Woher wir das wissen: seismische Wellen

Noch keine Bohrung hat den Mantel erreicht. Trotzdem wissen wir, dass der äußere Kern flüssig ist, weil eine Art von Erdbebenwellen nie auf der anderen Seite der Erde ankommt.

Zwei Arten von Wellen

Wenn sich eine Verwerfung ruckartig verschiebt, sendet sie Wellen durch den gesamten Planeten. Am schnellsten sind die P-Wellen, kurz für Primärwellen. Sie drücken und ziehen das Gestein in Ausbreitungsrichtung, ähnlich einem Impuls entlang einer gespannten Feder, und können Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase durchqueren. Danach folgen die S-Wellen, die Sekundärwellen. Sie bewegen das Gestein seitlich, rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung. Eine Flüssigkeit kann solchen seitlichen Scherkräften nicht standhalten. Deshalb können sich S-Wellen überhaupt nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten.

Beide Wellenarten werden in tieferem, steiferem Gestein schneller. Eine schräg nach unten laufende Welle wird deshalb gebrochen, ähnlich wie Licht im Wasser, und kehrt auf einer gekrümmten Bahn zur Oberfläche zurück. Tausende Seismometer weltweit messen ihre Ankunftszeiten. Aus den Laufzeitunterschieden bei verschiedenen Entfernungen berechnen Seismologen die Wellengeschwindigkeit in jeder Tiefe. Sprunghafte Geschwindigkeitsänderungen zeigen die Grenzen zwischen den Schichten an. Der British Geological Survey vergleicht das mit der Lichtbrechung in einem Glasprisma.

Die Schattenzonen

Miss den Winkel entlang der Erde vom Erdbebenherd aus. Der genau gegenüberliegende Punkt liegt also bei 180°. Direkte S-Wellen werden bis etwa 104° aufgezeichnet und verschwinden dann vollständig. Etwas zwischen Mantel und Erdmittelpunkt hält sie auf. Da S-Wellen nur in Flüssigkeiten nicht weiterkommen, muss diese Schicht flüssig sein. P-Wellen verhalten sich anders. Auch sie verschwinden jenseits von etwa 104°, tauchen aber ab ungefähr 140° wieder auf. Nach Erklärung der USGS werden sie am flüssigen Kern gebrochen. Beim Eintritt in den äußeren Kern werden P-Wellen stark langsamer, weil sie sich in flüssigem Eisen langsamer ausbreiten als im steifen Gestein darüber. Dadurch werden sie stark zum Mittelpunkt hin abgelenkt und treten weit entfernt wieder aus. Im ringförmigen Oberflächenbereich zwischen 104° und 140° kommen keine direkten P-Wellen an.

Das kannst du im Modell sehen. Achte auf die Uhr: P-Wellen erreichen die gegenüberliegende Erdseite nach etwa 20 Minuten, S-Wellen nie. Verschiebe den Regler „Beben“. Die Schattenzonen wandern mit dem Erdbebenherd. Das zeigt, dass sie durch das Erdinnere entstehen und nicht durch Besonderheiten eines Ortes an der Oberfläche. In diesem vereinfachten Modell tritt der letzte P-Strahl, der den Kern gerade noch verfehlt, bei etwa 97° aus. Echte Wellen werden auch um den Rand des Kerns gebeugt, wodurch schwache P-Wellen etwas weiter reichen.