Leben auf der Erde und verschiedenste Prozesse funktionieren nur mit Energie. Bei der Beschreibung von physikalischen Prozessen ist die Energie ein unverzichtbarer Hauptbestandteil. Im 21. Jahrhundert nutzt der Mensch unterschiedliche Techniken zur Gewinnung, Speicherung und Verwendung von Energie. Im Folgenden wird daher grundsätzlich an das Thema Energie herangegangen, ihre Formen und Gewinnungsmöglichkeiten dargestellt und Beispielprojekte der heutigen Zeit aufgezeigt.
Inhaltlich wird mit der Abgrenzung und Definition des physikalischen Energiebegriffs begonnen. Daraufhin werden gewählte Energieformen und -träger beschrieben und anhand eines Beispiels erläutert. Als Nächstes werden Arten der Energiegewinnung erklärt. Des Weiteren wird ein Einblick in die zwei gängigsten Arten der Energiespeicherung gegeben. Als ein wichtiger Themenbereich des Oberthemas ‚Physik des Erdkörpers‘ werden Lagerstätten als Rohstoffvorkommen dargestellt und ihre Rolle in der Energiegewinnung offengelegt. Zusätzlich wird eine Technik der Rohstoffgewinnung aus Lagerstätten, das hydraulic fracturing näher beschrieben. Zum Ende der Arbeit werden kurz zwei aktuelle Projekte zum Thema Energie dargestellt und abschließend folgt ein Fazit.
2. Was ist ‚Energie‘?
Energie gilt als Zentralbegriff der Physik. Sie beschreibt „die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten“ (Niederhausen & Burkert 2014). Schon der universalgelehrte Aristoteles definierte sie als „[…] Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht“ (Niederhausen & Burkert 2014). Sie tritt in verschiedenen Formen auf. Jedoch ist Energie als Solche nur schwer zu erfassen, da sie für den Menschen nicht greifbar ist (Petermann 2018). Heute gehört Energie zu den Grundbedürfnissen. Sie wird zur Nahrungszubereitung, Kommunikation, Technik, Industrie und Freizeit, alltäglich genutzt und somit ist ohne sie ein Leben nicht mehr vorzustellen (Zahoransky 2015).
2.1 Formen von Energie
Im 19. Jahrhundert etablierte der Physiker James Prescott Joule die Annahme, dass Energie nicht erzeugt, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Nach ihm ist auch die gängige Einheit, in der Energie gemessen wird, Joule [J] benannt. Unabhängig von der Gestalt, welche die Energie annimmt, lässt sie sich immer in Joule quantifizieren (Petermann 2018). Dieser Annahme liegt der heutige Energie-erhaltungssatz nach Helmholtz aus dem Jahre 1847 zugrunde. „Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern ausschließlich nur in andere Energieformen umgewandelt, d. h. überführt werden“ (Niederhausen & Burkert 2014). Grundsätzlich lässt sich Energie in mechanische und elektrische Energie unterteilen. Hinzu kommen chemische, thermische und Kernenergie. Zur mechanischen Energie zählen kinetische und potenzielle Energien, während unter elektrische Energie, magnetische, elektromagnetische und Strahlungs-formen fallen (Zahoransky 2015). Ein Körper besitzt aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld, zum Beispiel dem Gravitationsfeld der Erde, potenzielle, oder auch Lageenergie. Kinetische Energie hingegen liegt meist mit einer Dreh- oder gradlinigen Bewegung vor (Schabbach & Wesselak 2012).
Des Weiteren lassen sich den Energieformen verschiedene Energieträger zuordnen. Energieträger beinhalten, wie der Name schon sagt, die Energie und machen sie transportabel (Petermann 2018). Das Prinzip hinter Energieform und Energieträger, lässt sich leicht am Beispiel eines benzinbetriebenen Motors erläutern. Hier ist das Benzin der Energieträger, welcher chemische Energie in sich trägt. Das Benzin wird verbrannt, wodurch Wärme entsteht aus welcher mechanische Energie gewonnen wird.
2.2 Formen der Energiegewinnung
Im Oberen Kapitel wurde bereits festgestellt, dass Energie nur durch Umwandlung aus vorhandenen Energieträgern gewonnen werden kann. Im Grunde ist zwischen fossilen, nuklearen und erneuerbaren Energieträgern zu unterscheiden (Schabbach & Wesselak 2012). Bevor die Energie beim Verbraucher ankommt, durchläuft sie je nach Form verschiedene Umwandlungsprozesse mit Hilfe von Energiewandlern. Beispielsweise wird in einem Kraftwerk aus einem Brennstoff gewonnene chemische Energie in thermische Energie umgewandelt und letztlich dann über einen Generator in elektrische Energie. Unter fossile Energieträger fallen Erdöl und -gas, sowie Stein- oder Braunkohle. Aus ihnen wird heute immer noch maßgeblich Wärme- und elektrische Energie gewonnen. Sie dienen als Energieträger hauptsächlich zum Transport und Mobilität. Vor der Energiewende spielten nukleare Energieträger eine sehr große Rolle. Hierbei wird Energie in Kernkraftwerken aus der Spaltung, oder Fusion von Atomen gewonnen, um thermische Energie freizusetzen und diese wiederum in elektrische Energie umzuwandeln (Schabbach & Wesselak 2012). Zur heutigen Zeit, besonders im Zuge des Klimawandels, kommen immer häufiger erneuerbare Energieträger zum Einsatz. Regenerative Energieträger stehen im Gegensatz zu fossilen und nuklearen Energieträgern, da sie sich im Laufe der Zeit von selbst erneuern. Die bedeutendste Rolle spielt hierbei die Solarstrahlung, da sie die meisten regenerativen Energieträger speist (Schabbach & Wesselak 2012).
Die Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie über Solarzellen. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialen und setzen bei Lichteinfall positive und negative Ladungsträger frei, welche dann in Form von Wärme weitergeleitet werden (Schabbach & Wesselak 2012).
3. Energiespeicherung
Der Bedarf an Energie ist abhängig von der Menge, einem Zeitpunkt und einem Ort, an dem sie gebraucht wird. Dies stimmt nicht immer mit der Verfügbarkeit überein und somit muss sie zwischengespeichert werden (Dehli 2019). Die bekannteste Speicherform von elektrischer Energie sind elektrochemische Speicher, wie zum Beispiel Batterien. Kommerziellen Nutzen finden hauptsächlich Speicherkraftwerke, welche „bereits produzierten Strom in mechanische potenzielle Energie einer Wassermasse umwandeln und bei Bedarf über eine Wasserturbine aus diesem Energiespeicher wieder elektrischen Strom produzieren.“ (Schabbach & Wesselak 2012). Eine sehr bekannte Form der Energiespeicherung sind Flüssigkeitspufferspeicher, wie zum Beispiel Heizkörper in Ein- oder Mehrfamilienhäusern. Hierbei erfährt der Speicherkörper beim Be- und Entladen eine Änderung in seiner Temperatur. Sie enthalten eine Speicherflüssigkeit, die bei Temperaturänderung Wärme aufnehmen und wieder abgeben kann. Meistens ist diese Flüssigkeit Wasser, da es eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist und somit vergleichsweise viel Wärme aufnehmen und speichern kann.
Lagerstätten sind Rohstoffvorkommen in der Erdkruste, welche sich über verschiedene Wege dort angelagert haben und mit wirtschaftlichem Nutzen abgebaut werden. Meist sind dies chemische Elemente, die nicht in reiner Form auftreten, sondern in Verbindung mit anderen Elementen in Form von Mineralien (Glaser et. Al. 2010). Sofern Metalle in den Gesteinen oder Mineralien enthalten sind, spricht man von Erzen. Diese Erzlagerstätten entstehen auf verschiedene Art und Weise. Während der Erstarrung einer Gesteins-schmelze kristallisieren sich verschiedene Mineralien aufgrund verschiedener Schmelzpunkte heraus. Hierbei sinken Schwermetalle wie Titan oder Nickel ab. Solche Vorkommen nennt man Erzlagerstätten. Deutschland beispielsweise hat ein sehr hohes Braunkohlekohlevorkommen. Kohlelagerstätten entstehen aus großen Anreicherungen fossiler Pflanzenreste. Das abgestorbene Material wird von Wasser und anderen Pflanzenresten bedeckt, wodurch es nicht mehr mit Sauerstoff versorgt wird und sich nicht vollständig zersetzt (Glaser et. Al. 2010). Dadurch entsteht Torf, welcher mit der Zeit absinkt und durch überlagerte Sedimente zerdrückt und entwässert wird. Dieser Druck führt zu einer Temperaturerhöhung und es kommt zu chemischen Prozessen, sodass sich Braunkohle bildet (Glaser et. Al. 2010). Zur Stromerzeugung wird die Jahresproduktion an Braunkohle weltweit zu 87% eingesetzt. In anderen Worten wird 16% des globalen Stromverbrauchs durch Braunkohle gedeckt (Stoll et. Al. 2009).
Weiterhin spielen Erdöl- und Erdgaslagerstätten eine große Rolle in der Energiegewinnung. Marine Organismen sind Grundvoraussetzung zur Entstehung von diesen Typen der Lagerstätten (Glaser et. Al. 2010). Hydraulic Fracturing oder auch Fracking bezeichnet das Aufbrechen von Schiefer-felsformationen mit geringer Durchlässigkeit mittels Zufuhr einer chemischen Flüssigkeit über ein vorher gebohrtes Loch, um so an Rohstoffe zu gelangen. Die Lagerstätten sind kohlenwasserstoffreich und der beim Aufbruch erhöhte Druck soll Gas oder Erdöl an die Oberfläche transportieren (Böcker et. Al. 2015). In Deutschland wird Fracking seit den 1960er Jahren eingesetzt. Eine verstärkte Nutzung ist in den letzten Jahren zu verzeichnen um konventionelle Erdgasvorkommen vollständiger zu Nutzen (Stober & Bucher 2020). Das Fracking-Verfahren bringt jedoch einige Risiken mit sich. Unter Anderem kann es zu Verunreinigungen im Grundwasser führen, da die die eingespeisten Flüssigkeiten verschiedene chemische Stoffe enthalten. 2017 sind mit den Rechtsänderungen im Wasserhaushaltsgesetz einige Einschränkungen und Verbote zum Thema Fracking entstanden. Unkonventionelle Lagerstätten dürfen nun bis 2021 nicht mehr benutzt werden. Bei konventionellen hingegen wurde eine Umweltverträglichkeitsprüfung eingeführt um mögliche Auswirkungen auf Flora, Fauna, Boden, Wasser, Luft, Klima und Landschaft vorab zu erkennen (Stober & Bucher 2020).
Abb. 3: „Fracking“ (Umweltbundesamt 2018)
5. Beispielprojekte
Das erste Beispielprojekt sind die CO2 Leuchttürme der deutschen Energie-Agentur (dena). Bis 2030 soll die Industrie ihren Anteil am Endenergieverbrauch um 50% mindern. Das benötigt eine grundlegende Umstellung in Energiebezug, Energieumwandlung und Produktions-prozessen. Diese Umstellungen sind mit hohen Kosten und technischem know-how verbunden (dena 2020). Die Bundesregierung unterstützt diese Investitionen über Förderprogramme. Die dena steht 13 Unternehmen zur Seite bei der Beantragung der Fördermittel bis hin zur Umsetzung und Inbetriebnahme. Nach erfolgreichem Abschluss der Projekte dienen diese als Praxisbeispiele für andere Unternehmen (dena 2020).
Als zweites Beispielprojekt steht „power to gas“. In diesem Projekt steht die Erzeugung eines synthetischen Energieträgers im Fokus. Wasser wird mit Hilfe von Elektrolyse in Wasser- und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann wiederum „direkt genutzt oder zu anderen gasförmigen oder flüssigen Energieträgern weiterverarbeitet werden […]“ (dena 2020).
6. Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Themenbereich Energie sehr umfangreich und vielfältig sein kann. Im Laufe der Zeit wurden viele Definitionen für den Begriff der Energie etabliert und überholt. Sie ist etwas allgegenwärtiges und essenziell Wichtiges für das gesamte Leben auf der Erde. Forschung im Bereich der Gewinnung, Nutzung sowie Speicherung sind vor Allem im Zuge des Klimawandels von großer Bedeutung. Energiegewinnungsformen wie das hydraulic fracturing sind zur heutigen Zeit sehr umstritten aufgrund ihrer negativen Nebeneffekte. Es gilt neue Wege der Erschließung von Lagerstätten zu finden, um so künftige Generationen zu schützen. Ebenso ist es wichtig mehr auf erneuerbare Energien zu setzen und bestehende Energiekonzepte zu überdenken. Die Beispielprojekte bieten dort einen guten Ansatz.
7. Literaturverzeichnis
Böcker, C., Kirchner, B., Weißenberg, P. (2015): Fracking – Die neue Produktionsgeografie. Wießbaden.
Dehli, M. (2020): Energieeffizienz in Industrie, Dienstleistung und Gewerbe. Energietechnische Optimierungskonzepte für Unternehmen. Esslingen. https://doi.org/10.1007/978-3-658-23204-7
Glaser, R., Hauter, C., Faust, D., Glawion, R., Saurer, H., Schulte, A., Sudhaus, D. (2010): Physische Geographie kompakt. Freiburg. DOI 10.1007/978-3-662-50461-1
Neukirchen, F., Ries, G. (2016): Die Welt der Rohstoffe. Lagerstätten, Förderung und wirtschaftliche Aspekte. 2. Aufl. Berlin.
