Der Erdkern könnte über Milliarden Jahre Wasserstoff an den Erdmantel abgegeben haben. Eine Modellstudie untersucht, ob sich ungewöhnliche chemische Spuren in Vulkangesteinen durch einen solchen Austausch erklären lassen. Die Berechnungen schwächen eine konkurrierende Erklärung, nach der die Spuren allein beim Erstarren der jungen Erde entstanden wären. Ein direkter Nachweis austretenden Materials aus dem Kern ist das jedoch nicht.
Yu Zhang und seine Kollegen von der University of Science and Technology of China untersuchten die Verteilung von Wasserstoffisotopen unter Bedingungen des frühen Erdinneren. Ihre Studie in Science Advances verbindet atomistische Berechnungen mit einem Modell des erstarrenden Magmaozeans. Im Mittelpunkt steht die Herkunft von Wasserstoff mit auffällig wenig Deuterium. Solche Signaturen sind aus manchen ozeanischen Inselbasalten bekannt. Die Forscher prüfen damit eine mögliche Verbindung zwischen messbarem Gestein an der Oberfläche und einem unzugänglichen Reservoir im Erdkern.
Wasserstoff kommt in verschiedenen Isotopen vor. Der Kern des gewöhnlichen Wasserstoffatoms besteht aus einem Proton, während Deuterium zusätzlich ein Neutron besitzt. Beide verhalten sich chemisch sehr ähnlich, ihre unterschiedliche Masse kann aber kleine Unterschiede bei der Verteilung zwischen Materialien verursachen. Das Verhältnis von Deuterium zu gewöhnlichem Wasserstoff ist deshalb eine geochemische Informationsquelle. Es kann Hinweise darauf liefern, woher ein Stoff stammt und welche Prozesse er durchlaufen hat.
Ein besonders niedriger Deuteriumanteil verlangt eine Erklärung. Denkbar wäre beispielsweise ein sehr altes, chemisch wenig verändertes Reservoir im Mantel. Ebenso könnte später Material aus einem anderen Bereich hinzugekommen sein. Die Herausforderung besteht darin, diese Möglichkeiten auseinanderzuhalten. Eine einzelne auffällige Verhältniszahl ist noch keine eindeutige Herkunftsangabe. Erst der Vergleich mit physikalisch möglichen Entstehungswegen macht daraus ein belastbareres Indiz.
Vulkangestein kann dabei Material aus größerer Tiefe zugänglich machen, ohne dass der Kern selbst beprobt wird. Selbst kilometerlange Bohrkerne aus Mantelgestein erreichen den Erdkern nicht. Die Forschung muss deshalb direkte Materialanalysen mit Experimenten und Modellen verbinden. Jede dieser Methoden beantwortet einen anderen Teil der Herkunftsfrage. Der Weg vom Basalt zur Aussage über den Kern bleibt eine Schlussfolgerung über mehrere Schritte.
Die junge Erde besaß ausgedehnte Bereiche geschmolzenen Gesteins. Beim Abkühlen dieses Magmaozeans entstanden feste Minerale, während ein Teil des Materials zunächst flüssig blieb. Elemente und Isotope können sich zwischen einer Schmelze und den neu entstehenden Kristallen unterschiedlich verteilen. Dadurch wären theoretisch verschiedene chemische Reservoirs im späteren Erdmantel möglich. Ein deuteriumarmer Bereich müsste dann nicht durch einen späteren Zufluss aus dem Kern entstanden sein.
Genau diese Alternative prüfte das Team quantitativ. Berechnet wurde die Wasserstoffisotopenverteilung zwischen Silikatschmelze und den Mantelmineralen Bridgmanit, Ringwoodit und Wadsleyit. Die durch maschinelles Lernen beschleunigten Simulationen berücksichtigen dabei quantenmechanische Eigenschaften der Atomkerne. Anschließend gingen die ermittelten Verteilungsfaktoren in ein Modell der Magmaozean-Kristallisation ein. Das Ergebnis war eine vergleichsweise geringe Trennung der Wasserstoffisotope. Die extrem niedrigen Deuteriumwerte bestimmter Basalte ließen sich dadurch nicht ausreichend erzeugen.
