8 Minuten
Tief unter der Antarktis verändert sich etwas, und das Ergebnis wirkt fast poetisch: eine subtile Delle im Gravitationsfeld der Erde vertieft sich über Zehnmillionen von Jahren allmählich. Man spürt sie nicht unter den Füßen. Man sieht sie nicht aus einem Flugzeug. Doch wenn Geophysiker das Schwerefeld der Erde – das Geoid – kartieren, fällt diese Region als eine der dauerhaftesten Vertiefungen auf. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Senke stärker wird, während langsam fließende Mantelprozesse den Planeten von innen umgestalten.
Die verborgenen Formen der Erde lesen
Das Geoid ist eine abstrakte Fläche: stellen Sie sich den globalen mittleren Meeresspiegel vor, ausgebreitet über die Kontinente. Es folgt der Gravitation, nicht der Topographie, und spiegelt damit Massenanomalien unter der Kruste wider – Bereiche, in denen dichtere oder leichtere Gesteine an der Oberfläche etwas stärker oder schwächer ziehen. Die Unterschiede sind im Alltag winzig (eine Badezimmerwaage könnte um wenige Gramm schwanken), doch für Geowissenschaftler sind sie ein mächtiges Diagnosewerkzeug, um zu verstehen, was Mantel und tiefe Lithosphäre tun. Wichtige Suchbegriffe in diesem Zusammenhang sind Geoid, Mantelkonvektion, Manteldynamik und seismische Tomographie.
Alessandro Forte von der University of Florida und Petar Glišović vom Institut de Physique du Globe de Paris näherten sich dem Problem mit zwei sich ergänzenden Werkzeugen. Zuerst nutzten sie seismische Tomographie – die Art und Weise, wie Erdbebenwellen sich beschleunigen oder verlangsamen, wenn sie durch unterschiedliche Materialien laufen – um ein dreidimensionales Dichte-Modell des Erdmantels unter der Antarktis zu erstellen. Man kann sich das als CT-Scan des Planeten vorstellen, bei dem Erdbeben die Leuchtröhren liefern. Anschließend integrierten sie dieses Dichte-Modell in physikbasierte Simulationen von Mantelströmungen und Gravitation, um das Geoid über lange Zeiträume hinweg zu rekonstruieren und die Entwicklung durch tiefenzeitliche Perspektiven nachzuzeichnen.
Diese Kombination aus seismischer Bildgebung und numerischer Modellierung stellt eine robuste Methodik dar: die seismischen Geschwindigkeitsanomalien liefern Hinweise auf Temperatur- und Kompositionsunterschiede, die sich in Dichteunterschieden niederschlagen. Die Modelle übersetzen diese Dichtefelder in ein vorhergesagtes Gravitätssignal und erlauben so eine direkte Gegenprüfung mit Satellitendaten. Wichtige Begriffe hierzu sind Dichtemodell, seismische Geschwindigkeitsanomalien und physikalische Mantelsimulationen.
Die Ergebnisse stimmen bemerkenswert gut mit zeitgenössischer Satellitengravimetrie überein. Dieses Übereinstimmen stärkt das Vertrauen der Forschenden, dass ihr Modell die wesentliche Anatomie der antarktischen Geoid-Senke erfasst. Von diesem Ausgangspunkt aus führten sie eine geodynamische Rückspulung durch: Sie ließen das Mantelflussmodell rückwärts laufen, um zu untersuchen, wie sich die Schwerevertiefung seit dem frühen Känozoikum, grob vor 70 Millionen Jahren, entwickelt hat, und ließen das Modell anschließend vorwärts laufen, um zu prüfen, ob es wieder das gegenwärtige Geoid reproduziert.
Wie sich eine Geoid-Senke bildet und warum sie wichtig ist
Das Bild, das sich ergibt, ist das einer allmählichen Transformation über geologische Zeiträume. Eine gravitative Vertiefung in der Nähe der Antarktis besteht seit mindestens 70 Millionen Jahren, doch Form und Intensität veränderten sich deutlich vor etwa 50 Millionen Jahren. Laut den Simulationen haben flächige, teppichartige Subduktionsplatten der ozeanischen Lithosphäre unter und um die Antarktis abgesunken und sind in den Mantel versunken. Diese dichten, sinkenden Platten veränderten die Massenverteilung im tiefen Mantel und erzeugten eine beständige Geoid-Senke an der Oberfläche.
