteln, welche weitere Hebung noch zu erwarten ist“, erklärt Dr. Wolfgang Szwillus, der an einer Studie dazu mitgewirkt hat, veröffentlicht im Journal of Geophysical Research. Demnach ist mit einer weiteren Hebung von mindestens 200 Metern zu rechnen. Dass auch 20.000 Jahre nach Abschmelzen der Gletscher die Prozesse nicht abgeschlossen sind, zeigt, wie träge der Erdmantel reagiert hat. „Ein besseres Verständnis davon, wie schnell die Lithosphäre auf Eismassenverluste reagiert, ist mit Blick auf den Klimawandel ausgesprochen wichtig“, ergänzt Szwillus.

Das Modell und die Studie entstanden im Rahmen des ESA-Projektes „3D-Earth“, in dem ein dreidimensionales Modell der kompletten Erdkruste und des oberen Erdmantels erstellt werden soll. Die bisherigen Projektergebnisse werden Ende März bei der viertägigen Onlinekonferenz „3D-Earth Spring School: Modelling and Interpreting the Earths interior“ vorgestellt. Mit einem besonderen Fokus auf den wissenschaftlichen Nachwuchs will die Projektgruppe dort zeigen, wie ihr Modell und die Daten aus dem Projekt auf weitere wissenschaftliche Fragestellungen angewendet werden können.   

Erdmodell
© ESA/Planetary Visions

Das neue 3D-Modell kombiniert Satelliten- mit Erdbeben- und Gesteinsdaten und zeigt so zum ersten Mal, wie sehr sich der untere Erdmantel unter verschiedenen Ozeanen unterscheidet. In rot sind Erderhebungen von Nordamerika zu sehen, zu denen es in Folge von geschmolzenen Gletschern aus der Eiszeit kommt.

3D-Earth-Springschool, 29. März bis 1. April 2021 (Anmeldung noch möglich):

www.3dearth.uni-kiel.de/en/3d-earth-summerschool

© 3D Earth Spring School
Originalpublikationen:

Reusen, J. M., Root, B. C., Szwillus, W., Fullea, J., & van der Wal, W. (2020). Long wavelength gravity field constraint on the lower mantle viscosity in North America. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2020JB020484. https://doi.org/10.1029/2020JB020484

Fullea, J., Lebedev, S., Martinec, Z., Celli, N.L. (2021) WINTERC-G: mapping the upper mantle thermochemical heterogeneity from coupled geophysical-petrological inversion of seismic waveforms, heat flow, surface elevation and gravity satellite data, Geophysical Journal International, ggab094, https://doi.org/10.1093/gji/ggab094

Pressemitteilung der European Space Agency:

Originalmeldung der ESA (Englisch)

Wissenschaftlicher Kontakt:

Dr. Nils Holzrichter
Institut für Geowissenschaften
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
+49 431 880-3880
nils.holzrichter@ifg.uni-kiel.de

Dr. Wolfgang Szwillus
Institut für Geowissenschaften
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
+49 431 880-5795
wolfgang.szwillus@ifg.uni-kiel.de

Pressekontakt:

Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing
Sachgebiet Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation