Im Erdkern steckt Kohlenstoff, dessen Isotopensignal zu kohlenstoffreichen Meteoriten aus dem äußeren Sonnensystem passt. Eine neue Auswertung winziger Magmatröpfchen aus hawaiianischer Lava liefert erstmals eine beobachtungsbasierte Abschätzung seiner Isotopenzusammensetzung. Die Forscher deuten das ungewöhnlich schwere Kohlenstoffsignal als Hinweis darauf, dass Kohlenstoff aus dem Kern in den Erdmantel gelangt. Direkt untersucht hat das Team den Erdkern allerdings nicht: Die Schlussfolgerung hängt auch davon ab, woher das Magma unter Hawaii stammt.
Die Arbeit verbindet zwei Bereiche, die normalerweise kaum gemeinsam untersucht werden: die Chemie uralter Meteoriten und eingeschlossene Schmelzen aus einem Vulkan. Geleitet wurde das Team von Yves Moussallam vom Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University und dem Kosmochemiker Damanveer Grewal von der Yale University. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences erschien die Studie „Isotopically heavy carbon in the core“ am 9. November 2026 online. Die begleitende Mitteilung der Yale University beschreibt den Ansatz als erste beobachtungsbasierte Abschätzung der Isotopenzusammensetzung von Kohlenstoff im Erdkern.
Der Befund ist ungewöhnlich, weil der Kern rund 2.900 Kilometer unter der Oberfläche liegt und aus einer Mischung aus Eisen und Nickel besteht. Gesteinsproben aus dieser Tiefe gibt es nicht. Stattdessen werteten die Wissenschaftler winzige Schmelzeinschlüsse in Mineralen aus, die bei Vulkanausbrüchen an die Oberfläche gelangt waren. Diese Einschlüsse bewahren einen Teil der chemischen Zusammensetzung des Magmas, bevor gelöste Gase entweichen konnten. Aus ihrem Kohlenstoffsignal rekonstruieren die Autoren eine mögliche Verbindung zwischen dem tiefen Erdinneren und dem Material, aus dem unser Planet entstand.
Kohlenstoff kommt in mehreren Isotopen vor. Die Atome besitzen dabei gleich viele Protonen, unterscheiden sich aber in der Zahl ihrer Neutronen. Kohlenstoff-12 ist leichter und häufiger, Kohlenstoff-13 schwerer und seltener. Geochemiker messen das Verhältnis beider Varianten und geben Abweichungen von einem Referenzwert als δ¹³C an. Ein höherer Wert steht für einen relativ größeren Anteil des schweren Kohlenstoffisotops. Schon kleine Verschiebungen können Hinweise darauf geben, aus welchem Reservoir ein Kohlenstoff stammt oder welche Prozesse ihn verändert haben.
Die PNAS-Arbeit vergleicht Schmelzeinschlüsse aus zwei Entwicklungsphasen hawaiianischer Vulkane. Bei Laven des Schildstadiums, in dem ein Vulkan durch wiederholte Ausbrüche seinen breiten Schild aufbaut, nähern sich die Werte einem δ¹³C-Signal von −1 ± 2 Promille. Die Autoren ordnen diese Proben der zentralen Achse eines Mantelplumes zu. Ein solcher Plume ist eine langsam aufsteigende Säule heißen Mantelmaterials, die unter Hawaii den Vulkanismus antreibt. Nach dem Modell der Forscher reicht die Wurzel dieses Plumes bis an die thermische Grenzschicht zwischen Erdkern und Erdmantel.
Anders fallen die Werte aus Laven des späten Verjüngungsstadiums aus. Diese Phase setzt ein, wenn ein Vulkan nach einer längeren Ruhezeit erneut aktiv wird. Das Magma stammt dabei nach der Interpretation der Autoren eher aus Material, das an den äußeren Bereichen des Plumes in die aufsteigende Säule hineingezogen wurde. Die entsprechenden Schmelzeinschlüsse zeigen einen δ¹³C-Wert von −7 ± 2 Promille. Die Autoren bezeichnen dieses Signal als normale Zusammensetzung des Erdmantels.
Der Abstand zwischen den beiden charakteristischen Signaturen ist für die Deutung wichtig. Das Schildstadium-Magma enthält relativ mehr Kohlenstoff-13 als das Material vom Rand des Plumes. Nach Ansicht des Forschungsteams lässt sich dieses schwere Isotopensignal damit erklären, dass Kohlenstoff aus dem Erdkern in den darüberliegenden Mantel übergegangen ist. Die Forscher sprechen von Kohlenstoff, der aus dem Kern „leckt“. Das ist eine Interpretation der Isotopendaten und keine direkte Beobachtung eines aufsteigenden Kohlenstoffstroms.