Niederhausen, H., Burkert, A. (2014): Elektrischer Strom. Gestehung, Übertragung, Verteilung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie im Kontext der Energiewende. DOI 10.1007/978-3-8348-2493-6
Osterhage, W. (2015): Die Energiewende: Potenziale bei der Energiegewinnung. Eine allgemeinverständliche Einführung. Heidelberg. DOI 10.1007/978-3-658-10245-6
Schabbach, T., Wesselak, V. (2012): Energie. Die Zukunft wird erneuerbar. In: Technik im Fokus. DOI 10.1007/978-3-642-24347-9
Schaber, S., Mayinger, S. (2009): Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen. 18. Aufl. Band 1: Einstoffsysteme. Karlsruhe. DOI 10.1007/978-3-540-92895-9
Stoll, R., Niemann-Delius, C., Drebenstedt, C., Müllensiefen, K. (2009): Der Braunkohlentagebau. Bedeutung, Planung, Betrieb, Technik, Umwelt. 1. Aufl. Berlin Heidelberg.
Stober, I., Bucher, K. (2020): Geothermie. 3. Aufl. https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8 Zahoransky, R. (2015): Energietechnik. Systeme zur Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf. 7. Aufl. DOI 10.1007/978-3-658-07454-8
Abbildung 1: Graphical Abstract zum Thema „Energie und Energiespeicherung auf der Erde“ (eigene Darstellung)
Abb.1: Graphical Abstract zum Thema „Aufbau des Erdinneren – Vergangene und aktuelle Forschung zum Schalenbau des Erdkörpers“ (vulkane.net, Bearbeitet)
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.
Abb.2: Ein moderner Seismograph (wikimedia)
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).
Abb.3: Blick in „GeoFlow“ (ESA)
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).
Abb.4: Seismische Stationen des Forschungsprojektes (onlinelibrary)
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]
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).
Vulkanische Erscheinungsformen wirken furchterregend und faszinierend zugleich (Keppler & Audétat 2008: 132). Bereits in der Antike versuchten Philosophen ihre Entstehung durch Mythen zu erklären und definierten sie als Ausdrücke einer abscheulichen, heißen Unterwelt (Grotzinger & Jordan 2017: 304). Heutzutage können Wissenschaftler mithilfe von wissenschaftlichen Fakten beweisen, dass die Entstehung dieser Feuerberge durch endogene Kräfte erfolgt und das Ergebnis der Wärmeproduktion im Erdinneren ist (Wörner 2011: 26).
Um die Geomorphometrie und die Entwicklung vulkanischer Reliefformen zu verstehen, ist es von großer Bedeutung die Prozesse von vulkanischen Aktivitäten und die Bedingungen an der Erdoberfläche zu kennen (Dikau et al. 2019: 146). Daher befasst sich die vorliegende Arbeit mit geologischen Prozessen und Erscheinungsformen, welche die Bildung von diversen Vulkantypen begünstigen. Dabei stehen besonders die plattentektonischen Prozesse im Fokus. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen den Plattenbewegungen und der geologischen Entwicklung des Vulkanismus zu schildern. Dieses Ziel wird durch die Erläuterung der Ursache-Wirkungskette erreicht.
Der Aufbau der Arbeit ergibt sich wie folgt: Zunächst werden unterschiedliche Typen des Vulkanismus und ihre Entstehungsprozesse erläutert. Daraufhin erfolgt eine Veranschaulichung der globalen Verteilung von Vulkanen und es werden zwei besonders wichtige vulkanische Reliefformen vorgestellt. Außerdem werden die Ursachen von Vulkaneruptionen erklärt, um anschließend die klimatischen Folgen zu beschreiben. In einem Fazit werden die wichtigsten Erkenntnisse schließlich zusammengetragen.
2. Typen des Vulkanismus und ihre Entstehung
Vulkane stellen natürliche Erscheinungsformen der tektonischen Entwicklung der Erdkruste dar und sind Reliefformen, welche durch endogene Prozesse erzeugt werden (Dikau et al. 2019: 146). Sie entstehen durch Magma, welches im Erdinneren mobilisiert wird und anschließend durch Spalten an die Erdoberfläche austritt (Dikau et al. 2019: 146). Im Folgenden werden unterschiedliche Typen des Vulkanismus und ihre Entstehungsprozesse vorgestellt.
2.1 Vulkanismus an Subduktionszonen
Die Subduktionszonenvulkane gehören zu den bedeutendsten Vulkangebieten der Erde und befinden sich hauptsächlich im pazifischen Ozean, welcher viele vulkanische Inselbögen und aktive Kontinentalränder aufweist (Dikau et al. 2019: 146). Sie entstehen durch das Konvergieren von Lithosphärenplatten und die Plattengrenzen dieser Subduktionszonen werden durch sogenannte Tiefseegräben markiert (Redfern 2014: 60). Bei dem Vorgang einer Subduktion taucht eine schwere ozeanische Platte durch ihre große Dichte in einem schrägen Winkel von ungefähr 30 Grad unter die leichte kontinentale Lithosphäre ab (Abb. 2; Redfern 2014: 60). Dabei enthält die absinkende ozeanische Lithosphärenplatte große Mengen an wasserhaltigen Mineralen, welche sich in zunehmender Tiefe durch die Temperaturzunahme instabil verhalten und ihr Wasser bedingt durch eine Mineralumwandlung abgeben (Wörner 2011: 27). Diese fluide Komponente steigt bis zum Mantelkeil auf, welcher sich zwischen der subduzierten und der darüberliegenden Platte befindet und beeinflusst dort die chemischen Reaktionen (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Als Konsequenz wird der Schmelzpunkt des Mantelgesteins reduziert und ein Schmelzvorgang beginnt, wodurch die Bildung von andesitischem Magma resultiert, welches besonders zähflüssig ist und Temperaturen zwischen 900°C und 1000°C erreicht (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Nachdem sich eine ausreichende Menge an Magma gebildet hat, steigt es nach oben und dringt bis zu der Erdkruste auf (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Es durchbrennt die kontinentale Lithosphäre und bricht über der Subduktionszone in zahlreichen Vulkanen aus (Redfern 2014: 61). Somit erfolgt die Entstehung von aktiven Kontinentalrändern und die Bildung von Kettengebirgen, welche mit Vulkanen durchsetzt sind (Schmicke 2013: 102). Die Vulkanketten entstehen parallel zur Tiefseerinne in einer Distanz von etwa 200 km (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Auf der gleichen Weise erfolgt ebenfalls die Formation von vulkanischen Inselbögen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hierbei eine ältere ozeanische Lithosphäre unter einer jüngeren ozeanischen Platte absinkt (Redfern 2014: 61). Des Weiteren herrscht durch die starke Kopplung der Platten miteinander, eine Kompression über den Subduktionszonen, die als Konsequenz etwa 80 Prozent aller großen Erdbeben verursacht (Schmincke 2013: 103).
Der Subduktionsprozess ist das Ergebnis der ozeanischen Krustenneubildung an divergenten Plattengrenzen (Redfern 2014: 60). Da die Erde ihr Volumen nicht vergrößern kann, entfernt sich die alte ozeanische Lithosphäre im Laufe der Zeit von der Ausbruchsöffnung und wird an diversen Subduktionszonen „entsorgt“, so dass der Zyklus der Mantelkonvektion fortgesetzt wird (Redfern 2014: 60). Die Subduktion erfolgt auf der Schnelligkeit, die für die Bildung neuer ozeanischer Kruste beansprucht wird und dies entspricht zwei bis zehn cm pro Jahr (Redfern 2014: 60).
2.2 Vulkanismus an Spreizungszentren
Spreizungszentren entstehen an Schwächezonen der Lithosphäre, die durch Dehnungsprozesse aufreißen und sich in zwei oder mehrere Teile trennen (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 221). Sie bewegen sich auseinander und erzeugen Grabenbruchsysteme wie den ostafrikanischen Rift Valley oder den mittelozeanischen Rücken (Abb. 3; Schwanke et al. 2009: 33). An den divergenten Plattengrenzen werden 60 Prozent des gesamten jährlichen Lavaausstoßes produziert und deshalb gehören sie zu den produktivsten Vulkanismusstandorten der Erde (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Das Magma bildet sich durch die Druckentlastung, die durch den Aufstieg des Mantelgesteins unter den Dehnungszentren verursacht wird (Wörner 2013: 27). Für die Erzeugung von Magma ist also keine zusätzliche Temperaturerhöhung notwendig (Lutgens & Tarbuck 2006: 108). Das basaltische Magma fließt aus den Zerrspalten aus und bildet neue Lithosphäre (Bauer 2005: 16).
Wenige dieser divergenten Plattengrenzen liegen auf der kontinentalen Lithosphäre, doch ein klassisches Beispiel hierfür ist der ostafrikanische Graben (Lutgens & Tarbuck 2006: 109). Dort wird die Platte durch die entgegengesetzten Bewegungsrichtungen in zwei Teile getrennt und daher ist der Scheitelpunkt der Dehnungszone mit diversen Rissen durchzogen, aus denen Lava ausdringt (Ring 2014: 132). Deshalb existieren dort zahlreiche Vulkane wie zum Beispiel der Kilimanjaro (Lutgens & Tarbuck 2006: 109). Zumeist befinden sich die Spreizungszentren jedoch auf ozeanischen Lithosphärenplatten und ein Beispiel hierfür ist der mittelozeanische Rücken (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 223). Die Lavaströme führen zur Bildung neuer Lithosphäre auf dem Ozeanboden und kühlen unter Wasser advektiv durch die Hydrothermalkreisläufe und konduktiv durch die Wärmeabgabe an die Erdoberfläche ab (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 223). Teilweise bilden sich unter Wasser ebenfalls Kissenlaven, die viele kleine Seamounts erzeugen (Lutgens & Tarbuck 2006: 108).
Durch den hohen Druck und den niedrigen Temperaturen im ozeanischen Untergrund, übt das Wasser einen großen Widerstand aus, so dass bei einer Eruption eine explosive Ausdehnung von Gasen verhindert wird (Jorzik et al. 2020: 98). Der hydrostatische Druck lässt die Volatile (gelöste flüchtige Bestandteile im Magma) nicht austreten und verhindert die Blasenbildung, da der Kontakt des heißen Magmas mit dem Meerwasser die Dampfbildung hemmt (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 326).
2.3 Intraplattenvulkanismus: Die Manteldiapir-Hypothese
Ein Großteil aktiver Vulkane bilden sich an divergierenden und konvergierenden Plattengrenzen. Nichtsdestotrotz existieren ebenfalls im Inneren der ozeanischen und kontinentalen Lithosphärenplatten bedeutsame Vulkane (Jorzik et al. 2020: 113). Die Formation dieser Vulkane kann durch die Hypothese der Manteldiapire erklärt werden (Abb. 4; Grotzinger & Jordan 2017: 324). Manteldiapire haben eine schmale schlauchförmige Form und fördern das Aufsteigen des heißen Magmas aus der Mantel-Kern Grenze bis in die Erdkruste (Bauer 2005: 17). Laut der Hypothese handelt es sich zunächst um aufsteigende Peridotite, die Mantelgesteine darstellen und bei geringen Manteltiefen durch die Dekompression schmelzen und basaltische Magma bilden (Jorzik et al. 2020: 114). Sobald diese Manteldiapire das ozeanische Plateau erreichen, entstehen unmittelbar unter der Lithosphärenplatte vereinzelte Flecken, die als Hotspots bezeichnet werden (Bauer 2005: 17). Diese Hotspots werden durch die Manteldiapire fixiert. Sie sind stationär und im Erdmantel verankert (Grotzinger & Jordan 2017: 324). Die Hotspots brennen sich durch die Lithosphäre und fließen schließlich aus, so dass auf lokalen Stellen der Erdoberfläche aktive vulkanische Erscheinungsformen entstehen (Grotzinger & Jordan 2017: 324).
Abb. 4: Entwicklung eines Manteldiapirs (Jorzik et al. 2020: 114)
Im Laufe der Zeit bilden sich durch den Intraplattenvulkanismus Vulkanketten, die eine Länge von mehreren Kilometern haben (Jorzik et al. 2020: 113). Besonders bekannt sind die altersprogressiven Intraplattenvulkane, welche durch die Bewegung der ozeanischen Lithosphäre über einen Hotspot entstehen (Jorzik et al. 2020: 114). Hierbei ist die Ursache für die Plattenbewegung das Wärmeungleichgewicht zwischen dem Erdkern und der Erdkruste, die Konvektionsströme auslösen (o.V. 2017: 24). Bedingt durch die kontinuierliche Plattenbewegung, verlieren die älteren Vulkane den Kontakt mit der Ausbruchsöffnung und es bilden sich neue Intraplattenvulkane an unterschiedlichen Stellen der Lithosphäre (Bauer 2005: 17).
Die Inseln von Hawaii, welche sich im Inneren der pazifischen Platte befinden, stellen ein klassisches Beispiel des altersprogressiven Intraplattenvulkanismus dar (Jorzik et al. 2020: 113). Am südöstlichen Ende der hawaiianischen Inselkette sind aktive Vulkane zu beobachten, wobei im nordwestlichen Teil der Insel ältere erloschene Vulkane und aseismische Rücken liegen (Grotzinger & Jordan 2017: 324). Durch die Bewegung der Lithosphärenplatten, wandern die zunehmend älteren Vulkane von den Hotspots hinweg und es bilden sich neue vulkanische Erscheinungen (Grotzinger & Jordan 2017: 324). Durch den anhaltenden Vulkanismus wird die Bildung von Vulkanketten fortgeführt (Bauer 2005: 17).
