Gliederung
1 Einführung – Historische Erforschung des Erdinneren
2 Innerer Aufbau der Erde – Schalensystem
2.1 Kruste
2.2 Mantel
2.3 Kern
3 Aktuelle Relevanz des Themengebietes
3.1 Aktuelles Forschungsprojekt: Experiment „GeoFlow“ auf der ISS
3.2 Aktuelles Forschungsprojekt: Untersuchung des Erdmantels im Bereich der Antarktis
4 Fazit
1 Einführung – Historische Erforschung des Erdinneren
Die Erforschung des Erdinneren ist auch heute noch ein aktuelles Forschungsthema. Zwar ist der grundlegende Aufbau der Erde bereits bekannt, bei den Prozessen zwischen den Schichten und der genauen Zusammensetzung des Gesteins werden aber noch neue Erkenntnisse erzielt. Als einer der ersten Wissenschaftler beschäftigte sich Emil Wiechert mit der Zusammensetzung der Erde. Er stellte sich die Frage warum die Erde ein so hohes Gewicht besitzt (Grotzinger & Jordan 2017: 10). Bei seinen Überlegungen stellte er die Hypothese auf, dass während der Entwicklung des Planeten Eisen und Nickel in die Erdmitte gesunken sind und dadurch ein massiver Erdkern entstand, der von Silikatgestein umgeben ist. Bereits im Jahr 1897 stellte, der damals an der Universität Göttingen beschäftigte Forscher, dieses Erdmodell mit einem 2 Schalen – System vor (Schröder 1982: 381). Als Nebengedanke seiner Hypothese erklärte er sich auch die Entstehung von Nickel – Eisen – Meteoriten, die auf die Erde gelangten. Durch seine Erkenntnisse in Bezug auf die Erde, lag die Schlussfolgerung nahe, dass die Meteoriten Bruchstücke von ehemaligen Planetenkernen sein müssen (Grotzinger & Jordan 2017: 10). Die aufgestellte Hypothese überprüfte Wiechert in den folgenden Jahren mit Hilfe von Seismographen, die Erdbebenwellen aufzeichnen. Diese Technik wird auch heute noch genutzt, um das Erdinnere zu erforschen. Durch den Verlauf der seismischen Wellen können Rückschlüsse auf die Aggregatzustände und die Zusammensetzung der Erdschichten gemacht werden, da sich die Wellen in verschiedenen Schichten unterschiedlich schnell ausbreiten. Mit Hilfe dieser Vorgehensweise haben wir in der gegenwärtigen Zeit eine gute Vorstellung vom Aufbau der Erde erlangt, obwohl wir erst, einen Bruchteil des Erdinneren durch Bohrungen erreichen konnten. In dem Folgendem Kapitel wird genauer auf die einzelnen Schichten der Erde eingehen.
2 Innerer Aufbau der Erde – Schalensystem
2.1 Kruste
Die Kruste ist der äußerste Teil der Erde. Diese Schicht macht nur 6 – 80 km des Erdinneren aus (Bahlburg & Breitkreuz: 4). Dabei wird grundsätzlich zwischen zwei Arten der Kruste unterschieden. Die ozeanische und die kontinentale Kruste. Die ozeanische Kruste, die eine deutlich geringere Mächtigkeit besitzt als die Kontinentale, wird an dem mittelozeanischen Rücken ständig neu gebildet und sinkt in einem geologisch gesehenen kurzen Zeitraum relativ schnell wieder unter die kontinentale Kruste ab. Zu diesem Phänomen trägt auch der Dichteunterschied zwischen den Krustenarten bei. Die kontinentale Kruste besitzt eine Dichte von 2,8 g/cm³ und hat damit eine geringere Dichte als die ozeanische Kruste mit 3,0 g/cm³ (Grotzinger & Jordan 2017: 12). Die kontinentale Kruste überragt also die ozeanische Kruste. Dies liegt vor allem an den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Kruste. Im Mittel besteht die Erdkruste aus 46 % Sauerstoff, 28 % Silicium, 8 % Aluminium, 6 % Eisen, 4 % Magnesium, 2,4 % Calcium und 6 % Restelementen (Grotzinger & Jordan 2017: 13). Die Grenze zur nächsten Schicht der Erde, dem Erdmantel, beschreibt die Mohorovičić – Diskontinuität, die von dem Geophysiker Andrija Mohorovičić im Jahr 1910 entdeckt wurde. Er erkannte, dass sich dort eine Grenze befinden muss, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Erdbebenwellen sich deutlich änderte. Daraus folgerte er auch, dass eine Änderung der Gesteinszusammensetzung vorliegen muss (Jarchow & Thompson: 480).
2.2 Mantel
Der Mantel der Erde reicht bis 2886 km Tiefe (Bahlburg & Breitkreuz: 4). Dieser kann eingeteilt werden in einen oberen und unteren Mantel. Der obere Teil und untere Teil des Mantels unterscheiden sich vor allem in ihrer Dichte. Dies liegt nicht an der chemischen Zusammensetzung des Gesteins, diese ist im Mantel weitgehend überall gleich, sondern an dem mit der Tiefe zunehmenden Druck. Die größten Veränderungen der Dichte befinden sich in 410 und 660 km Tiefe (Grotzinger & Jordan 2017: 12). Da der obere Mantel plastisch ist und eine höhere Dichte hat als die Erdkruste besitzt, schwimmt die feste Erdkruste auf dieser Schicht. Der Mantel besteht aus 44 % Sauerstoff, 22,8 % Magnesium, 21 % Silicium, 6,3 % Eisen, 2,5 % Calcium und 2,4 % Aluminium (Grotzinger & Jordan 2017: 13).
2.3 Erdkern
Der Erdkern reicht bis 6371 km Tiefe und ist damit der innerste Teil der Erde (Harms 2014). Dieser Teil der Erde kann wie der Mantel in zwei Teile aufgeteilt werden. Der äußere Kern, der bis zu 5156 km Tiefe reicht, ist liquide und besteht aus 85 % Eisen, 5 % Nickel, 5 % Schwefel und 5 % Sauerstoff. Im Gegensatz zum äußeren Kern ist der Innere fest und besteht nur aus Eisen und Nickel: 94 % Eisen und 6 % Nickel (Grotzinger & Jordan 2017: 13). Eine wichtige Funktion des Erdkerns ist der Wärmeaustausch mit den darüber liegenden Schichten. Außerdem sind die Konvektionsbewegungen im flüssigen äußeren Erdkern die Ursache für die Entstehung des Magnetfelds der Erde (Untiedt 1973: 145).
3 Aktuelle Relevanz des Themas
Die aktuelle Relevanz des Themas zeigen die folgenden zwei Forschungsprojekte.
3.1 „GeoFlow“
„GeoFlow“ soll geophysikalische Bewegungen in Inneren der Erde anhand von Flüssigkeiten simulieren, über die bis jetzt wenig bekannt sind. Geleitet wird dieses Forschungsprojekt von einer deutsch – französich – britischen Forschungsgruppe unter Leitung von Professor Christoph Egbers, der an der Uni Cottbus tätig ist. Eine Besonderheit dieses Experiments ist, dass es auf der Internationalen Raumstation durchgeführt wird. Die dort herrschende Schwerelosigkeit macht es möglich, diese Strömungsbewegungen zu simulieren, da die Erdanziehung an der Erdoberfläche umgangen wird. Das Experiment besteht aus einem Modell des Erdaufbaus und simuliert sowohl Strömungsbewegungen als auch die Hitzeverteilung im Erdinneren, umso neue Erkenntnisse über diese zu erlangen (Esa (Hg.)). In modifizierter Form könnte dieser Aufbau auch auf andere Planeten unseres Sonnensystems angewendet werden, um mehr über den Aufbau dieser Planeten zu erfahren (Zaussinger et al 2020: 1).
3.2 „Seismic Structure of the Antarctic Upper Mantle Imaged with Adjoint Tomography“
Bei diesem Forschungsprojekt wurden der obere Mantel und die Übergangszone der Antarktis genauer erforscht. Der Untergrund der Antarktis ist einer der schlechtesten abgebildeten Regionen der Erde (Lloyd et al. 2020). Gerade im Hinblick auf die Stabilität und das Schmelzen des Eisschilds der Antarktis erhofft man sich durch einen besser abgebildeten Untergrund neue Erkenntnisse. Bei dem Projekt nutzten die Forscher rund 320 seismische Stationen und nahmen mit Hilfe dieser die Daten von 270 Erdbeben auf. Das aus diesen Daten neu erstellte Modell des Untergrunds der Antarktis ist deutlich detaillierter und es wurden neue Erkenntnisse über die Struktur der Antarktis erlangt. Zum Beispiel können durch die Ergebnisse Rückschlüsse auf das Alter der Lithosphäre geschlossen werden und die Mächtigkeit der Lithosphäre bestimmt werden (Lloyd et al. 2020).
4 Fazit
Das Themenkonzept zeigt also, dass wir bereits einen guten Einblick in den Aufbau des Erdinneren haben, trotz der eigentlichen natürlichen Unerreichbarkeit des Erdinneren. Die Erfindung des Seismographen und die Auswertung dieser Daten spielten dabei eine wesentliche Rolle. Allerdings wird auch heute noch viel in diesem Themengebiet geforscht, um zum Beispiel mehr über die Strömungsbewegungen im Erdinneren zu erfahren, wie die vorgestellten Beispielprojekte zeigen. Das Geoflow – Modell und die Erforschung des Mantels unter der Antarktis ist aber nur ein kleiner Teil der aktuellen Forschung. Zum Beispiel wurden im Jahr 2020 auch neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Erdkerns gewonnen (Torchio et al. 2020). Die Grundlagen des Aufbaus der Erde sind bekannt, aber es werden immer wieder neue Ergebnisse zu einzelnen Phänomenen präsentiert.
Literaturverzeichnis
Bahlburg, H.; Breitkreuz, C. (2017): Grundlagen der Geologie. 5. Aufl., Berlin, Heidelberg (= Lehrbuch ).
Esa (Hg.) (o.J.a.): GEOFLOW: Blick ins unbekannte Herz der Erde. https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Germany/GEOFLOW_Blick_ins_unbekannte_Herz_der_Erde [10.01.2021]
Grotzinger, J.; Jordan, T. (2017): Press/Siever Allgemeine Geologie. 7. Aufl., Berlin, Heidelberg.
Harms, U. (2014): Bohrungen ein Instrument der Wissenschaft. https://gfzpublic.gfz-potsdam.de/rest/items/item_423892_4/component/file_450923/content [10.01.2021]
Jarchow, C.; Thompson, G. (1989): The Nature of the Mohorovicic Discontinuity. In: Annual Review of Earth and Planetary Sciences 17 (1): 475–506.
Lloyd, A.; Wiens, D.; Zhu, H.; Tromp, J.; Nyblade, A.; Aster, R.; Hansen, S.; Dalziel, I.; Wilson, T.; Ivins, E.; O’Donnell, J. (2020): Seismic Structure of the Antarctic Upper Mantle Imaged with Adjoint Tomography. In: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 125 (3): 144.
Schröder, W. (1982): Emil Wiechert und seine Bedeutung für die Entwicklung der Geophysik zur exakten Wissenschaft. In: Archive for History of Exact Sciences 27. (369-389)
Torchio, R.; Boccato, S.; Miozzi, F.; Rosa, A.; Ishimatsu, N.; Kantor, I.; Sévelin‐Radiguet, N.; Briggs, R.; Meneghini, C.; Irifune, T.; Morard, G. (2020): Melting Curve and Phase Relations of Fe‐Ni Alloys: Implications for the Earth’s Core Composition. In: Geophysical Research Letters 47 (14): 1.
Untiedt, J. (1973): Das Magnetfeld der Erde. In: Physik in unserer Zeit 4 (5): 145–155.
Zaussinger, F.; Haun, P.; Szabo, P.; Travnikov, V.; Al Kawwas, M.; Egbers, C. (2020): Rotating spherical gap convection in the GeoFlow International Space Station (ISS) experiment. In: Physical Review Fluids 5 (6).
Abb.1: http://www.vulkane.net/lernwelten/schueler/images/erde.jpg [17.03.2021]
Abb.2: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/Seismograph_recording.jpg [17.03.2021]
Abb.3: https://airbus-h.assetsadobe2.com/is/image/content/dam/products-and-solutions/space/space-equipment/14517060493_ae7d0ef657_o_final.jpg?wid=1280&fit=fit,1&qlt=85,0&fmt=png-alpha [17.03.2021]
Abb.4: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/reader/content/17679defbde/10.1029/2019JB017823/format/pdf/OEBPS/pages/bg4.png 
[17.03.2021]