Die Autoren betrachten die Wasserstoffsignaturen nicht isoliert. Bei den betreffenden geochemischen Überlegungen spielen auch ungewöhnlich hohe Verhältnisse von Helium-3 zu Helium-4 eine Rolle. In Kombination passen diese Hinweise nach ihrer Interpretation besser zu einem späteren Beitrag ursprünglicher flüchtiger Bestandteile aus dem Kern. Der Begriff flüchtig bezeichnet hier eine geochemische Stoffgruppe und keinen frei aufsteigenden Gasstrom wie aus einer Leitung. Der angenommene Transport würde unter extremem Druck und hoher Temperatur stattfinden.
Mehrere Messgrößen können eine Erklärung eingrenzen, weil sie nicht auf jeden Prozess gleich reagieren. Eine Hypothese, die Wasserstoff erklärt, aber an einem unabhängigen Heliumbefund scheitert, wäre weniger überzeugend. Trotzdem macht auch eine passende Kombination aus Indizien den Kernursprung nicht zu einer unmittelbar beobachteten Tatsache. Andere Prozesse und ihre jeweiligen Unsicherheiten müssen weiter geprüft werden. Der Fortschritt liegt darin, eine konkrete Alternative rechnerisch zu testen und dadurch den Raum plausibler Erklärungen zu verkleinern.
Dass der Erdkern überhaupt als Wasserstoffreservoir infrage kommt, wird auch durch Hochdruckexperimente gestützt. Ein unabhängiges Team der ETH Zürich untersuchte, wie Wasserstoff während der Kernbildung in metallisches Eisen gelangen kann. Unter extremen Versuchsbedingungen wurde wasserhaltiges Ausgangsmaterial mit Eisen zusammengebracht und erhitzt. Anschließende Analysen erfassten Wasserstoff im metallischen Material. Aus solchen Experimenten lässt sich abschätzen, welche Mengen der junge Kern aufgenommen haben könnte.
Das ist ein anderer Forschungsansatz als die neue Isotopenmodellierung. Die Experimente untersuchen vor allem Aufnahme und Speicherung, während die Modellstudie Hinweise auf einen möglichen späteren Austausch bewertet. Gemeinsam machen sie einen langfristigen Kreislauf denkbar: Wasserstoff gelangt während der frühen Entwicklung in den Kern und beeinflusst später wieder andere Teile des Planeten. Für die genaue Menge und Geschwindigkeit dieses Austauschs liefern die hier betrachteten Befunde jedoch keine einfache globale Zahl. Speicherung und Freisetzung sind eigenständige Fragen.
Wenn in diesem Zusammenhang von Wasser im Erdinneren die Rede ist, kann das leicht ein falsches Bild erzeugen. Wasserstoff muss dort weder als Wasserstoffgas noch als frei bewegliches Wassermolekül vorliegen. Unter extremen Bedingungen kann er in metallischen oder mineralischen Strukturen aufgenommen sein. Ein möglicher Austausch an der Grenze zwischen Kern und Mantel wäre daher kein Leck in einem Hohlraum voller flüssigen Wassers. Ebenso wenig entstehen daraus unmittelbar zugängliche Vorräte für eine technische Nutzung.
Damit eine chemische Signatur später in einem Vulkan auftaucht, muss sie außerdem die Entwicklung des Mantels überstehen. Wie stark die Konvektion im Erdmantel verschiedene Bereiche durchmischt, ist deshalb für die Interpretation wesentlich. Transport, Vermischung und Aufschmelzung können ursprüngliche Signale verändern. Die neue Arbeit beschreibt einen plausibleren Entstehungsweg für bestimmte Spuren, nicht den vollständigen Reiseweg einzelner Wasserstoffatome. Sie erweitert damit das Bild des Erdkerns von einem tiefen Metallreservoir zu einem möglichen langfristigen Teilnehmer am Stoffaustausch der Erde.
Science Advances, Hydrogen isotopes reveal water leakage from the core; doi:10.1126/sciadv.aei4756
Nature Communications, Experimental quantification of hydrogen content in the Earth’s core; doi:10.1038/s41467-026-68821-6
ETH Zurich, The Earth’s core is a huge hidden reservoir of hydrogen