3. Globale Verteilung von Vulkanen
Weltweit existieren über 500 aktive Vulkane und jährlich brechen ungefähr 50 dieser Feuerberge aus (Dikau et al. 2019: 146). Allerdings sind diese Vulkane nicht auf beliebigen Standorten der Erde verteilt, denn ihr Auftreten ist an geologische Schwachstellen gebunden (Schwanke et al. 2009: 32). Bis in die 1960er Jahre gelang es den Geologen nicht die globale Verteilung der Vulkane zu erklären, doch heutzutage kann ihre Verteilung durch die Theorie der Plattentektonik erläutert werden (Lutgens & Tarbuck 2006: 104). Die globale Verteilung von Vulkanen weist ein bestimmtes Verbreitungsmuster auf, welches größtenteils den tektonischen Plattengrenzen der Erde folgt (Dikau et al. 2019: 146).
Ungefähr 80 Prozent aller Vulkane liegen an Subduktionszonen, an denen Lithosphärenplatten konvergieren (Schwanke et al. 2009: 32). Aufgrund der aktiven Kontinentalränder befinden sich dort die aktivsten Vulkane der Welt, die ungefähr 85 Prozent aller historischen Eruptionen repräsentieren (Schmincke 2013: 101). Besonders viele aktive Vulkane sind rund um den pazifischen Feuerring zu finden, welcher einen kreisförmigen Vulkangürtel darstellt, der nahezu den gesamten pazifischen Ozean umrahmt (Schwanke et al. 2009: 32). Ungefähr 65 Prozent aller subaerischen Vulkane liegen auf diesem Feuerring (Schmincke 2013: 101). Dazu gehören beispielsweise die Vulkane der Westküste Amerikas, die südamerikanischen Anden und die Vulkanketten Japans (Dikau 2019: 146).
Dahingegen befinden sich ungefähr 15 Prozent aller Vulkane an divergenten Plattenrändern (Schwanke et al. 2009: 33). Diese Plattengrenzen sind ebenfalls als ozeanische Axialzonen bekannt, die eine hohe Magmaproduktion aufweisen (Schmincke 2013: 18). An diesen Zonen existiert eine Großzahl submariner Vulkane, aus denen Magma herausdringt und an der Erdoberfläche erstarrt (Dikau et al. 2019: 146). Ein klassisches Beispiel ist der mittelozeanische Rücken, der durch den stetigen Magmaausfluss zur Erneuerung der Erdkruste beiträgt (Schmicke 2013: 102).
Nahezu fünf Prozent aller Vulkane liegen als Intraplattenvulkane vor und befinden sich auf dem ozeanischen oder kontinentalen Platteninneren (Schmicke 2013: 18). Die bekanntesten ozeanischen Intraplattenvulkane liegen auf Hawaii, den Kanaren und Samoa (Schmincke 2013: 63). Zu den typischen kontinentalen Intraplattenvulkanfeldern zählen die Eifelvulkangebiete in Mitteleuropa (Schmicke 2013: 90).
4. Vulkanische Reliefformen
Vulkanische Reliefformen entstehen durch effusive und explosive vulkanische Aktivitäten (Dikau 2019: 151). Für die Formbildung einzelner Vulkane sind der Magma- und Eruptionstyp verantwortlich (Dikau et al. 2019: 151). Allerdings können sich Vulkane allometrisch verhalten und durch die fortlaufende Magmaförderung ihre Reliefformen vergrößern und ihre Geomorphologie ändern (Dikau et al. 2019: 152). Im Folgenden werden zwei besonders wichtige vulkanische Reliefformen vorgestellt.
4.1 Schildvulkan
Schildvulkane gleichen einem großen, ausgedehnten Vulkankegel mit flachen Hängen und einer Höhe von über 2000 Metern (Grotzinger & Jordan 2017: 742). Sie sind besonders typisch für Hotspots und verfügen über eine enorme Lavaproduktionsrate (Jorzik et al. 2020: 12). Ihr Aufbau erfolgt aus niedrig-viskosen basaltischen Lavaströmen, die eine geringe Mächtigkeit haben und aus Kratern oder länglichen Riftzonen eruptieren (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 311). Die initialen Formen eines Schildvulkans werden als exogene Dome bezeichnet, die sich durch die fortlaufende Magmaförderung im Laufe der Zeit erhöhen und aufbauen (Dikau et al. 2019: 154). Besonders viele Schildvulkane existieren mitten im pazifischen und atlantischen Ozean und verbergen dabei nahezu 90 Prozent ihrer Vulkangesteine unter dem Meeresspiegel (Dikau et al. 2019: 154). Teilweise ragen Schildvulkane gar nicht aus dem Wasser heraus und daher werden solche vulkanischen Formen als Seamounts bezeichnet (Dikau et al. 2019: 154). Im Vergleich zu anderen vulkanischen Reliefformen haben Schildvulkane die größte Ausdehnung und dies wird an dem hawaiianischen Vulkan Mauna Loa besonders gut ersichtlich, da er mit einer Höhe von etwa 10.000 m und 86.000 km³ Lava der volumenreichste aktive Schildvulkan der Erde ist (Dikau et al. 2019: 154). Dieser Vulkan erhebt es sich bis zu einer Seehöhe von 4170 m und liegt knapp 5500 m unter dem Meeresspiegel (Pales & Prince 1963: 64).
4.2 Stratovulkan
Stratovulkane haben eine kegelförmige Form und verfügen über steile Hänge (Jorzik et al. 2020: 12). Die Form von Stratovulkanen erscheint häufig symmetrisch, doch ihre Hänge haben eine leichte Konkavität, da sie nach innen geneigt sind (Dikau et al. 2019: 156). Stratovulkane existieren hauptsächlich an Subduktionszonen und haben im Vergleich zu anderen Vulkantypen eine hohe Mächtigkeit (Wood 1978: 437). Während ihrer Entstehung treten intrusive und extrusive Prozesse in gemischter Form auf und es sind Laven und Tephren, also vulkanische Lockerstoffe, beteiligt (Dikau et al. 2019: 156). Durch die fortlaufenden Magmaeruptionen bilden sich im Laufe ihrer Entwicklung hangparallele Gesteinsschichten (Abb. 5; Dikau et al. 2019: 156). Die eruptierten Lavaströme fließen über bereits abgelagerte Lavaschichten und stabilisieren somit den Kegelbereich (Dikau et al. 2019: 157). Ebenfalls gibt es seitliche Eruptivgänge, in denen intrusive Gesteine aufsteigen und Staukuppen bzw. Seitenkrater bilden (Dikau et al. 2019: 157). Durch diese Intrusiva werden Stratovulkane felsmechanisch stabilisiert und können problemlos in die Höhe wachsen (Dikau et al. 2019: 157). Allerdings sind Einbrüche der Hänge durch den sogenannten Falkenkollaps möglich, doch der Wiederaufbau erfolgt durch weitere Eruptionen (Dikau et al. 2019: 159). Zudem können Stratovulkane besonders explosive Ausbrüche verursachen, wenn Wassermengen in Form von Schnee oder Eis in den Gipfelbereich eindringen (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 317).
Abb. 5: Aufbau eines Stratovulkans (Dikau et al. 2019: 157)
5. Ursachen und Vorgang einer Vulkaneruption
Unter jedem aktiven Vulkan befindet sich eine Magmakammer, doch eine vulkanische Eruption ist nicht immer eine zu erwartende Konsequenz (Keppler & Audétat 2008: 134). Manche dieser Magmakammern kühlen nach einiger Zeit ab und kristallisieren aus, so dass Vulkanausbrüche vermieden werden (Keppler & Audétat 2008:134). Das Auftreten einer Vulkaneruption ist abhängig von dem Wassergehalt des Magmas, der Tiefe der Magmakammer und der Festigkeit ihrer Wände (Keppler & Audétat 2008: 134). Grundsätzlich gibt es zwei Mechanismen, die Vulkanausbrüche verursachen können. In dem ersten Verfahren erfolgt durch das Abkühlen des Magmas eine vollständige Kristallisation in dem Magmareservoir und die gebildeten Kristalle können kein Wasser in ihrer Struktur aufnehmen (Keppler & Audétat 2008: 134). Infolgedessen wird die Restschmelze mit dem ausgestoßenem Wasser angereichert, bis der Druck innerhalb der Magmakammer ungenügend erscheint und das Wasser in der Schmelze nicht gelöst gehalten werden kann. Es erfolgt die Bildung von Gasblasen und der Druckaufbau wird fortgeführt, bis der Vulkanschlot über der Magmakammer durch den Überdruck freigesprengt wird (Keppler & Audétat 2008: 134). Bei dem zweiten Mechanismus handelt es sich um eine Druckentlastung. Hierbei entsteht eine Aufwölbung der Lithosphäre, da sich eine große Menge an Magma unmittelbar unter der Erdoberfläche befindet und die Hänge dieser Aufwölbung verhalten sich sehr instabil (Keppler & Audétat 2008: 134). Ereignisse wie zum Beispiel Erdbeben können einen Hangrutsch verursachen, so dass sich der Druck auf die Magmakammer minimiert. Infolgedessen bilden sich innerhalb der Kammer allerdings Gasblasen, wodurch der Druck enorm zunimmt. Ein Ruckartiger Druckabfall, der beispielweise durch einen weiteren Hangrutsch verursacht wurde, kann eine Eruption auslösen (Keppler & Audétat 2008: 134).
6. Folgen auf das Klima
Vulkaneruptionen können einen direkten Einfluss auf das globale Klimageschehen haben, da die Gasemissionen die Treibhausgaszusammensetzung in der Atmosphäre beeinflussen (Ranke 2009: 32). Grundsätzlich sind vulkanische Gase aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und Schwefeldioxid zusammengesetzt (Swingedouw et al. 2017: 25). Der Anteil von Schwefeldioxid dominiert erheblich und ist hauptsächlich für die Beeinflussung des Klimageschehens verantwortlich (Thordarson & Larsen 2007: 132). Die kleinen Mengen an Gasblasen in der Gesteinsschmelze verursachen die Extraktion des gesamten Schwefels aus der Magmakammer, welches bei hochexplosiven Vulkanausbrüchen durch kilometerlange Eruptionssäulen bis in die Stratosphäre transportiert werden kann (Keppler & Audétat 2008: 137). Dort wird es zu Schwefeltrioxid aufoxidiert und reagiert mit Wasser zu Aerosolen von Schwefelsäure (Keppler & Andétat 2008: 137). Da diese Schwefelsäure-Aerosole sehr stabil sind und eine geringe Dichte aufweisen, können sie sich über mehrere Jahre in der Stratosphäre aufhalten (Lühr 2015: 259). Somit ist die Aerosolschicht in der Lage, die Sonneneinstrahlung zu reflektieren und als Konsequenz erfolgt die Abnahme der Globaltemperatur (Jorzik et al. 2020: 90). Um das Klima beeinflussen zu können, muss das Schwefeldioxid in die Stratosphäre gelangen, da es in der Troposphäre durch den Regen ausgewaschen wird und somit seine Wirkung verliert (Keppler & Andétat 2008: 138).
Der Vulkan Mount Pinatubo, welcher auf den Philippinen liegt, brach im Jahr 1991 aus und schleuderte 17 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Stratosphäre (Keppler & Andétat 2008: 137). Durch die große Menge an Aschepartikeln bildete sich in der Atmosphäre ein Dunstschleier, welcher nach über zwei Jahren weiterhin nachzuweisen war und die Sonneneinstrahlung reflektierte (Ranke 2019: 32). Die ausgedehnte Aschewolke verblieb mehrere Jahre in der Stratosphäre, da die vulkanischen Fragmente äolisch transportiert wurden (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 309). Dadurch resultierte ein Temperatursturz und die Globaltemperatur nahm um mehr als 0,5° Celsius ab (Cole-Dai 2010: 834). Innerhalb von drei Wochen gelang es der Aschewolke den gesamten Globus zu umkreisen (Robock 2000: 193).
7. Fazit
Die Konvektionsströme im Erdinneren, welche durch die Temperaturunterschiede im oberen und unteren Mantelbereich resultieren, lösen die Plattenverschiebung aus. Die Kontinentalplatten bewegen sich unabhängig voneinander und fördern an Schwächezonen frische Lava an die Erdoberfläche, die aus Vulkanen eruptieren. Ein Großteil dieser Vulkane existiert an tektonischen Plattengrenzen, da ihre geologische Entwicklung durch die Plattenverschiebung erfolgt. An den Konvergenzzonen bilden sich im Laufe der Zeit durch die großem Mengen an andesitischen Laven mächtige Reliefformen wie zum Beispiel Stratovulkane. Dahingegen dringt an den Spreizungszentren basaltische Magma aus, die nach dem Ausfließen erstarrt und neue ozeanische Lithosphäre bildet. Bedingt durch die Manteldiapire kommt es ebenfalls über den Hotspots zu basaltischem Vulkanismus und in diesen Regionen dominieren die Schildvulkane.
