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Prof. Dr. Hans Keppler - Gottfried Wilhelm Leibniz-Preisträger 2001

Lebenslauf

Geboren 1962 in Hockenheim in Baden

1980 - 1988 Studium der Mineralogie und Chemie an der Universität Karlsruhe (Promotion 1988) 

1988 - 1990 Research Fellow in Geology am Califonia Institute of Technology, Pasadena, Kalifornien, USA

1990 - 2000 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bayerischen Geoinstitut, Universität Bayreuth (ab 1994 als Privatdozent)

seit April 2000 Professor für Allgemeine und Physikalisch-Chemische Mineralogie an der Universität Tübingen

  

Stipendien und Preise 

1983 Staatspreis der Fakultät für Bio- und Geowissenschaften der Universität Karlsruhe

1981 - 1988 Stipendium der Studienstiftung

1988 - 1990 NATO-Forschungsstipendium

1992 Heinz-Maier-Leibnitz-Preis des Bundesministeriums für Bildung und Wissenschaft für Physik und Chemie des tiefen Erdinnern

1995 Gerhard-Hess-Preis der DFG

1996 Victor-Moritz-Goldschmidt-Preis der Deutschen Mineralogischen Gesellschaft

1999 Heisenberg-Stipendium der DFG

American Mineralogist Citation for Excellence in Editing

Forschungsschwerpunkte

Das Hauptarbeitsgebiet von Hans Keppler ist die experimentelle Simulierung von Prozessen im Erdinnern oder in vergangenen Perioden der Erdgeschichte. Hierzu dienen in der Regel Experimente bei extrem hohen Drücken und Temperaturen. Normalerweise werden bei derartigen Experimenten Proben am Ende des Versuchs sehr schnell auf Raumtemperatur abgeschreckt und dann bei Raumtemperatur und Normaldruck untersucht. Eine Spezialität der Arbeitsgruppe von Hans Keppler ist die Entwicklung von Meßmethoden, mit deren Hilfe die Eigenschaften und die Struktur von Proben direkt während eines Experimentes studiert werden können. Auf diese Weise lassen sich auch sehr reaktive Systeme untersuchen, die nicht auf Raumtemperatur abgeschreckt werden können. Unter anderem konnte auf diese Weise gezeigt werden, daß Silikatschmelzen (Magmen) und Wasser sich im Erdmantel vollständig miteinander mischen können (Shen und Keppler 1997, Nature 385: 710).

Entstehung des Erdkerns

Die Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren durch Zusammenballung von Material, wie man es heute noch in sogenannten chondritischen Meteoriten finden kann. Diese Meteoriten bestehen aus einer Silikatphase und Eisen-Nickel-Metall. Bei der Zusammenballung dieses Materials wird eine große Menge an Gravitationsenergie frei, die zusammen mit radioaktiver Zerfallswärme zu einem teilweisen Aufschmelzen der Erde führt. Hierbei sinkt dann das schwerere Eisen-Nickel-Metall zum Kern hin ab. Hierdurch wird nochmals Gravitationsenergie frei, wodurch sich die Temperatur der Erde nochmals um etwa 1000 Grad Celsius erhöht. Diese Kernbildung ist daher ein katastrophales Ereignis zum Beginn der Erdgeschichte, die zu einem völligen Aufschmelzen des Planeten Erde geführt hat. Dieses Modell der Erdentstehung ist in der Vergangenheit angezweifelt worden, da die Häufigkeit bestimmter Elemente im Erdmantel nicht dem Wert entspricht, den man erwarten würde, wenn sich eine Silikatschmelze (d.h. der geschmolzene Erdmantel) im Gleichgewicht mit einer Metallschmelze (dem geschmolzenen Kern) befindet. Keppler und Rubie (1993, Nature 364: 54) konnten zeigen, daß dieses Problem verschwindet, wenn man den Einfluß des Druckes auf das chemische Gleichgewicht zwischen Mantel und Kern in 2900 km Tiefe berücksichtigt. Diese Vorhersage ist mittlerweile durch zahlreiche neuere Untersuchungen bestätigt worden.

Entstehung der Erdkruste

Die kontinentale Erdkruste wurde gebildet durch Teilschmelzen aus dem bereits weitgehend abgekühlten und verfestigten Erdmantel. Dieses Teilschmelzen wird ausgelöst durch Wasser, welches durch abtauchende Krustenplatten in den Mantel transportiert wird. Keppler (1996, Nature 380: 237) konnte zeigen, daß die Zusammensetzung der Erdkruste weitgehend kontrolliert wird durch den Transport von chemischen Elementen in diesen wasserreichen Fluidphasen, die letztlich in Schmelzen gelöst und zur Erdoberfläche transportiert werden.

Austausch von Wasser zwischen Erdmantel und Hydrosphäre

Die Ozeane auf der Erdoberfläche sind letztlich entstanden durch die Entgasung des Erdinnern. Bis vor kurzem wurde allgemein angenommen, daß der Erdmantel nahezu wasserfrei ist. Experimentelle Untersuchungen, unter anderem von Bolfan-Casanova, Keppler und Rubie (2000, Earth and Planetary Science Letters 182: 209) zeigen jedoch, daß insbesondere in der Übergangszone des Erdmantels, einer dünnen Schicht zwischen dem oberen und unteren Erdmantel, eine große Menge an Wasser gespeichert sein muß. Diese Wassermenge entspricht etwa 40 % des gesamten Ozeanvolumens. Über geologisch lange Zeiten erfolgt ein Wasseraustausch zwischen den Ozeanen und diesem Reservoir im Erdinnern, der mit verantwortlich ist für langsame Schwankungen des Meeresspiegels in der geologischen Vergangenheit.

Vulkaneruptionen und Klima

Die Injektion von Schwefeldioxid in die Stratosphäre bei großen vulkanischen Eruptionen verursacht oft eine globalen Abkühlung. Schwefeldioxid wird in der Stratosphäre zu Sulfat aufoxidiert; die sich bildenden Sulfat-Aerosole sind extrem stabil und können monate- oder jahrelang in der Stratosphäre bleiben, wo sie zu einer erhöhten Reflektion von Sonnenstrahlung führen. Bei fast allen größeren Vulkaneruptionen in der jüngeren Vergangenheit wurde festgestellt, daß die freigesetzte Menge an Schwefel viel größer ist als der gesamte Schwefelgehalt, der ursprünglich in der ausgeworfenen Lava enthalten war. Die Gründe für diesen "Schwefelüberschuß" waren lange Zeit mysteriös. Dieses Problem konnte durch Experimente gelöst werden (Keppler 1999, Science 284: 1652). Hierzu wurden die Verhältnisse in der Magmenkammer in mehreren Kilometern Tiefe unterhalb eines Vulkans im Labor simuliert. Diese Magmenkammern haben in der Natur oft Dimensionen von mehreren Kubikkilometern; sie enthalten weitaus mehr Lava, als bei einer Eruption normalerweise an die Erdoberfläche transportiert wird. Es konnte im Experiment gezeigt werden, daß diese Magmenkammern vor der Eruption oft kleine Anteile von hochverdichtetem Wasserdampf enthalten. In diesem Wasserdampf wird Schwefel bei hoher Temperatur und Druck extrem stark angereichert, so daß riesige Mengen von Schwefel in der Dampfphase konzentriert werden können. Bei der Eruption wird dann diese Gasphase explosionsartig freigesetzt, wodurch gigantische Mengen von Schwefeldioxid in die Stratosphäre injiziert werden.