Wissenschaftler erhellen die Anfänge der Erdentstehung mithilfe numerischer Simulationen

Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung eines Professors der Universität York werfen ein Licht auf die Anfänge der Erdentstehung und könnten einige frühere Annahmen in der Planetenforschung über das frühe Leben von Gesteinsplaneten in Frage stellen. Die Arbeit stellt eine direkte Verbindung zwischen der inneren Dynamik der Erde in den ersten 100 Millionen Jahren ihrer Geschichte und ihrer heutigen Struktur her und ist damit eine der ersten in diesem Bereich, die Strömungsmechanik mit Chemie kombiniert, um die frühe Entwicklung der Erde besser zu verstehen.

Modellierung der Frühzeit der Erde

"Diese Studie ist die erste, die mit Hilfe eines physikalischen Modells zeigt, dass die ersten Merkmale der Struktur des unteren Erdmantels vor vier Milliarden Jahren, also sehr bald nach der Entstehung des Planeten, entstanden sind", sagt der Hauptautor, Associate Professor Charles-Edouard Boukare von der Fakultät für Naturwissenschaften im Fachbereich Physik und Astronomie in York. Der Mantel ist die felsige Hülle, die den Eisenkern von Gesteinsplaneten umgibt.

Der untere Erdmantel

Die Struktur und die Dynamik des unteren Erdmantels spielen im Laufe der Erdgeschichte eine grundlegende Rolle. Sie bestimmen unter anderem die Abkühlung des Erdkerns, wo das Magnetfeld der Erde entsteht. Der aus Frankreich stammende Boukare arbeitete zusammen mit Forscherkollegen in Paris an dem Artikel "Solidification of Earth's mantle inevitably led to a basal magma ocean", der in Nature veröffentlicht wurde.

Boukare sagt, dass Seismologie, Geodynamik und Petrologie zwar dazu beigetragen haben, viele Fragen über die aktuelle thermochemische Struktur des Erdinneren zu beantworten, dass aber eine Schlüsselfrage bestehen bleibt: Wie alt sind diese Strukturen und wie sind sie entstanden?

Der Versuch, diese Frage zu beantworten, sei so, als würde man einen Erwachsenen mit einem Kind vergleichen und dabei feststellen, dass die energetischen Bedingungen unterschiedlich sind.

"Wenn wir uns Kinder ansehen, tun sie manchmal verrückte Dinge, weil sie viel Energie haben, so wie es Planeten tun, wenn sie jung sind. Wenn wir älter werden, tun wir nicht mehr so viele verrückte Dinge, weil unsere Aktivität oder unser Energieniveau abnimmt. Die Dynamik ist also sehr unterschiedlich, aber es gibt einige Dinge, die wir tun, wenn wir sehr jung sind, die unser ganzes Leben beeinflussen können", sagt er.

"Das Gleiche gilt für die Planeten. Es gibt einige Aspekte der frühen Entwicklung der Planeten, die wir in ihrer heutigen Struktur sehen können."

Wie sich junge Planeten verhalten

Da sich die Simulationen des Erdmantels in erster Linie auf die heutigen Bedingungen im festen Zustand konzentrieren, musste Boukare ein neuartiges Modell entwickeln, um die Frühzeit der Erde zu erforschen, als der Erdmantel viel heißer und im Wesentlichen geschmolzen war - eine Arbeit, die er seit seiner Promotion verfolgt.

Boukares Modell basiert auf einem mehrphasigen Strömungsansatz, der die Dynamik der Magmaverfestigung auf planetarischer Ebene erfasst. Anhand seines Modells untersuchte er, wie der frühe Erdmantel von einem geschmolzenen in einen festen Zustand überging. Boukare und sein Team waren überrascht, als sie feststellten, dass sich die meisten Kristalle bei niedrigem Druck bildeten, was seiner Meinung nach eine ganz andere chemische Signatur hervorruft als das, was tief unter der Erde in einer Umgebung mit hohem Druck geschehen würde.

Diese stellt die vorherrschenden Annahmen in der Planetenforschung darüber in Frage, wie Gesteinsplaneten erstarren. "Bisher gingen wir davon aus, dass die Geochemie des unteren Erdmantels durch chemische Reaktionen unter hohem Druck bestimmt wird, und jetzt scheint es, als müssten wir auch deren Gegenstücke unter niedrigem Druck berücksichtigen. Boukare sagt, dass diese Arbeit auch dazu beitragen könnte, das Verhalten anderer Planeten in der Zukunft vorherzusagen. "Wenn wir einige Anfangsbedingungen und die wichtigsten Prozesse der Planetenentwicklung kennen, können wir vorhersagen, wie sich Planeten entwickeln werden."

Quellenhinweis:

Boukaré, CÉ., Badro, J. & Samuel, H. Solidification of Earth’s mantle led inevitably to a basal magma ocean. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08701-z