Parallel dazu stieg ein breiter Gürtel von heißem, auftriebsfähigem Mantelmaterial unter der Region auf, das in den letzten rund 40 Millionen Jahren langsam an Einfluss gewann und die Geoid-Senke weiter verstärkte. Das Modell reproduziert außerdem Aufzeichnungen des sogenannten True Polar Wander – der langsamen Neuausrichtung der Erdrotationsachse relativ zur starren Erde – und liefert damit eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung. Indem es sowohl mit Satellitengravimetrie als auch mit paläorotationalen Daten übereinstimmt, verknüpft die Studie Mantelkonvektion mit an der Oberfläche messbaren Phänomenen in einer kohärenten Weise.
Technisch gesehen hängt die Bildung einer Geoid-Senke von mehreren Faktoren ab: der Dichte der subduzierten Platten, deren Versenkungstiefe und -geometrie, der Viskosität des Mantels, sowie von lokalen thermischen Auftriebszonen (Plumes oder breitflächigen Aufwölbungen). Die Subduktion dichter ozeanischer Lithosphäre erhöht lokal die Massenkonzentration in der Tiefe und verursacht so einen negativen Beitrag zum Geoid. Umgekehrt führen aufsteigendes, heißes Mantelmaterial und lithosphärische Verdünnung zu positiven Anomalien. Die zeitliche Überlagerung dieser Prozesse bestimmt letztlich das beobachtete Geoid-Signal.
Warum sollte eine kaum wahrnehmbare Schwere-Delle unter antarktischem Eis von Interesse sein? Weil das Geoid die Form der Meeresoberfläche kontrolliert. Wo das Geoid niedriger liegt, neigt auch die Ozeanoberfläche dazu, lokal niedriger zu stehen. Daraus ergibt sich eine interessante Möglichkeit: Ein absinkendes Geoid in der Nähe der Antarktis könnte den Meeresspiegel lokal gesenkt haben und dadurch Küsten- und Anlandeinstellungsbedingungen beeinflusst haben – gerade in einer kritischen Phase der Erdklimageschichte. Das Timing stimmt mit großen Schritten in der antarktischen Vergletscherung überein: Eisschilde begannen sich vor rund 34 Millionen Jahren deutlich auszubreiten. Zwar ist Kausalität noch nicht bewiesen, doch die Verbindung ist plausibel und verdient gezielte Tests.
Diese Forschung zeigt, dass die langsame Choreographie von Subduktionsplatten und auftriebenden Mantelzonen Spuren im Meeresspiegel und im Verhalten von Eisschilden hinterlassen kann, selbst wenn die Effekte subtil sind und sich über Zehnmillionen von Jahren entfalten.
Implikationen, Werkzeuge und zukünftige Forschungsrichtungen
Die Studie unterstreicht den Wert der Integration seismischer Bildgebung, Satelliten-Gravimetrie und physikbasierter Mantelmodellierung. Satellitenmissionen wie GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), GRACE Follow-On und künftige Schwerefeldmissionen haben unsere Fähigkeit revolutioniert, das Schwerefeld der Erde detailliert zu kartieren. Seismische Netzwerke liefern die komplementäre Innenperspektive. Zusammen ermöglichen sie es Forschern zu testen, ob die aus seismischen Geschwindigkeitsanomalien abgeleiteten tiefen Erdprozesse auch das beobachtbare Gravitätsignal und die historische Polbewegung vorhersagen, die in Gesteinen und Sedimenten aufgezeichnet sind. Relevante Fachbegriffe sind Satelliten-Schwerefeldmessung, GRACE-Daten, seismische Netzwerke und Mantel-Forward- und Reverse-Modeling.
Für Glaziologen und Meeresspiegelwissenschaftler sind die Schlussfolgerungen zweigeteilt. Erstens sind geoidbedingte Veränderungen ein nicht zu vernachlässigender Bestandteil der langfristigen regionalen Meeresspiegelgeschichte und müssen neben klimatisch getriebenen Faktoren wie Eisschmelze, thermischer Ausdehnung und Ozeanzirkulation berücksichtigt werden. Zweitens, weil Mantelströmungen auf Millionen-Jahre-Zeitskalen operieren, ist ihr Einfluss besonders relevant für geologische und tiefzeithistorische Klimastudien – allerdings können sie auch Modelle zur Stabilität von Eisschilden informieren, indem sie die grundsätzlichen Randbedingungen verändern, an denen Eisdynamikmodelle ansetzen.