Vulkaneruptionen erfolgen durch die Blasenbildung von Wasserdampf in der Magmakammer, die einen Innendruck aufbaut und den Vulkanschlot freisprengt. Sie sind Naturphänomene mit gefährlichen und zerstörerischen Auswirkungen und können durch kilometerlange Eruptionswolken und die Förderung von Aschepartikeln das globale Klima enorm beeinflussen. Einige vergangene explosive Vulkaneruptionen haben bewiesen, dass durch die Bildung von Aerosolen in der Stratosphäre, eine jahrelange Abkühlung des globalen Klimas verursacht werden kann.
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Abb. 1: Graphical abstract zum Thema „Entstehung und Form der Erde“ (1) Lutgens, Tarbuck, Tasa 2016; 2) RheinlandPflaz Landesbibliothekszentrum (Hg.) (2017) ; 3) Leonello Calvetti, Shutterstock, zit. nach: Was ist Was (o.J.); 4) dkfindout! (o.J.); 5) Landesamt für Digitalisierung, Breitband und Vermessung (o.J.))
Einleitung
Entstehungstheoriender Erde
Religiöse Entstehungsgeschichte – Schöpfungstheorie im Christentum
Gegenüberstellung der beiden Entstehungsansätze
Form der Erde
Antike Vorstellung der Erdgestalt– Die Erde ist kugelförmig.
Die Erde ist keine perfekte Kugel –Modell des (Rotations-) Ellipsoids
Die Erde ist kein exaktes Ellipsoid– das Geoid.
Aktuelle Forschungsprojekte zur Entstehungstheorie der Erde
Ursprung der Erde: Ein Vorschlag des ABEL-Modells (2016)
StarPlan-Group 2020: Eisisotopenanalyse zur Untersuchung des Ursprungs und der Entwicklung von Planetensystemen
Eine scheinbar simple, aber auch höchst komplexe Frage zugleich zum Thema ‚Entstehung und Form der Erde‘ ist die Frage, wie die Erde entstanden ist? Dazu gibt es zwei unterschiedliche, theoretische Ansätze, die einerseits eine allgemein anerkannte wissenschaftliche Theorie sowie andererseits die Theorie aus der religiösen bzw. christlichen Perspektive beinhaltet. Anschließend werden beide Theorien einander gegenübergestellt, um festzustellen, ob es Gemeinsamkeiten bzw. Aspekte beider Theorien, die im Einklang stehen und Unterschiede bzw. Widersprüche gibt.
Im nächsten Schritt stellt sich die Frage nach der Form der Erde, dabei geht es um das Verständnis und die Entwicklung bezüglich der menschlichen Vorstellung der Erdgestalt im zeitlichen Verlauf, die skizziert wird, von der Antike bis in die heutige Zeit. Beim Erforschen der Erdgestalt wurde früh angenommen, die Erde sei eine Kugel, doch welche Form die Erde nun tatsächlich hat, wird erst durch eine Vielzahl von Untersuchungen ersichtlich. Außerdem stellt sich die Frage, welche Mechanismen und Prozesse für die Form der Erde verantwortlich sind.
Ein letzter inhaltlicher Schritt ist es, aktuelle Forschungsprojekte aus den Jahren 2016 und 2020 vorzustellen, die anhand von Gesteins-, Sauerstoff- und Eisenisotopenanalysen Rückschlüsse über die Bildung der Erde ziehen und damit als neue wissenschaftliche Erkenntnisse gelten.
2. Entstehungstheorien der Erde
Bezüglich der Entstehung der Erde gibt es unterschiedliche Ansichten von verschiedenen Disziplinen und Teilbereichen, doch die allgemein anerkannten Theorien stammen aus der Wissenschaft sowie aus dem menschlichen Glauben an die Religion. Deswegen wird es zunächst um die allgemein anerkannte Theorie des Urknalls gehen (vgl. Faust et al. 2017:1) und dann um die Sichtweise der christlichen Schöpfungsgeschichte durch Gott (vgl. National Academy of Science 1999: 7).
2.1.Wissenschaftliche Entstehungstheorie – Die Theorie des Urknalls
Mit dem Urknall vor 13,7 Mrd. Jahren resultiert aufgrund einer Explosion im Weltall die Entstehung des Universums, wobei sich Energie, Kräfte und Materie auf diesen Raum mit sehr hoher Dichte ballen, sodass dieses Ereignis als Anfang von Zeit, Raum und Materie bezeichnet wird (vgl. Faust et al. 2017: 1). Seitdem ist wissenschaftlich erforscht, dass sich das Universum gleichmäßig ausdehnt, dabei kommt es zum Verdichten von kosmischen Gasen, was zur Herausbildung von Galaxien und Sternen führt (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 216) (Abb. 2). Der wichtigste Zeitintervall im Bestehen des Universums in 13,7 Mrd. Jahren ist die Zeit um ca. 4,56 Mrd. Jahre vor heute, das Hadaikum (vgl. Rothe 2019: 98), als das Sonnensystem und seine um die Sonne kreisenden Planeten entstanden (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 216). Der Philosoph Immanuel Kant ist es, der mit seiner Nebular-Hypothese 1755 einen Entwurf zur Entstehung der Planeten des Sonnensystems aufstellt, wobei diese von anderen Wissenschaftlern ausgearbeitet und erweitert wird (vgl. Faust et al. 2017: 1). Diese Hypothese besagt, dass aufgrund einer kreisenden Staub- und Gaswolke das Sonnensystem entsteht (Abb. 2), wobei Astronomen viele solcher Wolken entdecken und als nebulae bezeichnen (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 216f.).
Diese sich kreisende, diffuse Staub- und Gaswolke zieht sich durch wechselseitige Massenanziehung zusammen (vgl. Ebd). Durch dieses Zusammenziehen entsteht eine Rotation, die immer schneller wird, sodass die nebulae immer mehr abflacht und eine scheibenförmige Gestalt annimmt (siehe Abb. 2), die als Sonnennebel bezeichnet wird (vgl. Ebd.: 217). Daraus bildet und reichert sich die Urform der Sonne an (vgl. Ebd.: 217). Das scheibenförmige Abflachen des Sonnennebels hat eine Temperaturzunahme in der Scheibenmitte zur Folge, sodass es dort zur größeren Materialansammlung kommt (vgl. Ebd.: 217f.). Die Scheibe kühlt sich nach ihrer Entstehung ab, wodurch die Gase ihren Aggregatzustand in flüssig oder fest ändern, was als Kondensation bezeichnet wird (vgl. Ebd.: 218). Aufgrund der Massenanziehung entstehen immer größere Aggregate bis kilometergroße Stoffklumpen oder auch sogenannte Planetesimale vorhanden sind (vgl. Ebd.: 218). Das Zusammenstoßen der Planetesimale untereinander führt zur Verknüpfung dieser miteinander, sodass Figuren, so groß wie der Mond, entstehen können (vgl. Ebd.: 2018). In der letzten Phase der extremen Kollisionen der Planetesimale, heften sich die größten Körper, die eine höhere Massenanziehung aufgrund ihrer Größe aufweisen, mit dem Rest der Planetesimale an, sodass am Ende nur noch 8 Planeten übrigblieben, die heute Teil des Sonnensystems sind, wobei ihre primäre Entstehung in nur 10 Mio. Jahren erfolgt ist, was aus geologischer Sicht kurz ist (vgl. Ebd.: 218). Die Planeten, die in der inneren Sonnenumlaufbahn liegen, wie Merkur, Venus, Erde und Mars bestehen überwiegend aus Silikatmineralien, die Voraussetzung für die Gesteinsbildung sind sowie aus Schwermetallen wie Nickel und Eisen, wobei die äußerem Planeten Saturn, Jupiter, Uranus und Neptun aus Gas bestehen (vgl. Ebd.: 218).
Die Erde ist in ihrem Anfangsstadium, 100 Mio. Jahre nach der Erdbildung (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 19), von heftigen Bombardierungen einer Vielzahl von Planetesimalen und Meteoriten betroffen (Abb. 2), die aus kleinen Bestandteilen von Asteroiden aus dem Asteroidengürtel stammen, wodurch beim Einschlagen dieser Himmelkörper viel kinetische Energie (Bewegungsenergie) freigesetzt wird, die in Wärme transformiert wird und zum Aufschmelzen der Erdoberfläche führt (Video 1), was als Magmaozean (Abb. 2) bezeichnet wird (vgl. Ebd.: 220) im Archaikum (vgl. Rothe 2019: 98) . Bei abnehmenden Temperaturen verfestigen sich diese Bereiche, sodass Kontinentbestandteile entstehen zwischen dem Proterozoikum bis ins Mesozoikum (vgl. Rothe 2019: 98), die durch Regen aus der Uratmosphäre abgetragen werden und sich so zu Sedimenten differenzieren (Video 1) (vgl. Ebd.: 99). Die Schmelzen zwischen den Kontinentteilen sind von Bewegung gekennzeichnet, die man als Deckeltektonik bezeichnet, diese drückten das neue granitähnliche Sediment mit Gesteinskörpern zusammen und verknüpften es, wodurch sich die heutige Erde zu formen beginnt (Video 1) (vgl. Ebd.). Die ersten Sedimente bzw. Schollen formen sich zu Urkontinenten, die im Laufe der Zeit immer wieder zerfallen und deren Bruchteile sich zu neuen Urkontinenten zusammensetzten (vgl. Ebd.). Aus den Bruchstücken des Urkontinent Pangäa (Video 1), der sich von 220 Mio. Jahren bildete, bestehen unsere heutigen Kontinente (vgl. Ebd.). Weitere Mechanismen ließen im Laufe der Jahrmillionen Wasserozeane (Abb. 2) und eine Atmosphäre entstehen, wie wir sie heute kennen, sodass die Voraussetzungen für Leben geschaffen wurde (vgl. Ebd.: 100).
Abb. 2: Die Entstehung der Erde (Lutgens, Tarbuck, Tasa 2016)
Video 1: Wie die Erde sich formte (Da Vinci TV 2019)
2.2.Religiöse Entstehungsgeschichte – Schöpfungstheorie im Christentum
Viele Menschen, auch manche Wissenschaftler gehen davon aus, dass die verschiedenen Prozesse, die zur Bildung von Universum, Galaxien, Sonnensystem und ihrer Planeten führen, durch eine höhere, göttliche Instanz geschaffen wurden (vgl. National Academy of Science 1999: 7). Dieser Glaube ist als Kreationismus oder Schöpfungswissenschaft zu bezeichnen und kann aus verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet werden (vgl. Ebd.). Vor allen wissenschaftlichen Theorien rund um die Entstehung der Erde gibt es die Schöpfungsgeschichte, auf Basis der ersten drei Genesiskapitel der Bibel und dem Buch der Offenbarung sowie kirchlichen Schriften (vgl. Stanford Encyclopedia of Philosophy Archive 2017). Dabei meint Kreationismus den Glauben, dass das Universum, die Erde, das Leben und die verschiedenen Lebensformen aus dem Nichts von Gott erschaffen wurden (vgl. Encylopaedia Britannica 2020).
Es gibt zwei verschiedene Ansichten bezüglich des Erdalters im Christentum, denn nach dem Young Earth Creationism (Schüler 2017: 328) nehmen dessen Befürworter an, die Erde wurde in sechs Tagen von Gott geschaffen und sehen die Bibel wortwörtlich als wahre Schöpfungsgeschichte an, sodass anhand von Datierungen des Alten Testaments und dem Verständnis wichtiger christlicher Personen die Erde ca. 6000-10000 Jahre alt ist (vgl. Schüler 2017: 328). Nach der Sichtweise der jungen Kreationisten wird die Erde mit festen Landmassen, ersten Pflanzenarten und Ozean am dritten Tag der sechstägigen Schöpfung geformt und erst am vierten Tag entsteht Sonne, Mond und Sterne (vgl. Musharraf 2017: 7). Diese Theorie steht dabei im Einklang mit der biblischen Schöpfungslehre (vgl. Stanford Encyclopedia of Philosphy Archive 2017), weil die Tagesdauer im Alten Testament mit dem Wort yom (Ham 1987) als ein Tag-Nacht-Zyklus zu betrachten ist, also dem heutigen Verständnis eines Tages entspricht (vgl. Ham 1987).
Andere Christen jedoch, versuchen das wissenschaftliche Alter der Erde mit der Schöpfungsgeschichte in Einklang zu bringen, sodass dieser Ansatz als Old Earth Creationism (Schüler 2017: 328) bezeichnet wird (vgl. Ebd.). Sie nehmen an, dass Gott alles erschafft, aber verstehen die Genesis aus der Bibel nicht wortwörtlich als Schöpfungsgeschichte der Erde, da sie Untersuchungen und Beweise für das Alter der Erde akzeptieren (vgl. Encylopaedia Britannica 2020). Ein zentraler Grund dafür, dass die Tagesdauer in der sechstägigen Schöpfungsgeschichte der Erde als eine unbestimmte lange Periode von den Befürwortern der alten Erde angesehen wird, ist, dass wissenschaftlich belegt wurde, dass die Erde 4,56 Mrd. Jahre alt ist (vgl. Ham 1987).
Weil die beiden Ansichten hinsichtlich des Erdalters so unterschiedlich sind, versucht die Theory of Intelligent Design (Breitbart 2005: 167) eine unbestimmte intelligente Instanz für die Mechanismen der Erdentstehung und Lebensentwicklung verantwortlich zu machen, sodass die wissenschaftliche Urknalltheorie und die Schöpfung durch einen Gott nicht widersprüchlich sind, wobei die unbestimmte Instanz nicht Gott im religiösen Sinne sein muss, sondern auch eine natürliche Kraft oder ein Mechanismus, der bis heute unbestimmt ist (vgl. Breitbart 2005: 167).
