Wissenschaftler enthüllen die hitzige Vergangenheit Grönlands

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Durch die Kartierung der unter dem Grönland-Eis entweichenden Hitze hat ein NASA Goddard Space Flight Center-Wissenschaftler unser Verständnis der Dynamik, die terrestrische Planeten prägt und formt, geschärft. Das Team untersuchte das Magnetfeld, die Gravitation und andere geologische Informationen auf Hinweise über die Menge und Verteilung von Wärme unter Grönland.

Dr. Yasmina M. Martos, eine auf Planetengeologie spezialisierte Wissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, untersuchte das Magnetfeld, die Gravitation und andere geologische Informationen auf Hinweise über die Menge und Verteilung von Wärme unter Grönland.

Ihre resultierende Hitzekarte enthüllte eine thermische Spur unter Grönland, die die Bewegung eines Kontinents durch die Erdgeschichte aufzeichnet.

Es wird angenommen, dass sich Grönland langsam über einen Mantelplume bewegt hat, eine Quelle großer Hitze, die eine diagonale Narbe von sehr heißem, dichtem Gestein unter der Oberfläche hinterlassen hat, als sich die tektonische Platte verschoben hat. Grönland zog über 100 Millionen Jahre lang von einem südlicheren Breitengrad in Richtung Arktis, als der Superkontinent Pangäa in die heutigen Kontinente zersplitterte. Vielleicht hat der Plume zuvor Island durch zahllose Vulkanausbrüche gebildet – eine sichtbare Spur der Existenz des Mantelplume, im Gegensatz zu Grönlands versteckter Narbe.

“Ich glaube nicht, dass es einen zweiten Ort auf der Erde gibt, an dem eine Plumegeprägte Vergangenheit von einem Stück Kontinent aufgezeichnet wurde und nicht durch Oberflächenprozesse, wie Verwitterung, verändert wurde”, sagte Martos. “Aber hier ist es da, also können wir die Wärme der Region nutzen, um die Geschichte der Region zu verstehen.” 

Diese geodynamischen Spuren von Planeten hilft Wissenschaftlern, ihre Entwicklung zu verstehen. Aber sehr viel unmittelbarer speisen diese Hitze-Informationen die Modelle der Meeresspiegeländerungen hier auf der Erde und helfen Wissenschaftlern, das Verhalten von Eis vorherzusagen. Dies ist besonders wichtig für Landflächen. Grönland ist unter einer dicken Eisschicht begraben und schwer zu erreichen. Mehr als 80 Prozent von Grönland ist mit Eis bedeckt.

Wo Hitze ist, könnte es einen Mantelplume geben

In ihrer neuesten Veröffentlichung haben Martos und ihr Team den geothermischen Wärmefluss bzw. die Rate des Wärmeabflusses unter Grönland kartiert. Ihre Modelle zeigten überraschenderweise regionale Variationen sowie einen Wärmeweg entlang einer besonderen Route von Nordwesten nach Südosten der Insel.

“Wir würden erwarten, dass Grönland ein einheitlicheres Signal für den geothermischen Wärmefluss in seinem Inneren hat, aber das ist nicht der Fall”, sagte Martos, Hauptautoren der Studie.

Wir neigen dazu, die Landmassen der Erde als an Ort und Stelle fixiert zu betrachten, aber in Wirklichkeit sind sie an sich bewegende tektonische Platten gebunden, die ständig ihre Positionen wechseln. In einigen Gebieten rutschen diese tektonischen Platten über einen Mantelplume – eine Aufwallung von Magma aus der Tiefe des Mantels, die eine geologische “Narbe” in der Kruste hinterlassen kann. Jetzt haben eine NASA-Wissenschaftlerin und ihre Kollegen Anomalien im grönländischen Krustenmagnetfeld genutzt, um ihren geothermischen Wärmefluss abzuleiten, so dass sie effektiv unter Grönlands dickem Eisschild und in die Kruste hineinschauen können.
(Video: Das Goddard Space Flight Center der NASA / Dan Gallagher / Ernie Wright)

Das Team um Martos legt nahe, dass die Narbe entstand, als sich die tektonische Platte, die Grönland beinhaltet, über Jahrtausende über einen Mantelplume bewegte, der unterhalb der Lithosphäre aktiv war. Die Lithosphäre ist die äußerste Schicht der Erde; Sie beinhaltet die Kruste und den oberen Teil des Mantels. Dieser Plume ist ein Kanal aus heißem Gestein, der Hunderte von Kilometern unter der Oberfläche beginnt. Er steigt durch den Mantel und erreicht den Boden der Lithosphäre. Die Wärme wird dann durch die Lithosphäre transportiert und verändert ihre chemische Zusammensetzung, die die Kruste eindickt.

Da die nordwestliche Region von Grönland sich früher von dem Plume entfernte, scheint sie in Martos’ Modellen deutlich kühler zu sein als der Südosten. Obwohl sich die südliche Region ebenfalls langsam abkühlt.

“Das Schöne ist, dass die Hitze dort jetzt noch aufgezeichnet werden kann, diese aber in hundert Millionen Jahren nicht mehr nachweisbar sein wird”, sagte Martos.

Eine ähnlicher Plume bildete die hawaiischen Inseln und versorgt zurzeit die Eruptionen des Kilauea. Die hawaiianische Inselkette und die Seamounts, die entstanden, als sich die Pazifische Platte über den Plume in der Mitte des Pazifischen Ozeans bewegte, sind eine sichtbare Darstellung der Art von Narbe, die Martos unter Grönland fand.

