Ist der unterer Erdmantel fest oder flüssig?

Der untere Erdmantel: Fest trotz höllischer Hitze

Der Erdmantel, die Schicht zwischen Erdkruste und Erdkern, ist alles andere als homogen. Er wird in den oberen und den unteren Mantel unterteilt, wobei der untere Mantel mit einer Mächtigkeit von etwa 2200 km bis zu einer Tiefe von 2900 km reicht – ein Bereich, der im wahrsten Sinne des Wortes unter extremen Bedingungen steht. Die herrschende Temperatur übersteigt dort deutlich 4000° Celsius, heißer als die Oberfläche der Sonne. Intuitiv würde man daher von einem flüssigen Zustand ausgehen. Doch der immense Druck, der in dieser Tiefe wirkt, verändert die physikalischen Eigenschaften der Materie fundamental: Der untere Erdmantel ist fest.

Dieser scheinbare Widerspruch lässt sich mit dem Verständnis von Druck und Temperatur im Zusammenhang mit Phasenumwandlungen erklären. Während hohe Temperaturen die thermische Bewegung der Atome und Moleküle verstärken und somit die Tendenz zur Flüssigphase fördern, übt der immense Druck eine entgegenwirkende Kraft aus. Er zwingt die Atome enger zusammen, was die interatomaren Bindungen verstärkt und die feste Struktur stabilisiert. Die Materie wird, obwohl extrem heiß, in eine hochdichte, kristalline Struktur gepresst.

Die Zusammensetzung des unteren Mantels ähnelt zwar der des oberen Mantels – vorwiegend Silikate mit hohen Anteilen an Magnesium und Eisen –, unterscheidet sich aber in den Mineralstrukturen. Der extreme Druck führt zur Bildung von Hochdruckmineralen, die unter geringeren Drücken nicht stabil wären. Diese Minerale sind dichter gepackt und weisen eine andere Kristallstruktur auf, was die Festigkeit des unteren Mantels weiter verstärkt. Perowskit, ein komplexes Silikatmineral mit Perowskit-Struktur, ist beispielsweise ein dominierendes Mineral im unteren Mantel und trägt wesentlich zu dessen Dichte und Festigkeit bei. Die genaue mineralogische Zusammensetzung und die Verteilung der verschiedenen Mineralphasen sind jedoch noch Gegenstand intensiver Forschung und Modellbildung.

Die Festigkeit des unteren Erdmantels hat immense Auswirkungen auf geophysikalische Prozesse. Sie beeinflusst die Konvektionsströmungen im Erdmantel, die für die Plattentektonik verantwortlich sind, indem sie die Geschwindigkeit und die Art der Bewegungen dieser Strömungen prägt. Das Verständnis der rheologischen Eigenschaften des unteren Mantels ist daher entscheidend für die Modellierung der globalen Geodynamik und die Vorhersage von Erdbeben und vulkanischen Aktivitäten. Zukünftige Forschung, beispielsweise durch verbesserte seismische Tomographie und experimentelle Hochdruck-Hochtemperatur-Untersuchungen, wird dazu beitragen, unser Wissen über diesen faszinierenden und wichtigen Bereich unseres Planeten weiter zu verfeinern.