2.3. Gegenüberstellung der beiden Entstehungsansätze
Werden die beiden theoretischen Entstehungsansätze der verschiedenen Disziplinen einander gegenübergestellt, wird ersichtlich, dass sich in der religiösen Schöpfungsgeschichte schon die verschiedenen Ansichten der Christen hinsichtlich des Erdalters unterscheiden (vgl. Musharraf 2017: 3). Die jungen Kreationisten glauben an eine junge Erde, die auf mindestens 6000 und maximal 15000 Jahre geschätzt wird, wohingegen die alten Kreationisten die wissenschaftlichen Erkenntnisse hinsichtlich des Erdalters akzeptieren und ihr Verständnis an entsprechenden Stellen in der Bibel veranschaulichen (vgl. Ebd.: 4). Doch in den drei Genesiskapiteln der Bibel wird nur von einer sechstägigen Schöpfung berichtet und dem siebten heiligen Ruhetag (vgl. Ebd.), sie enthält aber keine Aufzeichnungen zur detaillierten Bildung, der Form oder dem Alter der Erde (vgl. Stanford Encyclopedia of Philosophy Archive 2017). Wie lange die Dauer eines Tages der sechstägigen Schöpfung ist, ist unterschiedlich interpretierbar, jedoch wird im Alten Testament das hebräische Wort yom für ‚Tag‘ verwendet, wobei junge Kreationisten es darin als ein Licht-Dunkelheit-Zyklus zeitlich skalieren, in dem Tag und Nacht gibt durch die Erdrotation um die eigene Achse (vgl. Ham 1987). Diese Interpretation widerspricht der, der Befürworter der alten Erde, da sie einen Tag der Schöpfung eine unbestimmte Dauer von Milliarden, Millionen oder Tausenden von Jahren zuschreiben, den Tag als symbolisch verstehen und somit die wissenschaftlichen Erkenntnisse bezüglich des Erdalters nicht ausschließen (vgl. Ebd.).
Geologisch konnte bestimmt werden, dass das Sonnensystem und die Erde sich vor 4,568 Mrd. Jahren bildeten (vgl. Wood 2011: 40). Es ist also deutlich, dass der Yonung earth creationism mit dieser Annahme nicht in Einklang gebracht werden kann und auch die sechstägige Schöpfung der Erde usw. durch Gott in beiden christlichen Ansichten, entspricht nicht der Millionenjährigen Formung der Erde, bis das Leben auf ihr möglich wurde, wie es aber wissenschaftlich nachgewiesen wurde (vgl. Musharraf 2017: 7ff.). Hier kann die Theory of Intelligent Design verwendet werden, um die religiöse und wissenschaftliche Ansicht auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen, indem eine undefinierte intelligente Instanz als Leiter der Mechanismen der Erdentstehung angesehen wird, dieser wird in der Schöpfungstheorie als Gott interpretiert und in der wissenschaftlichen Entstehungstheorie als Auslöser des Mechanismus für den Urknall, Solarnebel etc., sodass die Ansätze grob miteinander in Einklang gebracht werden können (vgl. Breitbart 2005: 167). Aber in der der USA z.B. führt diese Theorie nur zu einer größeren Kluft zwischen Kreationisten und Wissenschaftsbefürwortern (vgl. Breitbart 2005: 167).
Der Versuch die beiden theoretischen Ansätze auszusöhnen scheint mit jeder neuen wissenschaftlichen Erkenntnis zur Erdentstehung schwerer, doch trotz dem koexistieren beide Ansätze weiterhin nebeneinander, da die Wissenschaft laut Einstein nicht ohne Glauben an eine unpersönliche göttliche Instanz auskommt, weil es eben nicht für jede wissenschaftliche Erkenntnis über die Erdentstehung eine logische Erklärung gibt (vgl. Breitbart 2005: 169).
3.Form der Erde
Die Form der Erde war und ist umstritten, deswegen werden in den ersten drei Kapiteln der historische Verlauf und die Erkenntnisse über die Erdgestalt skizziert, um die Dauer der wissenschaftlichen Untersuchungen zur Form und den Erkenntnissen zu veranschaulichen. Im letzten Schritt soll es dann um die Prozesse und Mechanismen gehen, die der Erde ihre Form verleihen.
3.1.Antike Vorstellung der Erdgestalt– Die Erde ist kugelförmig.
Bereits in der griechischen Antike kommt es, wie heute unter Wissenschaftlern und Verschwörungstheoretikern, dazu, dass eine konfliktgeladene Diskussion unter den Kosmologen hinsichtlich der Form der Erde entfacht (vgl. Couprie 2018: 241). Viele griechische Berühmtheiten wie Thales, Diogenes, Laërtius, Hesiod, Anaximander und Pythagoras stellen die Annahme auf und versuchen zu belegen, dass die Erde eine kugelähnliche Form besitzt (Abb. 3) (vgl. Couprie 2018: 241). Jedoch gibt es auch Gegner hinsichtlich dieser Annahme wie Anaxagoras und Demokrit, die von einer flachen Erdgestalt (Abb. 3) ausgehen (vgl. Ebd.: 242). Diese argumentieren, dass beim Auf- und Untergehen der Sonne eine gerade anstatt eine gekrümmte Schattenlinie sichtbar ist, nämlich an der Position am Himmel, an der die Linie abgeschnitten ist, wenn die Erde aber kugelförmig wäre, müsste die Schnittlinie gekrümmt sein (vgl. Ebd.: 253). Aristoteles, einer der bekanntesten und anerkanntesten griechischen Philosophen, weiß von dieser Debatte und will sie beenden, indem er versucht Argumente für die Kugelform der Erde zu finden und einzubringen sowie damit gegen die vermeintlichen Beweise einer flachen Gestalt zu argumentieren (vgl. Ebd.: 242). Aristoteles versucht dabei theoretisch sowie empirisch zu argumentieren, wobei der Fokus stärker auf die empirischen Argumente liegt (vgl. Ebd.). Dafür bringt er überzeugende bis weniger überzeugende Argumente an wie, dass Mondfinsternisse ebenfalls eine Kugelform und einen kreisförmigen Schatten aufweisen bei genauster Beobachtung, wobei Aristoteles von dem Erdschatten ausgeht, jedoch wird eine Mondfinsternis erst durch das Licht der Sonne ausgelöst, sodass Phileas zur Erkenntnis kommt, dass nicht die Erde allein ein kugelförmiger Himmelskörper ist und sie außerdem nicht das Resultat von Finsternissen ist (vgl. Ebd. 243f.). Weiterhin wurde mit Sonnenfinsternissen und dem vermeintlichen Erdschatten, der durch die Zwischenschaltung eines transparenten Himmelskörpers entsteht, versucht die Kugelform der Erde empirisch zu belegen (vgl. Ebd.: 246ff.). Auch die Positionsänderung der Sterne, also wenn der Mensch durch Änderung seiner Lokalität nach Süden oder Norden nicht mehr dieselben Sterne sieht, wird als Argument für die Kugelform genannt, jedoch erkennt Aristotles nicht, dass die Sicht des Menschen auf den Himmel begrenzt ist (vgl. Ebd.: 246ff.). Weitere Argumente sind, dass bei Meeresschiffsfahrten nur der Schiffsmast sichtbar ist, nur bei Annäherung an eine Küste wird auch der Schiffsrumpf erkennbar, sodass Strabo, Aristoteles und viele andere Autoren und ähnliche Argumente nutzen, um die Kugelform der Erde zu belegen, wobei die Effektivität der optischen Perspektive dem entgegengesetzt werden könnte (vgl. Ebd.: 249). Die Zeitdifferenz als beobachtetes Phänomen zwischen Orten, die fast auf der gleichen geographischen Länge liegen, aber weit voneinander entfernt sind aufgrund anderer Breitenlagen, ist ein anderes Argument für die Kugelform, denn Cleomedes nennt beispielsweise, dass im östlichen Persien vier Stunden früher die Sonne untergeht als an der westlichen iberischen Halbinsel (vgl. Ebd.). Dem entgegen steht die Hauptthese bei Annahme einer flachen Erde, dass überall immer die gleiche Zeitzone herrscht (vgl. Ebd.). Ein weiteres empirisches Argument für die Kugelgestalt der Erde, dass in der Antike aber nicht weiter thematisiert wird, ist, dass es eine begrenzte Reichweite des Sonnenlichts gibt, außerdem leuchtet die Sonne in einer bestimmten Reihenfolge auf Teile der Erde in ihrem täglichen Umlauf um den Pol (vgl. Ebd.: 251). Es gibt noch eine Reihe weiterer, weniger überzeugender Argumente, die Aristoteles nennt, um die Kugelform der Erde zu untermauern, doch eins ist sicher, Aristoteles und viele Griechen haben bereits in der Antike recht mit ihren Annahmen, dass die Erde nicht flach, sondern kugelförmig sein muss, genau genommen ist die Erde ein abgeflachtes Rotationsellipsoid (vgl. Ebd.: 258). In der Antike und viele Jahrhunderte danach sind Aristoteles Argumente vernünftig und unwiderlegbar, obwohl viele seiner Argumente nicht ganz schlüssig sind (vgl. Ebd.). Er ist Eratosthenes, der schlussfolgert, dass die Erde kugelförmig ist mit dem Phänomen der unterschiedlichen Schattenlängen in den geographischen Breiten am Mittag, dass aus den im Boden zu astronomischen Zwecken eingesteckten Säulen hervorging, die Eratosthenes bei seiner bemerkenswerten und populären Berechnung des Erdumfangs nutzt, als er merkt, dass bei Sommersonnenwende in Alexandria mittags eine Säule einen Schatten wirft, während in Assuan die aufgestellte Säule (Gnom) gar keinen Schatten anzeigt (vgl. Ebd.: 247). So ermittelte er den Erdumfang mit einer Genauigkeit von 10% (vgl. Kirby 2018: 80).
Abb. 3: Flache oder runde Erde? (earth observatory, Weisberger 2019)
3.2.Die Erde ist keine perfekte Kugel – Modell des (Rotations-) Ellipsoids
Die Kugelform der Erde ist in den 1670er Jahren bereits umstritten, weil ältere Gradmessungen, die damals vorliegen, auf eine andere Form hinweisen (vgl. Rummel 2017: 19). Viele Forscher wie Eisenschmidt 1691, „Eratosthenes, Riccioli, Picard, Fernel und Snellius“ (Rummel 2017: 19) versuchen die Erweiterung der Achsen an den Polen anhand von Gradmessungen zu belegen (Abb. 4), doch erst die Physik liefert den entscheidenden Schritt, um von der kugelförmigen Erde zur Vorstellung eines Erdellipsoids (Abb. 4) zu kommen. Isaac Newton ist es, der auf Basis seiner Ergebnisse zur Hydrostatik sowie Gravitation ein physikalisches Modell der Erdgestalt aus seinem selbst aufgestellten Gravitationsgesetz entwickelt, sodass er 1687 durch Berechnungen ein Rotationsellipsoid erhält (vgl. Ebd.). Dieses kann als gleichwertiges Modell zur homogenen, liquiden sowie rotierenden Erdgestalt angesehen werden und vermerkt dazu eine zunehmende Beschleunigung der Schwerkraft vom Äquator aus zu den Polen (vgl. Ebd.). Verschiedene Berechnungen und Gradmessungen von Cassini, La Condamine etc. um 1740 zeigen an, dass ein an den Polen abgeflachtes Ellipsoid eine solide Annäherung an die Erdgestalt (Abb. 4) ist (vgl. Ebd.: 20). Im 18. Jahrhundert führen weitere Berechnungen und Gradmessungen an unterschiedlichen Orten der Welt zur ansteigenden Validierung und Präzision des Ellipsoids. Zu dieser Zeit und zukünftig wird dieser Vorgang auch Aufgabe der Landesvermessung (vgl. Ebd.: 22). In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts ist es so, dass Grad- und Meridianbogenmessungen zu streuenden Ergebnissen führen, sodass „über den gravitativen Einfluss von ober- und unterirdischen „Störmassen“ (vgl. Ebd.: 23) debattiert wurde. Diese Problematisierung wurde Anfang des 19. Jahrhunderts. durch eine neue Annahme über die Erdform aufgelöst (vgl. Ebd.). Diese Reihe von Gradmessung lassen sich als ellipsoidische Epoche bezeichnen, außerdem führte die letzte Erdvermessung im Kontext dieser Zeitspanne zur Einheit von Längenangaben und -einheiten zumindest in Europa (vgl. Ebd.: 25). Ab dem 19.-20. Jahrhunderts wird es zur Bestimmung eines neuen Modells hinsichtlich der physikalischen Erdgestalt kommen (vgl. Ebd.: 26). Die Erde aus dem Weltraum betrachtet, sieht aus wie eine Kugel, wobei dies Resultat der durch Erdmasse erzeugten Schwerekraft ist (vgl. Stern und Weltraum 2002: 25). Das Ellipsoid kann als erste Annäherung an die Erde gesehen werden als rotierende Kugel, die an den Polen abgeflacht ist im Gegensatz zum Äquator (vgl. Li & Götze 2001: 1661), sodass es einen geringen Unterschied von Pol zu Pol mit 40 km kürzeren Durchmesser als am Äquator gibt, wobei die Erdrotation Auslöser der Polabflachung ist (vgl. Leys 2020).
Abb. 4: Form der Erde als Rotationsellipsoid (dkfindout! (o.J.))