Methodisch bedeutet dies: gekoppelte Modelle, die Manteldynamik, Geoidvariation, isostatische Reaktionen und Eisschildrückkopplung berücksichtigen, sind notwendig, um robuste Szenarien für die Wechselwirkung zwischen tiefer Geodynamik und Oberflächenprozessen zu entwickeln. Ferner sollten interdisziplinäre Datensynthesen – die Kombination von seismischen Tomographien, Gravimetrie, Paläomarinen Ablagerungen, eiszeitlichen Grundlinienrekonstruktionen und isotopenbasierter Altersbestimmung – Vorrang haben.
Zukünftige Arbeiten müssen Zeitrahmen und Mechanismen präziser fassen. Können hochauflösende Mantelmodelle und verbesserte seismische Datensätze genau bestimmen, wann und wo das Geoid am schnellsten verschoben wurde? Können Sediment- und Paläoküstenlinienaufzeichnungen rund um die Antarktis lokale Meeresspiegelabsenkungen bestätigen, die durch geoidbedingte Effekte vorhergesagt werden? Dies sind überprüfbare Fragen. Die technischen Werkzeuge existieren: ein dichtes seismisches Netzwerk, genaue Satelliten-Schwerefeldmessungen, verbesserte numerische Methoden für viskoelastische Mantelmodelle und interdisziplinäre Datenbanksysteme, die geologische Archive systematisch integrieren.
Praktische nächste Schritte umfassen:
- Erweiterte seismische Datenerfassung in der südlichen Hemisphäre, insbesondere in bislang unterversorgten Sektoren der Antarktis und angrenzender Ozeanbecken, um die Auflösung der Tomographien zu erhöhen.
- Feinere Modellierung der Plattengeometrie während kritischer Intervalle (z. B. vor 50–30 Millionen Jahren), um Subduktionswinkel, Plate-Buoyancy und Absenkungsraten besser zu quantifizieren.
- Integration paläogeografischer Rekonstruktionen mit Geoid-Rekonstruktionen, um mögliche Korrelationen zwischen Geoid-Senkungen und lokalem Meeresspiegelverlauf zu testen.
- Vergleich von Modellvorhersagen mit geologisch-proxybasierten Meeresspiegelevidenzen wie Korallen, marinen Sedimenten und Konglomeraten, die paläoküstennahe Bedingungen dokumentieren.
Die Kombination aus verbesserten Daten und verfeinerten Modellen kann die Hypothese, dass tiefe Erdprozesse die Küstenverhältnisse und die Eisschilddynamik beeinflussen, substantiell stärken oder widerlegen. Damit würde sich das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Lithosphäre, Mantel und Oberfläche deutlich vertiefen.
Expert Insight
„Was ich am überzeugendsten finde“, sagt Dr. Lina Moreno, eine auf Geodynamik spezialisierte Forscherin, die nicht an der Studie beteiligt war, „ist die kausale Kette, die die Autoren vorschlagen: Plattensubduktion, Umordnung des Mantels, Geoidmodifikation und dann mögliche Auswirkungen auf lokale Meeresspiegel und das Verhalten von Eisschilden. Jede Verbindung trägt Unsicherheit, aber die Methodik verknüpft Beobachtungen und Theorie auf eine überzeugende Weise. Sie erinnert uns daran, dass der feste Erdkörper ein langsamer, aber aktiver Partner im Klimasystem der Erde ist.“
Klein im Erscheinungsbild, groß in den Konsequenzen: Das antarktische Gravitationsloch ist eine Mahnung, dass das Innere der Erde in Bewegung ist und seine Bewegungen wellenartig über Ozeane und Eis hinwegreichen. Viele Fragen bleiben offen – je tiefer man blickt, desto mehr beginnt der Planetinneraum die Oberflächengeschichten zu erklären, die wir zu lesen versuchen. Für Fachleute in den Bereichen Geophysik, Paläoklimatologie, Glaziologie und Meeresforschung bieten diese Erkenntnisse einen neuen Bezugsrahmen, um die komplexen Interaktionen zwischen tiefer Geodynamik und Oberflächenprozessen zu untersuchen.
Quelle: sciencealert
Kommentar hinterlassen