Die Hitze unter der Erdoberfläche

Plumes sind eines von mehreren geothermischen Wärmetransportphänomenen auf der Erde; Ihre Zahl ist ungewiss, aber Wissenschaftler glauben, dass es bis zu 20 geben könnte. Ansonsten wird der innere Planet gleichmäßig durch zerfallende radioaktive Elemente in den obersten Schichten der Erde erhitzt. Es gibt auch eine ursprüngliche Wärme, die von der Entstehung unseres Planeten von vor 4,5 Milliarden Jahren und von den Meteoriten, die ihn erschütterten, übriggeblieben ist. Das Team betrachtete diese Wärmequellen, sagte Martos, schloss jedoch ihre Rolle bei der Entstehungsgeschichte der Narbe aus, weil sie ein einheitliches Hitzemuster über Grönland hinweg gebildet hätten.

Ein weiterer Faktor, der die Wärme an einem bestimmten Ort erhöhen kann, ist die tektonische Aktivität. Diese Aktivität beinhaltet das Auseinanderbrechen von Kontinentalplatten, die Raum für wärmere Erdschichten schaffen, um an die Oberfläche zu gelangen – und Vulkanausbrüche. Aber diese Phänomene passten ebenfalls nicht zu den Ergebnissen des Teams, sagte Martos, wenn man bedenkt, dass Grönland ein Kraton oder ein uraltes Stück Kontinent ohne nennenswerte tektonische Ereignisse ist.

Messen von Wärme, ohne die Oberfläche zu berühren

Da Grönland von einer Eisdecke bedeckt ist, die im Zentrum bis zu 3 Kilometer dick ist, ist es fast genauso schwer, physische Proben vom Boden unter dem Eis zu bekommen, wie sie vom Mond zu bekommen. Fernerkundungsdaten bieten praktisch das einzige Fenster zur grönländischen Untergrunddynamik.

Martos’ Team entschloss sich, Magnetfeldinformationen zu untersuchen, die von Magnetometern gesammelt wurden, Instrumenten, die von Flugzeugen transportiert wurden und die Stärke des Magnetfelds der Erde messen. Die Daten zeigten Anomalien im Magnetismus von Gesteinen unterhalb von Grönland.

Der Magnetismus hängt mit der Temperatur zusammen, so dass Steine, die auf bestimmte Temperaturen erhitzt sind, ihren Magnetismus verlieren. Dies geschieht typischerweise tief in der Erde. Da Magnetit das am häufigsten vorkommende magnetische Mineral im unteren Teil der Kruste ist, untersuchten die Forscher ausschließlich dieses Mineral. Magnetit verliert seine ferromagnetischen Eigenschaften oder Magnetismus, wenn es auf 580 Grad Celsius erhitzt wird, ein Punkt, der als Curie-Temperatur bekannt ist. Der Einfluss dieser Temperatur auf Magnetit erlaubte es dem Team, die Basis des Magnetismus in der grönländischen Kruste zu finden. Von dort beobachteten sie die Tiefenvariationen des Ortes der Curie-Temperatur für Magnetit, um die auf der ganzen Insel freigesetzte Wärme abzubilden.

Entlang des Plumepfades fand das Team heraus, dass die Curie-Temperatur näher an der Oberfläche auftrat. Dies bot den Beweis, dass der Mantelplume den Boden der Lithosphäre erhitzt hatte und dass die Hitze immer noch vorhanden war.

Das Team verwendete auch Gravitationsdaten, um die Merkmale der Lithosphäre zu modellieren und den Effekt der Wolke auf die Krustendicke zu bestätigen.

Im zentralen Teil der Insel schätzte das Team geothermische Wärmestromwerte auf 60 bis 70 Milliwatt pro Quadratmeter oder bis zu 50 Prozent höher als die Wärme entweichenden Teile der Insel, die nicht von dem Plume beeinflusst wurden. Dies ist eine kleine Menge; eine 100-Watt-Glühbirne erzeugt im Vergleich dazu drei Größenordnungen – oder 1.000 Mal – mehr Wärme.

Dennoch, so Martos und ihre Co-Autoren, kann die Hitze, die sie gefunden haben, Eis an der Basis des grönländischen Eisschildes schmelzen. Es trägt jedoch nicht zum beschleunigten Abschmelzen der grönländischen Gletscher bei. Da die Erdwärme über so große Zeiträume – in Millionen von Jahren – abfällt, hat sich der Wärmestrom wahrscheinlich nicht verändert, seit sich das Eis vor etwa 3 Millionen Jahren vollständig auf Grönland gebildet hat.

Die Modellierungswerkzeuge von Martos werden Wissenschaftlern helfen, die Auswirkungen der unterirdischen Wärmeflüsse auf Dinge wie Schmelze oder Brüche an der Basis von Eisschilden und Gletschern auf der Erde besser zu verstehen. Es wird ihnen auch helfen, abgelegene Orte auf der Erde und andere felsige Körper in unserem Sonnensystem zu untersuchen.

Veröffentlichung: Yasmina M. Martos Tom A. Jordan Manuel Catalan Thomas M. Jordan Jonathan L. Bamber David G. Vaughan. Geothermal heat flux reveals the Iceland hotspot track underneath Greenland. Geophysical Research Letters, 2018 DOI: 10.1029/2018GL078289

Quelle: off. Pm des NASA Goddard Space Flight Center

Titelbildunterschrift: Dies ist eine Visualisierung der Kontinentalplatten um Grönland. (Ill: NASAs Goddard Space Flight Center)

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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.