3.3.Die Erde ist kein exaktes Ellipsoid– das Geoid.
Am Anfang des 19. Jahrhundert wird die ellipsoidische Gestalt der Erde immer mehr bezweifelt, weil es immer abweichendere Ergebnisse bei Grad-, Pendel- und Meridianbogenmessungen gibt im Sinne der Abflachungswerte und diese nicht mehr mit Messungsfehlern erklärbar sind (vgl. Rummel 2017: 27). Aufgrund dessen findet sich bei Laplace 1799 die Bemerkung, „dass die Erde sich sehr merklich von einer elliptischen Gestalt entferne“ (Ebd.). Zur Lösung dieses Konflikts werden viele unterschiedliche Methoden vorgeschlagen wie z.B. Vermeiden von lokalen Anomalien beim Auswählen von Punkten auf dem Gradnetz und das Verbessern dieser (vgl. Ebd.). Durch die weiteren Messungen und Abweichungen wird der Zweifel an der Kontinuität der Abflachung der Meridiane und an den Polen nur verstärkt, sodass 1806 der Astronom von Zach die These aufstellt, dass die Erde kein Ellipsoid ist, sondern eine ganz ungleichmäßige Form besitzt (Abb. 5) , deswegen sollten weitere Gradmessungen erfolgen, um diese Annahme zu bestätigen (vgl. Ebd.: 28). Aufgrund der Vielzahl und der Besserung von globalen Gradmessungen können mehr Ellipsoidmodelle berechnet werden, wobei Gauß und Legendre in den 1820ern bei über zwei Datensätzen die kleinsten-Quadrate-Methode zum Ausgleich entwickeln und verwenden, sodass Gauß 1821 die Erdgestalt als Geoid beschreibt (vgl. Ebd.: 35f.). Er bezeichnet die Erdoberfläche der Erde aus geometrischer Sicht als Fläche, die als Teil der Meeresoberfläche angesehen werden kann und die, die Schwerekraft an jeder Stelle vertikal schneidet, sodass das Rotationsellipsoid als einfaches Modell und das Geoid (Abb. 5) als annäherndes Modell der Erde gesehen werden kann (vgl. Ebd.: 37). Durch das Aufweisen eines Schalenaufbau der Erde, die aus festem innerem Kern, liquiden äußeren Kern und festen, jedoch plastisch verformbaren Mantel besteht, herrschen Schwerkraftanomalien sowie große Höhenunterschiede zwischen Ozean und Landmassen, sodass die Erdoberfläche deformierbar ist und Dellen aufweist, die geowissenschaftlich auf die „Dichteverteilung im Erdinneren und die damit in Verbindung stehenden physikalischen Prozesse“ (Stern und Weltraum 2002: 25) zurückzuführen sind. Das Geoid stellt eine Referenzoberfläche und Gleichgewichtsgestalt der Erde dar (Abb. 5), wie wenn ihre Oberfläche mit stillem Wasser bedeckt wäre (vgl. Ebd.). Aufgrund dessen wird das Geoid in der Landesvermessung als Normal Null für die Bestimmung topographischer Höhe genutzt (vgl. Ebd.: 25).
Abb. 5: Die Erde als Geoid.(Landesamt für Digitalisierung, Breitband und Vermessung(o.J.))
3.4.Wodurch erhält die Erde ihre unregelmäßige Form?
Die Erde erhält ihre Form aus einer Vielzahl von Mechanismen und Prozessen, wie der natürlichen Schwer- bzw. Gravitationskraft, die auf der Erdoberfläche und in ihrem Inneren, die Erde prägen, außerdem weist die Erde eine unregelmäßige Form aufgrund der Höhenunterschiede im Relief auf (vgl. The european space agency o.J.). Die Erdrotation löst die Polabflachung aus, dazu ist die diskontinuierliche Dichteverteilung des Materials im endogenen Aufbau der Erde ebenfalls einen Grund für die Erdgestalt (vgl. Ebd.). Weitere Einflüsse, die aber geringfügiger sind, sind Grundwasser-, Erdöl-, und Mineralvorkommen sowie Meeresspiegelanstieg, topographische Veränderung im Relief wie z.B. Bewegung der Eiskappen, Vulkanausbrüche, Erdbeben etc. (vgl. Ebd.). Anhand von NASA-Satellitendaten wurde von Forschern festgestellt, dass die Form der Erde ebenfalls von großen und intensiven Klimaereignissen beeinflusst wird, wobei diese klimatischen Ereignisse die Veränderungen der Meere, Landmassen und veränderte Wassermengen, die in der Erdatmosphäre gespeichert sind, zum Resultat haben (vgl. NASA 2005). Vor allem Klimaereignisse wie der El Nino Southern Oscillation (ENSO) und Pacific Decadal Oscillation (PDO) wirken sich auf Wassermassen in Meer, Atmosphäre und Landmassen aus (vgl. Ebd.). Die Studie analysierte Neigung der Erde, die Abflachung an den Polen und die Erweiterung des Äquators mit einem SLR-Satelliten, wobei die daraus entnommen Daten anzeigen, dass es eine Umverteilung der Wassermassen in Meeren, Atmosphären und Landmassen gibt, die eine kleine Variation des Schwerefeldes auf der Erde zur Folge haben (vgl. Ebd.). Forscher der Vienna University of Technology haben die Auswirkungen der Atmosphäre auf die Form der Erde sowie Rotation und Schwerefeld der Erde untersucht und erkannt, dass der Luftdruck in der Atmosphäre bei Wetterereignissen mit Hochdruck die elastische Gestalt der Erde bis zu 2 cm variieren und beeinflussen kann, sodass sich so auch das Gravitationsfeld der Erde verändern könnte (vgl. Vienna University of Technology 2010). Letztendlich sind die größten Abweichungen von der Kugelform auf die Rotation sowie Schwankungen des Auftriebs der Erdoberflächen- und Innenschalen zurückzuführen (vgl. Anderson 2007: 62).
4.Aktuelle Forschungsprojekte zur Entstehungstheorie der Erde
Um einen Einblick in die aktuelle Forschung hinsichtlich der Erdentstehung zu erhalten (Abb. 6), werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die anhand von Gesteinsisotopenanalyse das ABEL-Modell (vgl. Ebisuzaki & Maruyama 2017: 253) sowie im Projekt der StarPlan-Group anhand von Eisenisotopen die Erdentstehung thematisieren (vgl. Bizzarro, Schiller, Siebert 2020: 1).
Abb. 6: Übersicht zu den Forschungsprojekte (Eigene Darstellung, zit. nach Bizzarro, Schiller, Siebert 2020: 1-7; Ebisuzaki & Maruyama 2017: 253-274)
4.1.Ursprung der Erde: Ein Vorschlag des ABEL-Modells (2016)
Das ABEL-Modell besagt, dass die Erde als Planet ohne Wasser geformt wurde bzw. als trockener Planet vor 4, 56 Milliarden Jahren aus Enstatit-Chondrit ähnlichem Material entstanden ist, ohne Ozean- und Atmosphärenvorkommen (Abb. 7) (vgl. Ebisuzaki & Maruyama 2017: 253). Nach der Erdentstehung kam es zu einer sekundären Akkumulation von biologisch-chemischen Elementen wie Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O), deren Konzentration vor 4,37-4,20 Mrd. Jahren ihren Höhepunkt erreichte (vgl. Ebd.). Es liegt hier ein zweistufiges Erdentstehungsmodell vor (Abb. 7), dass von den Forschern dieses Projekts als Bioelementmodell bzw. ABEL-Modell bezeichnet wird, diese zwei Stufen bestehen dabei aus der Formation einer vollständig trockenen Erde und dem Aufkommen und Anreichern oxidierter Bioelemente (Stoffe bzw. Wasserbestandteile) sowie dem daraus resultierenden ABEL-Angriffen bzw. Bombardierungen (Abb. 7) der Erde vor 4,37-4,20 Mrd. Jahren aus dem All, die eine Atmosphären und einen Ozean auf der Erde erzeugten (vgl. Ebd.: 261). Außerdem liefert das ABEL-Modell, was Advent of bio-elements bedeutet, mit der ABEL-Bombardierung eine Ursache für die Entwicklung der stagnierenden Deckeltektonik zur Plattentektonik (vgl. Ebd.) Die ABEL-Bombardierung kann dabei als über 170 Mio. Jahre anhaltender, explosiver Angriff auf die Erde bzw. Protoerde mit kohlenstoffhaltigem Chondrit während einer Gravitationsstreuung von drei großen Gasplaneten vor 4,37 Mrd. Jahren angesehen werden, wodurch die Bioelemente auf Erde gekommen sind (vgl. Ebd.: 2601) und Asteroidenmaterial tief in Erdinnere einarbeitete (vgl. Ebd.: 270).
Abb. 7: Die zweistufige Bildung der Erde. (Ebisuzaki & Maruyama 2017: 256)
4.2.StarPlan-Group 2020: Eisenisotopenanalyse zur Untersuchung der Planetenentwicklung
Der Forschungsschwerpunkt des dänischen Forschungsprojekts liegt auf den Ursprung und der Entwicklung terrestrischer Planeten sowie der zeitlichen Abfolge der Prozesse zur Planetenentstehung (vgl. Globe Institut Kopenhagen 2020). Die Dynamik der Mechanismen der Planetenbildung soll durch Eisenisotopenanalysen und ihren Ergebnissen dargestellt werden (vgl. Ebd.).
Die unterschiedlichen Isotope von Himmelskörpern des Sonnensystems skizzieren eine Vorstellung über die Entstehungsgeschichten der Planeten unserer Galaxie (vgl. Bizzarro, Schiller, Siebert 2020: 1). Es geht bei der Untersuchung des Forschungsprojekts hauptsächlich um die Zusammensetzung von nukleosynthetischen Eisenisotopen unterschiedlicher Meteorite, sodass ersichtlich wird, dass nur kohlenstoffhaltiges Cl-Chondrit Material als Hauptbestandteil terrestrischer Planeten zu charakterisieren ist (vgl. Ebd.). Die Forschungsgruppe nimmt an, dass die Formation der Planeten in Intervallen stattfindet, von der Bildung fester Planeten in Marsgröße bis hin zur Differenzierung des inneren Aufbaus dieser, sodass es auf der Erde zum Vorkommen von Wasser kam (vgl. Ebd.). Die Kollision von Planetesimalen wird von den Forschern dabei als Mechanismus der Planetenbildung und des -wachstums angesehen, wobei anhand von Eisenisotopenanalyse eine Eisensignatur der untersuchten Art nur im Erdmantel zu finden ist, die für die Untersuchung von StarPlan von Bedeutung ist (vgl. Ebd.: 5). Es werden 70% dieses Eisenvorkommens aufgrund eines Cl-Chondrit-Meteoriten vermutet, der auf die Urform der Erde eingeschlagen ist (vgl. Ebd.).
5.Fazit
Zusammenfassend und abschließend kann die Entstehung der Erde mit dem Urknall erklärt werden, denn durch diesen ist das Universum entstanden und hat den Prozess der Erdentstehung Milliarden Jahre später eingeleitet. Diese wissenschaftliche Theorie ist allgemein anerkannt und wissenschaftlich fundiert, sodass sie mehr Aussagekraft als die religiöse Schöpfungstheorie besitzt, denn von einer sechstägigen Schöpfung im Sinne von den 24h-Zyklus eines Tages, die wir kennen, ist nicht auszugehen. Die theory of Intelligent Design ist eine Option, die Schöpfungstheorie und wissenschaftliche Theorie aufeinander abstimmen und gegenüberstellen zu können, ohne einen vollkommenen Widerspruch aufzustellen, doch sie verschärft auch die Kluft zwischen religiösen und wissenschaftlichen Befürwortern. Die Form der Erde entspricht grob gesehen einer Kugel, wie bereits in der Antike schon festgestellt und versucht wurde, zu belegen. Die Vielzahl der Gradmessungen führt im zeitlichen Verlauf zur Feststellung einer ellipsoidischen Form der der Erde, da erkannt wurde das der Polradius kürzer ist als der Radius der Erde am Äquator. Beim Versuch verschiedener Wissenschaftler den Abflachungswert der Erde auf einen Standardwert zu bringen, kommt es immer wieder zu streuenden Ergebnissen, sodass die Erkenntnis aufkommt, die Erde hat eine unregelmäßige Form, die man mit dem Geoid näherungsweise versucht zu beschreiben und visualisieren. Die zwei Forschungsprojekte zeigen anhand von verschiedenen Isotopenanalysen an, wie die Erde genau entstanden ist, wobei die einzelnen Schritte der Entstehung durch die Untersuchungen von Isotopen versucht werden zu belegen. Das vorliegende Themenkonzept beantwortet die in der Einleitung und Motivation aufgestellten Fragen.
6. Literaturverzeichnis
Anderson, D.L. (2007): The shape of the Earth. In: Cambridge Press (Hg.): New Theory of the Earth. New York: 62-72.
Bizzarro, M.; Schiller; Siebert, J. (2020): Iron isotope evidence for very rapid accretion and differentiation of the proto-Earth. In: Science Advances 6: 1-7. doi: 10.1126 / sciadv.aay7604 [14.12.2020]
Musharraf, M. N. (2017): Age of earth and evolution – Can religion and science reconcile? In: Australian Journal of Humanities and Islamic studies research (AJHISR) 3 (2): 1-12. https://www.researchgate.net/publication/319234577 [16.12.2020]
National Academy of Science (1999): Science and Creationism: A View from the NationalAcademy of Sciences. 2. Aufl., Washington DC.http://www.nap.edu/catalog/6024.html [17.12.2020]
Rothe, P. (2019): Unsere Erde, Von ihrer Entstehung bis zur Plattentektonik. In: Klempt, E. (Hg.): Explodierende Vielfalt. Wie entsteht Komplexität. Bonn: 97-107.
