Mantelkonvektion

Als Mantelkonvektion bezeichnet man langsam ablaufende Umwälzungen (sogenannte Konvektionsströme) des festen Erdmantel. Mantelkonvektion ist eine spezielle Form der Konvektion.

Geschichte

Das Konzept der Mantelkonvektion entwickelte sich seit Anfang des 20. Jahrhunderts aus Vorstellung von Magmaströmen und magmatischen Masseverlagerungen unterhalb der festen Erdkruste, zunächst zur Erklärung der Geologie von Faltengebirgen, wie den Alpen, dann auch weiterer geotektonischer Großformen, wie Tiefseerinnen und regionaler, vulkanischer Spaltensysteme.

Energiequellen

Mantelkonvektion ist ein Wärmetransport-Mechanismus, bei dem ständig an der Erdoberfläche abgekühltes und damit dichteres Material durch Gravitation zum etwa 5400 °C heißen Erdkern hin absinkt (Subduktion). Zum Ausgleich wird heißes und damit weniger dichtes Material von der Kern-Mantel-Grenze nach oben bis zur Erdkruste aufgetrieben. Die Dauer eines Umlaufes beträgt bei einer vermuteten Geschwindigkeit von 5 cm pro Jahr etwa 240 Millionen Jahre. Weil die Mantelkonvektion den Erdkern durch natürliche Konvektion kühlt, muss dieser Wärmequellen besitzen, die unterhalb des festen, aber fließfähigen Erdmantels – also in der Umgebung oder innerhalb des Erdkerns – liegen:

• ein geringer Teil kann noch aus der Frühzeit der Erdentstehung stammen, was derzeit umstritten ist: gravitative Kompression, Aufprallenergie von Asteroiden und Meteoriten, Freisetzung potenzieller Energie bei Bildung des Erdkerns und Zerfall kurzlebiger radioaktiver Elemente.
• der größere Teil, vermutlich 80%, entstand durch den Zerfall langlebiger radioaktiver Elemente (²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th und ⁴⁰K) im Erdmantel bzw. entsteht wahrscheinlich heute noch durch den Zerfall von Kalium 40 im Erdkern.
• Vermutungen zufolge wird auch Kristallisationsenthalpie freigesetzt, wenn flüssiges Material an der Oberfläche des festen inneren Erdkerns kristallisiert. Da dies aber mit einer Schrumpfung des Erdkerns einhergeht, trägt mindestens die gravitative Bindungsenergie zum konvektiven Energietransport Richtung Erdmantel und damit auch zum "Antrieb" des Geodynamos bei.

Mantelkonvektion ist somit eine thermische Konvektion, bei der die Heizung von unten durch den Erdkern erfolgt, der dadurch gekühlt wird. Eine Heizung durch mittransportiertes radioaktives Material ist insofern irrelevant, als dieses keine Dichteunterschiede der auf- und absteigenden Massenströme erzeugen kann. Andererseits hängt die Viskosität des Erdmantels (bei gleicher Tiefe) von der Temperatur ab, denn je zähflüssiger das Fluid, desto mehr konkurriert die Konduktion zulasten des Wärmestroms. Insgesamt transportiert die Mantel-Konvektion einen Wärmestrom von 3,5×10¹³ W (entsprechend 35 TW).