Die entscheidenden Proben stammen aus historischen Ausbrüchen auf Hawaii. Dazu gehören die Keanakākoʻi-Ausbrüche zwischen etwa 1500 und 1840 sowie der Ausbruch des Kīlauea Iki im Jahr 1959. Während Magma aufsteigt, sinkt der Druck. Dadurch können gelöste Gase aus der Schmelze austreten, darunter auch kohlenstoffhaltige Verbindungen. Die Zusammensetzung gewöhnlicher erkalteter Lava kann deshalb bereits verändert sein, wenn sie an der Oberfläche ankommt.
Schmelzeinschlüsse umgehen einen Teil dieses Problems. Während Mineralkristalle im Magma wachsen, können sie winzige Tröpfchen der umgebenden Schmelze einschließen. Sobald ein solcher Tropfen vollständig im Kristall eingeschlossen ist, bleibt seine Zusammensetzung weitgehend von späterem Gasverlust abgeschirmt. Die Einschlüsse wirken damit wie kleine Zeitkapseln: Sie halten fest, welche Schmelze unmittelbar während des Kristallwachstums vorhanden war. Die Yale-Mitteilung vergleicht sie mit einer Flaschenpost aus dem Erdinneren.
Die Methode macht den Erdkern nicht zugänglich, sondern liefert eine indirekte Spur. Die Forscher messen Kohlenstoffisotope in Material, das aus dem Mantel stammt, und ordnen bestimmte Proben einer tiefen Quelle zu. Dafür müssen mehrere Annahmen zusammenpassen: Die Schmelzeinschlüsse müssen ihren ursprünglichen Kohlenstoff ausreichend bewahrt haben, die Zuordnung der Laven zu den verschiedenen Plume-Bereichen muss stimmen und das Isotopensignal muss tatsächlich durch einen Austausch mit dem Kern geprägt sein. Die Untersuchung gewinnt ihre Aussagekraft aus dem Vergleich unterschiedlicher Mantelquellen, nicht aus einem einzelnen Lava-Tröpfchen.
Die Isotopenzusammensetzung führt die Autoren zur Herkunft des Kohlenstoffs. Das Gesteinsmaterial, aus dem der größte Teil der Erde entstand, war vergleichsweise kohlenstoffarm und stammt nach dem gängigen Bild aus dem inneren Sonnensystem. Das im Kern abgeleitete schwere Kohlenstoffsignal passt laut Studie nicht gut zu diesem Material. Besser stimmt es mit kohligen Chondriten überein. Diese Meteoriten enthalten relativ viel Kohlenstoff und stammen aus weiter außen gelegenen Regionen des Sonnensystems.
Kohlige Chondriten sind keine gewöhnlichen Brocken aus nahezu reinem Gestein. Sie enthalten unter anderem organische Verbindungen und Wasser. Ihre Zusammensetzung macht sie zu wichtigen Hinweisen auf die frühen Bausteine der Planeten. Wenn ein Teil des irdischen Kohlenstoffs mit solchen Körpern zur jungen Erde gelangte, könnte er eine andere Herkunft haben als der überwiegende Anteil des Materials, aus dem der Planet aufgebaut wurde. Die neue Arbeit deutet darauf hin, dass dieser Beitrag groß genug gewesen sein könnte, um den Kohlenstoffhaushalt der Erde wesentlich zu prägen.
Die zeitliche Einordnung ist dabei entscheidend. Nach Grewals Erklärung gab es während der Hauptbauphase der Erde nur ein begrenztes Zeitfenster, in dem Kohlenstoff aus solchen Meteoriten dauerhaft in den Kern gelangen konnte. Traf kohlenstoffreiches Material sehr früh ein, konnten spätere gewaltige Kollisionen einen großen Teil davon wieder ins All schleudern. Kam es erst später, war der Kern bereits weitgehend abgeschlossen und nahm den nachträglich gelieferten Kohlenstoff nicht mehr in gleicher Weise auf. Die Autoren setzen den Eintrag deshalb in eine späte Phase der Hauptentstehung der Erde.
Diese Erklärung verbindet die Isotopenmessung mit einem Modell der Planetenbildung. Sie beschreibt keinen einzelnen nachgewiesenen Einschlag und datiert auch keinen konkreten Meteoritenfall. Vielmehr ergibt sich das Zeitfenster aus der Frage, wann die Erde noch Material in ihren Kern aufnehmen konnte und wann spätere Kollisionen bereits eingelagerten Kohlenstoff wieder hätten entfernen können. Die Messwerte liefern den Hinweis auf die Art des Kohlenstoffs; die Geschichte seiner Ankunft ergibt sich aus der geochemischen und planetenbildenden Interpretation.