Die Atmosphäre der Erde ist eine Hülle aus Gasen und suspendierenden Partikeln und lässt sich als Schutzhülle unseres Erdballs verstehen (Klose 2008: 10). Diese Hülle ist das Resultat eines Gleichgewichts zwischen der Schwerkraft und einer Eigenbewegung der Atome (Klose 2008: 9).
Dabei lässt sich die Atmosphäre beim Aufbau auf zwei Arten betrachten: einmal den vertikalen Aufbau und einmal die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre selbst.
1.1 Der Ursprung der Atmosphäre
Über den Ursprung der Atmosphäre lässt sich, genauso wie über den Ursprung der Erde selbst, nur spekulieren. Laut Kosmologen war die Erde nach dem Urknall ein feuriger Ball, der mit einer heißen Gashülle um die Sonne kreiste (Saha 2008: 9). Diese Gashülle wird auch als Urnebel angesehen (Kappas 2009: 71). Danach geht man davon aus, dass eine rasche Abkühlung erfolgte, was dazu führte, dass sich einerseits durch Kondensation die Ozeane und Wasserflächen bildeten, andererseits Stoffe in Gestein eingeschlossen wurden. Der Rest blieb als Gashülle zurück und ermöglichte ein Leben auf der Erde (Saha, 2008: 9). Die Atmosphäre der Erde ist also das Produkt einer langen Entwicklung.
1.2 Der vertikale Aufbau
Die Atmosphäre kann man sich bildlich als einen Kuchen mit mehreren Etagen und Füllungen dazwischen vorstellen. Insgesamt gibt es 5 Schichten in der Atmosphäre (Kappas 2009: 72ff.).
Vom Erdboden aus kommt als erstes die Troposphäre, an den Polen reicht sie nur fünf Kilometer in die Höhe, am Äquator wächst die Höhe auf bis zu 17 Kilometer an (Kappas 2009: 73). In der Troposphäre spielt sich das gesamte pflanzliche und tierische Leben, sowie das Wetter ab (Kappas 2009: 73). Sie ist von der Höhe her gesehen die dünnste der Schichten, hat jedoch die höchste Dichte. In ihr befinden sich 90% der gesamten Erdluftmasse (Kappas 2009: 73). Die Grenze zur nächsten Schicht bildet die Tropopause (Kappas 2009:73). Auf die Troposphäre folgt die Stratosphäre. Sie bildet mit der Mesosphäre die mittlere Atmosphäre (Kappas 2009: 73). Die Stratosphäre reicht bis zu 50 Kilometer über den Erdboden (Saha 2008: 20) und ist somit ca. 35 Kilometer mächtig. Die auf die Stratosphäre mit ihrer Stratopause folgende Mesosphäre reicht bis etwa 80 Kilometer in die Höhe und hat somit eine Mächtigkeit von gut 30 Kilometern (Saha 2008: 20). Nach der Mesopause folgt die letzte Schicht, die Thermosphäre (Saha 2008: 20). Darüber folgt der Übergang in das Weltall (Kappas 2009: 73).
Abbildung 1
1.3 Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Stickstoff mit 78,09%, Sauerstoff mit 20,95%, Agron mit 0,93% und Kohlendioxid mit 0,035% (Kappas 2009: 71). Die restlichen Bestandteile werden als Spurenelemente zusammengefasst, da ihr Anteil sehr gering ist; zu nennen sind hier aber Neon, Helium und Ozon (Kappas 2009: 71). Interessant ist, dass ca. 99% der gesamten Masse in der Troposphäre zu finden sin (Klose 2008: 10).
Abbildung 2
Um die jeweiligen Anteile der einzelnen Stoffe besser und anschaulicher darzustellen, gibt es die sogenannte Säulenhöhe. Diese gibt an, wie hoch ein komprimiertes Gas unter Normalbedingungen wäre, Normalbedingungen sind dabei 0°C und 1013hPa (Wagner, Walter 2017: 16). Das nebenstehende Diagramm zeigt, dass Stickstoff 6250 Meter hoch wäre und Sauerstoff 1670 Meter. Zu Argon liegt schon ein gigantischer Sprung auf nur 74 Meter, gefolgt vom Wasserstoff mit 35 Metern. Der Anteil des Ozons ist so gering, dass es eine Säulenhöhe von gerade mal 0,035 Metern erreicht (Wagner, Walter 2017: 16). Da der Anteil des Ozons so gering ist, wird es meistens in der Einheit Dubson Unit (DU) angegeben, da es trotzdem sehr wichtig ist (Kappas 2009: 72). 1000 Du entsprechen dabei einem Zentimeter der Ozonsäulenhöhe. Das Ozon hat somit eine DU von ca. 300 DU (Kappas 2009: 72).
2. Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
Für den Strahlungshaushalt der Atmosphäre sind zwei Größen von besonderer Bedeutung, einmal die solare Einstrahlung der Sonne, auch Solarstrahlung genannt, und die thermische Strahlung von der Erde selbst.
2.1 Thermische Strahlung
Bei der Atmosphäre handelt es sich um ein Kollektiv an Atomen und Molekülen, die miteinander in Wechselwirkung aber auch einem thermischen Gleichgewicht stehen und so thermische Strahlung emittieren. (Wagner, Walter 2017: 5)
Die thermische Strahlung geht von der Erdoberfläche und der Atmosphäre selbst aus und hat eine Wellelenlänge von ca. 10 Nanometer oder kurz nm (Wagner, Walter 2017: 1). Die thermische Strahlung wird entweder von der Erde und Atmosphäre selbst wieder absorbiert oder in das Weltall ausgestrahlt. Dabei gilt, dass ein Gas nur so viel Strahlung absorbieren kann, wie es auch aufnehmen kann (Wagner, Walter 2017: 5).
2.2 Solare Einstrahlung
Die solare Einstrahlung ist eine der wichtigsten Komponenten des auf der Erde möglichen Lebens, da sie die Voraussetzung für die Temperaturverteilung in der Atmosphäre ist (Kappas 2009: 74).
Bei der solaren Einstrahlung, kurz Solarstrahlung, handelt es sich um die von der Sonne kommende Strahlung. Die mittlere solare Einstrahlung liegt bei ca. 342 Watt pro Quadratmeter (Kappas 2009: 74). Da die Umlaufbahn der Erde elliptisch und nicht kreisförmig ist, besitzt die Solarstrahlung einen Jahresgang und einen Korrekturwert von 1,033 zum Perihel (sonnennächster Punkt) und 0,967 zum Aphel (sonnenfernster Punkt) (Kappas 2009: 74).
Da die Solarstrahlung bis in die Stratosphäre vordringen kann, ist sie ein wichtiger Baustein bei der Ozonproduktion, da sie diese anregt (Kappas 2009: 74; Klose 2008: 14).
2.3 Absorption und Streuung von Strahlung
In der Atmosphäre sind vor allem Ozon und Wasserdampf für die Absorption verantwortlich. Während der Wasserdampf und strahlungsaktive Gase die langwellige thermische Strahlung absorbieren, streuen und absorbieren das Ozon und die anderen Aerosole 18 % der solaren Strahlung als auch der UV-Strahlung (Kappas 2009: 78). Da die strahlungsaktiven Gase und das Ozon die Strahlung auch wieder abgeben, wird ein Teil ins Weltall abgegeben und der andere Teil als Himmels- und Gegenstrahlung zurück zur Erde gestrahlt. Diese Rückstrahlung wird auch Treibhauseffekt genannt (Kappas 2009: 78). Die Atmosphäre schütz somit vor der UV-Strahlung und sorgt dafür, dass genug der eigenen thermischen Strahlung innerhalb der Atmosphäre bleibt und zu globalen Temperaturen führt, die das Leben auf der Erde begünstigt.
3. Der Wärmehaushalt der Atmosphäre
Jede Schicht der Atmosphäre hat eine eigene Temperaturverteilung.
In der Troposphäre nimmt die Lufttemperatur proportional mit der Höhe ab, die tiefste Temperatur liegt hier bei -80°C (Wagner, Walter 2017: 73). Bei einer mittleren Temperatur von ca. 15°C an der Erdoberfläche, nimmt die Temperatur um 6,5°C pro Kilometer ab (Saha 2008: 20). Die Tropopause, also der Punkt der tiefsten Temperatur in ca. 15 Kilometern Höhe, bildet die Grenzschicht zur Stratosphäre (Wagner, Walter 2017: 85). Die Tropopause ist zeitgleich die Grenze der Wasserdampfsphäre (Saha 2008: 20). In der Stratosphäre steigt die Temperatur wieder auf bis zu 0°C (Saha 2008: 20). Grund für diesen Anstieg ist das in der Stratosphäre vorkommende Ozon, das die UV-Strahlung absorbiert, welche somit als Wärmequelle dient (Saha 2008: 20). Bei der Temperaturzunahme in der Stratosphäre muss man in die untere und obere Stratosphäre unterteilen, da in der unteren die Temperatur um ca. 0,5 Kelvin pro 100 Meter ansteigt und in der oberen um 2 Kelvin pro 100 Meter (Wagner, Walter 2017: 87). In der darüber folgenden Mesosphäre fällt die Temperatur auf bis zu -100°C und ca. 80 Kilometern Höhe. In der letzten Schicht, der Thermosphäre, erfolgt abermals ein Temperaturanstieg, da hier die ungefilterte Solar- und UV-Strahlung abgefangen wird (Saha 2008: 20).
Abbildung 3
4. Forschungsprojekte
4.1 Forschungsprojekt StratoClim
Bei dem Forschungsprojekt StratoClim handelt es sich um ein von der europäischen Kommission gefördertes Programm. Das Hauptziel von StratoClim ist die Verbesserung des Verständnisses der Schlüsselprozesse in der oberen Troposphäre und Stratosphäre, um zuverlässigere Projektionen des Klimawandels und des stratosphärischen Ozons zu erstellen. Grund dafür ist, dass es unzureichende Darstellungen der von komplexen Wechselwirkungen und Rückkopplungen gibt (Rex. 2020: o.S). Dazu gehören die natürlichen und anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen, Aerosolvorläufern, die atmosphärische Dynamik und chemische, sowie mikrophysikalische Prozesse (Abalos, Legras, Shuckburgh 2016: 1ff). Dazu sollen Prozesse, sowie deren Auswirkungen auf den Klimawandel besser verstanden werden.
Schlüsselkampagnen waren dabei Höhenflüge über den asiatischen Monsumgebieten mit innovativer und umfassender Nutzungslast (Unter Nutzungslast versteht man hier die Lasten, die die genutzten Transportmittel aufnehmen können) (Li, et al.2020: 1ff.), die Messung der Intensivität des tropischen stratosphärischen Ozons (Bossay, et al. 2015: 96 ff.), sowie neu entwickelte Satellitenprogramme.
4.2 Forschungsprojekt Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP)
Das SHARP Projekt befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen der Atmosphärenchemie und dem Klimawandel und möchte das Verständnis und die Fähigkeit zur Vorhersage des Klimawandels mit der Wechselwirkung mit der Stratosphäre verbessern. Dazu wurde der Fokus auf die quantitative Erkennung, Zuordnung und Vorhersage von Veränderungen in der Stratosphärendynamik gelegt (Kircher. 2020: o.S.).
5. Fazit
Die Atmosphäre ist mehr als nur Luft. Ohne sie wäre jegliche Art von Leben auf der Erde nicht möglich: Einmal, weil sie buchstäblich unsere Luft zum Atmen ist, aber auch weil sie uns durch ihre Streuung und Absorption vor der solaren und UV- Strahlung schützt. Und obwohl schon sehr viel von ihr erforscht ist, gibt es immer wieder neue Ansätze für Forschungsprojekte und so ist die Faszination für die Atmosphäre und ihre Eigenschaften bis heute ungebrochen. Der Mensch möchte sie bis ins kleinste Detail verstehen und ihre Veränderungen vorhersagen können, nicht nur was das Wetter betrifft, denn schon eine kleine Veränderung kann vielleicht großen Schaden folgen lassen.
Kirchner, I. (2020): SHARP – Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction https://www.geo.fu-berlin.de/en/met/sharp/index.html [08.01.2021]
Klose, B. (2008): Meteorologie. Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre. Berlin, Heidelberg.
Abbildung 2 selbst erstellt mit daten von Kappas, M. (2009): Klimatologie. Klimaforschung im 21.Jahrhundert – Herausforderung für Natur- und Sozialwissenschaften. Heidelberg.
Abbildung 3 Wagner, T.; Walter, R. (2017): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 5. Aufl., Berlin, Heidelberg.
Die Erde ist unter den inneren Gesteinsplaneten des Sonnensystems hinsichtlich ihres planetaren Magnetfeldes einzigartig. Weder die Venus noch der Mars haben ein aktives Magnetfeld (Dambeck 2015). Auf dem Mars konnte man immerhin Gesteinsproben finden, die darauf hinweisen, dass dieser Planet einmal ein Magnetfeld besaß (Wicht & Christensen 2008). Der Merkur hat ein sehr schwaches Magnetfeld, welches allerdings nicht annähernd so stark ist wie das der Erde (Wicht & Christensen 2008). Um die Ursache für das Vorhandensein eines Magnetfeldes auf der Erde, die Eigenschaften, die Verteilung und mögliche Veränderungen des Erdmagnetfeldes soll es in den folgenden Kapiteln gehen.
