Erdinnere Wärme: Hitze im Erdinnern aus Restwärme der Entstehungszeit und radioaktiven Zerfallsprozessen

Der Wärmefluss vom Erdinneren zur Oberfläche wird auf 47 Terawatt (TW) geschätzt und stammt aus zwei Hauptquellen in etwa gleichen Mengen:

• radiogene Wärme, die durch radioaktiven Zerfall von Isotopen im Erdmantel und in der Erdkruste entsteht
• Primärwärme, die mit der Bildung der Erde verbunden ist.

Obwohl der gesamte innere Wärmefluss der Erde zur Oberfläche gut gemessen ist, ist der relative Beitrag der beiden Hauptwärmequellen der Erde sehr ungewiss, da sie nicht unabhängig gemessen werden können. Chemische und physikalische Modelle bieten Auslegungsbereiche von

• 15–41 TW für radiogene Wärme
• 12–30 TW für Primärwärme.

Trotz ihrer geologischen Bedeutung machen diese aus den Eingeweiden der Erde stammende Wärmeenergien nur 0,03 % der Gesamtenergiebilanz der Erde auf der Oberfläche aus. Den weit überwiegenden Anteil hat hier die einfallende Sonnenstrahlung mit einem gesamten Wärmefluss von 173.000 TW; für interne Erdprozesse ist die Sonneneinstrahlung jedoch nur minimal relevant, da sie – wenn sie überhaupt die Erdoberfläche erreicht und nicht vorher reflektiert wird – im täglichen Zyklus nur einige zehn Zentimeter und im jährlichen Zyklus nur einige zehn Meter in die Erde eindringt.

 

Der radioaktive Zerfall von Elementen im Erdmantel und in der Erdkruste führt zur Bildung von Tochterisotopen und zur Freisetzung von Geoneutrino- und Wärmeenergie oder radiogener Wärme.

Vier radioaktive Isotope sind aufgrund ihrer Anreicherung im Vergleich zu anderen radioaktiven Isotopen für den größten Teil der radiogenen Wärme verantwortlich:

• Uran-238 (²³⁸U)
• Uran-235 (²³⁵U)
• Thorium-232 (²³²Th)
• Kalium-40 (⁴⁰K).

Geoneutrino-Detektoren können den Zerfall von ²³⁸U und ²³²Th erfassen und so deren Beitrag zum Budget der radiogenen Wärme abschätzen, während ²³⁵U und ⁴⁰K auf diese Weise nicht erfasst werden.

Eine Analyse der Ergebnisse der Messung der Geoneutrinos ergab jedoch eine Schätzung, dass die Hälfte der gesamten internen Wärme der Erde radiogen ist, was mit früheren Schätzungen übereinstimmt.

Aufgrund des Mangels an Gesteinsproben aus Tiefen größer als 200 km ist es schwierig, die radiogene Wärme im gesamten Mantel genau zu bestimmen. Für die Schichten unter dem Mantel, d. h. im Erdkern, zeigen geochemische Studien, dass aufgrund der hier vermuteten geringen Konzentration radioaktiver Elemente radiogene Wärme wohl keine signifikante Rolle spielt.

Die Erzeugung von radiogener Wärme im Erdmantel ist auch mit der Struktur der Mantelkonvektion verbunden, über die viel diskutiert wird. Es wird angenommen, dass der Mantel eine Schichtstruktur mit einer höheren Konzentration an radioaktiven Elementen im unteren Mantel aufweisen kann, oder dass kleine Bereiche, die mit radioaktiven Elementen angereichert sind, im gesamten Mantel verteilt sind.

 

Die ursprüngliche Formation des dichten Erdkerns führte zu Überhitzung und schnellem Wärmeverlust. Nachdem der Mantel ausgehärtet war, hat sich der Wärmeverlust verlangsamt.

Der Wärmefluss aus dem Kern reicht zurzeit aus, um den konvektiven äußeren Kern sowie die Geodynamik und das Magnetfeld der Erde aufrechtzuerhalten.