Die Kern-Mantel-Grenze liegt ungefähr 2.900 Kilometer unter der Erdoberfläche. Dort treffen der metallische Kern und der darüberliegende silikatische Mantel aufeinander. Die äußere Kernschicht ist flüssig, während der Mantel aus festem Gestein besteht, das über geologische Zeiträume langsam fließen kann. Mantelplumes können heißes Material aus großer Tiefe nach oben transportieren. Für Hawaii nehmen die Autoren an, dass die zentrale Plume-Achse an der Kern-Mantel-Grenze verwurzelt ist. Die Schmelzeinschlüsse aus dem Schildstadium sollen deshalb eine Signatur aus diesem besonders tiefen Bereich bewahren.
Genau an dieser Stelle liegt eine wesentliche Grenze der Aussage. Die Studie hat keine Probe aus dem Erdkern untersucht. Auch lässt sich die Wurzel des hawaiianischen Plumes nicht wie ein sichtbarer Schlot bis zur Grenzfläche verfolgen. Die Verbindung beruht auf dem geologischen Modell der Autoren und der Interpretation, dass die zentrale Achse Material aus dieser Tiefe enthält. Sollte die Plume-Struktur anders verlaufen oder das Isotopensignal eine andere Quelle haben, müsste auch die Erklärung des Kohlenstoffs neu bewertet werden.
Die Autoren weisen damit einen Weg, eine bislang als kaum beobachtbar geltende Eigenschaft des tiefen Erdinneren aus vulkanischem Material abzuschätzen. Das ist ein methodischer Fortschritt, aber noch keine direkte Bestandsaufnahme des Kohlenstoffs im Kern. Der Unterschied ist wichtig: Die gemessenen Werte stammen aus den Schmelzeinschlüssen, während ihre Zuordnung zum Kern eine wissenschaftliche Deutung bleibt. Auch die Herkunft aus kohligen Chondriten ist die Erklärung, die nach dem Vergleich der Isotopensignaturen am besten zu den Ergebnissen passt.
Kohlenstoff ist nicht nur ein Baustein organischer Moleküle an der Oberfläche. Er kommt in Gesteinen, im Erdmantel, in der Atmosphäre und in weiteren Reservoiren des Planeten vor. Wie er zwischen diesen Bereichen verteilt ist, beeinflusst langfristige geologische Kreisläufe. Wenn ein Teil des Kohlenstoffs im Kern gespeichert ist und über geologische Zeiträume in den Mantel gelangen kann, erweitert das die möglichen Wege, auf denen Kohlenstoff im Erdinneren zirkuliert.
Die Yale-Mitteilung nennt als mögliche Folgefrage, welche Rolle Kohlenstoff aus dem Kern bei Phasen intensiver vulkanischer Aktivität spielen könnte. Sie verknüpft die Isotopenzusammensetzung bestimmter hawaiianischer Schmelzeinschlüsse mit einer tiefen Herkunft und einer möglichen meteoritenartigen Quelle. Ob ähnliche Signaturen auch in anderen Mantelplumes auftreten, muss durch weitere Proben geprüft werden. Erst solche Vergleiche könnten zeigen, ob Hawaii einen besonderen Fall liefert oder einen verbreiteten Prozess im Erdinneren sichtbar macht.
Die Ergebnisse fügen sich in eine Forschung ein, die das Erdinnere fast ausschließlich über indirekte Messungen erschließt. Seismische Wellen, das Erdmagnetfeld und vulkanisches Material liefern unterschiedliche Fenster auf Bereiche, die Menschen niemals direkt erreichen können. Auch Veränderungen im flüssigen Erdkern werden aus solchen Signalen rekonstruiert. Die Kohlenstoffarbeit nutzt einen anderen Zugang: Sie liest chemische Spuren aus Kristallen, die bei Vulkanausbrüchen an die Oberfläche gelangten.
Für die Geologie eröffnet sich damit eine ungewöhnliche Verbindung zwischen einem hawaiianischen Vulkan und den frühen Lieferungen von Material aus dem äußeren Sonnensystem. Die Lava selbst enthält keine Meteoritenstücke, und die Schmelzeinschlüsse sind keine konservierten Proben des Kerns. Ihre Isotopenwerte geben den Forschern jedoch einen Ansatz, um die Herkunft eines Elements bis in die Entstehungsphase der Erde zurückzuverfolgen. Die Hypothese wird belastbarer, wenn künftige Messungen an weiteren tiefreichenden Mantelplumes ein vergleichbares Muster zeigen.
Moussallam, Yves; Grewal, Damanveer S. et al., „Isotopically heavy carbon in the core“, Proceedings of the National Academy of Sciences; doi:10.1073/pnas.2610912123
Yale News, Jim Shelton, „Earth’s ‘core carbon’ may have come from the far reaches of the solar system“
DongA Science, SoYeon Kim, „Mantle Plume Lavas Reveal Carbonaceous Chondrite Origin of Earth’s Core Carbon“
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