2. Funktionsweise eines Magnetfeldes
Magnetfelder sind der Wirkungsbereich von magnetischen Verursachern, in diese Kategorie fallen magnetische Materialien, Elektromagnete und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes (Prangs o.J.). Dieser Wirkungsbereich kann durch Feldlinien dargestellt werden (s. Abb. 2), die vom magnetischen Nordpol zum magnetischen Südpol verlaufen und sich dabei nicht schneiden (Joachim Herz Stiftung 2020).
Abb.2 Festlegung des Verlaufs und der Orientierung der magnetischen Feldlinien am Beispiel eines Stabmagneten (Joachim Herz Stiftung 2020)
Alle magnetischen Materialien richten sich in diesem Magnetfeld nach dem Verlauf der Feldlinien aus (Joachim Herz Stiftung 2020). Im Falle von bewegten, geladenen Teilchen folgen diese dem Verlauf der Feldlinien in Richtung der magnetischen Pole oder werden vom Magnetfeld dorthin abgelenkt (Spanier 2011). Unterschieden wird zudem zwischen den Permanent- und den Elektromagneten. Permanentmagneten sind im Vergleich zu den Elektromagneten in der Lage ein Magnetfeld zu erzeugen, ohne dafür Strom zu benötigen. Sie zeigen beständig magnetische Kräfte. Diese Permanenz ist auf eine parallele Ausrichtung der Elementarmagnete, der atomaren Spins, zurückzuführen (Schmitt 2020). Benötigt wird für diese Ausrichtung jedoch ein äußeres Magnetfeld (Schmitt 2020). Elektromagnete sind Magnete, die nur durch den Fluss geladener Teilchen funktionieren. In Folge der Bewegung der geladenen Teilchen wird auch ein Magnetfeld erzeugt. Wird diese Ladungsbewegung wieder unterbrochen, versagt auch das Magnetfeld (Schmitt 2020).
Das Magnetfeld der Erde lässt sich näherungsweise als Dipolfeld eines Stabmagneten beschreiben (GFZ Potsdam o.J.). Diese Vorstellung wird auch häufig in Darstellungen des Erdmagnetfeldes aufgrund seiner Einfachheit genutzt (s.Abb.3), ist jedoch bei näherer Betrachtung um ein Vielfaches differenzierter.
Abb.3 „Das Magnetfeld der Erde. […] Der nach Süden gerichtete Pfeil gibt einerseits die magnetische Achse wieder, zum anderen die Richtung des Dipols, der als stabförmiger Magnet fast genau im Mittelpunkt der Erde sitzt […]“ (GFZ Potsdam 2006).
Zum einen vermittelt das Bild des Stabmagneten den Eindruck, dass die Erde ein Permanentmagnet wäre. Da die Hauptquelle des Magnetfeldes allerdings auf dem Geodynamo beruht, ist die Beschreibung als Elektromagnet zutreffender. Die Pole des Magnetfeldes der Erde stimmen zudem nicht mit den geographischen Polen überein, tatsächlich ist die Achse des Magnetfeldes um derzeit 10 Grad gegenüber der Erdrotationsachse geneigt (GFZ Potsdam o.J.). Diese Abweichung wird auch als Deklination oder Missweisung bezeichnet (GFZ Potsdam o.J., Nelson et al. 1962: 5). Die magnetischen Pole sind dabei durch die Inklination bestimmt. Die Inklination beschreibt den Einfallswinkel der Feldlinien in die Erde, welche an den Polen genau 90 Grad betragen (GFZ Potsdam o.J.). Ebenso gibt es großräumige Abweichungen von der Form eines Dipolfeldes, die sich, wie auch der starke Dipolanteil, auf Bewegungen im Erdinneren zurückführen lassen (GFZ Potsdam o.J.). Die Form des Erdmagnetfeldes wird zudem stark durch eintreffende Sonnenwinde beeinflusst, dadurch wird es auf der Tagseite zusammengedrückt und auf der Nachtseite herausgezogen. Es formt sich eine kometenförmige Gestalt (Lühr & Maus 2004).
Übung 1: Bau eines Inklinationskompass – Stabmagnet schwebt frei an einer Schnur. Im oberen Bild schwebt der Stabmagnet annäherend waagerecht, die Schnur ist allerdings nicht genau in der Mitte angebracht. Im Idealfall, bei genauer Anbringung der Schnur in der Mitte des Stabmagneten, kippt die rote Seite wenn man sich auf der Nordhalbkugel befindet (rote Seite = magnetischer Nordpol) und die grüne Seite (grüne Seite = magnetischer Südpol) kippt beim Aufenthalt auf der Südhalbkugel
3.1 Geodynamo
Hauptquelle des Magnetfeldes der Erde ist der sogenannte Geodynamo, er macht ca. 90 Prozent der aktuellen stärke des Erdmagnetfeldes aus (GFZ Potsdam o.J.). Voraussetzung für die Funktion des Geodynamos sind die Konvektionsströme von flüssigem Eisenmassen im äußeren Erdkern und die Corioliskräfte, die in das flüssige Eisen des äußeren Erdkerns geordnete Strömungsmuster bringen (Haak et al. 2006: 23). Ursache der Konvektionsströme sind die Temperaturunterschiede im Erdinneren. Das flüssige Eisen wird in tieferen Bereichen, am Übergang vom äußeren zum inneren Erdkern, stärker erhitzt und steigt aufgrund einer geringeren Dichte als das darüber liegende Eisen auf. Im Übergangsbereich zum Erdmantel kühlt das Eisen ab und sinkt zurück Richtung innerem Erdkern (Wicht & Christensen 2008). Der Dynamomechanismus beruht darauf, dass man ein elektrisch leitfähiges Material (flüssiges Eisen) in einem bereits vorhandenen Magnetfeld bewegt. Durch die Lorentzkraft werden elektrische Ströme erzeugt, die wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen (Wicht & Christensen 2008). Das bereits vorhandene „äußere Magnetfeld stammte wohl von der frühen Sonne oder wurde in der Akkretionsscheibe, aus der sich die Planeten bildeten, erzeugt“ (Haak et al. 2006:23).
Ein wichtiger Prozess in der erdgeschichtlichen Historie war die Verfestigung des inneren Erdkerns vor etwa 565 Millionen Jahren (Bono et al. 2019). Aus Messungen von kristallinen Einschlüssen in 565 Millionen Jahren altem Feldspat aus Kanada, konnte die Stärke des Magnetfeldes zur damaligen Zeit rekonstruiert werden (Bono et al. 2019). Ergebnis dieser Untersuchung war ein zehnmal schwächeres Erdmagnetfeld als heute, dass kurz vor dem Kollabieren stand (Bono et al. 2019). Durch die Verfestigung des Erdkerns und die zunehmende Abkühlung wird zusätzliche Energie für den Geodynamo geliefert (s. Abb. 4), was mit einer Zunahme der Stärke des Magnetfeldes einhergeht (Haak et al. 2006: 25).
Abb.4 Schematische Darstellung der Antriebskräfte für die Konvektion im äußeren Erdkern. Die Konvektionsbewegung erzeugt hier das Erdmagnetfeld. (Wicht & Christensen 2008)
Die Energie wird zum einen durch die Auskristallisierung von Eisen freigesetzt, die sogenannte Kristallisationswärme, und durch die Freisetzung leichter Stoffe, wie Sauerstoff und Schwefel an der Oberfläche des inneren Erdkerns. Hier liefert die chemische Konvektion zusätzliche Energie (Wicht & Christensen 2008). Der Prozess der Auskristallisierung wird auch als „Ausfrieren des inneren Kerns“ (Haak et al. 2006: 24) bezeichnet, also das Wachstum des inneren Erdkerns durch die Auskristallisierung von Eisen aufgrund der abnehmenden Temperatur der Erde (Haak et al. 2006: 24).
3.2 Weitere Quellen des Erdmagnetfeldes
Neben dem Geodynamo wird das Magnetfeld der Erde noch durch andere, wenn auch kleinere Quellen beeinflusst. Der nächstgrößere Einflussfaktor ist das Krustenfeld oder auch Lithosphärenfeld, welches durch magnetisiertes Gestein in der Erdkruste nahe der Erdoberfläche erzeugt wird (GFZ Potsdam o.J.). „Die Gesteinsmagnetisierung kann entweder induziert sein (d.h. die Magnetisierung ist proportional zu einem induzierenden Feld, im allgemeinen durch das geomagnetische Kernfeld gut angenähert), oder remanent, wobei Stärke und Richtung der Magnetisierung in den Gesteinen „eingefroren“ sind und sich nur über geologische Zeiträume ändern.“ (GFZ Potsdam o.J.). Die Feldstärke liegt dabei meist unter 100 nT (Nanotesla) (im Vergleich: Stärke des Hauptfeldes zwischen 25000 nT am Äquator und 70000nT an den Polen (GFZ Potsdam o.J.)), nur an wenigen Anomalien, wie in Kursk in Russland oder Bangui in Afrika, werden auch Stärken von mehr als 1000 nT erreicht (GFZ Potsdam o.J.).
Eine weitere Quelle sind die externen Anteile. Diese werden in der Ionosphäre und in der Magnetosphäre gebildet, es handelt sich hier um induzierte Felder von Stromsystemen, die starken zeitlichen Schwankungen unterworfen sind (GFZ Potsdam o.J.). Über lange Zeiträume wird die Stärke dieser Felder auf knapp Null gemittelt, in ihrer Amplitude können sie allerdings bis zu 100 nT stark sein und bei starken magnetischen Stürmen sogar 1000 nT erreichen (GFZ Potsdam o.J.).
Der kleinste Beitrag zum Magnetfeld wird durch die Ozeanströmung generiert. Das hoch leitfähige Meerwasser erzeugt durch Bewegungsinduktion ein eigenes Magnetfeld, dass mit lediglich 10 ppm (parts per million) des geomagnetischen Feldes durch Satelliten messbar ist (Lühr & Maus 2004: 45, GFZ Potsdam o.J.).
3.3 Schutzfunktion
Das Magnetfeld hat eine elementare Schutzfunktion für das Leben auf der Erde. Hochenergetische Teilchen aus dem Universum und von der Sonne bewegen sich mit Geschwindigkeiten von 400 bis zu 3000 Kilometer pro Sekunde durch das Weltall (Spanier 2011). Kollidieren diese ungehindert auf Teilchenebene in der Atmosphäre, können leichte Atome aus der Atmosphäre entfernt und Planeten zu lebensfeindlichen Umgebungen gemacht werden (Spanier 2011). Das Magnetfeld der Erde sorgt dafür, dass die geladenen Teilchen abgelenkt werden und in einem Ring, dem Van-Allen-Gürtel, um die Erde kreisen und, sich spiralförmig um die Magnetfeldlinien bewegend, auf die Atmosphäre treffen (Spanier 2011). Das Magnetfeld der Erde wird durch den anströmenden Sonnenwind kometenschweifförmig verformt (s. Abb.5).
Abb.5 Einfluss des Sonnenwindes auf das Erdmagnetfeld (Günther o.J.)
Problematisch ist es, wenn das interstellare Magnetfeld gegenläufig zu dem der Erde verläuft (s. Abb. 5 Blaue Pfeile). Beim Aufeinandertreffen der beiden Magnetfelder entsteht eine Rekonnexionszone, in der die Feldlinien aufreißen und sich neu verbinden. Es bilden sich an den Polen offene Feldlinien (s. Abb. 5 Rote Pfeile), an denen ungehindert energiereiche Partikel in die Atmosphäre gelangen können (Günther o.J.).
Besonders für die Technik bleibt trotz des Magnetfeldes die Gefahr durch die geladenen Teilchen, die in die Atmosphäre eindringen, bestehen. Kosmische Strahlung hat eine ionisierende Wirkung und kann Computerschaltkreise unerwünscht elektrisch aufladen, was zur Fehlfunktionen führen kann (Spanier 2011). Für Satelliten in der Erdumlaufbahn ist die Gefahr noch um ein Vielfaches größer, da sie einem höheren Strahlungsvolumen ausgesetzt sind (Spanier 2011).
4. Räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes
Die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes wird maßgeblich von den Quellen des Erdmagnetfeldes bestimmt. Ein gängiges Magnetfeldmodell ist das Internationale Geomagnetische Referenzfeld (IGRF) (s. Abb. 6). Es beschreibt das interne Hauptfeld und wird alle fünf Jahre aktualisiert (GFZ Potsdam o.J.). Das interne Hauptfeld, das durch den Geodynamo erzeugt wird, trägt logischerweise am stärksten zur räumlichen Verteilung bei. Dementsprechend ist das Magnetfeld der Erde aufgrund seines Dipolcharakters in den nördlichen und südlichen Breitenkreisen am stärksten und in der Nähe des Äquators am schwächsten (s. Abb. 6). Die anderen Quellen sorgen für kleinräumige oder sporadische Anomalien, wie zum Beispiel die Anomalien des Lithosphärenfeldes bei Kursk oder Bangui (GFZ Potsdam o.J.). Externe Einflüsse wie magnetische Stürme, infolge von starken Sonnenwinden, können das Magnetfeld kurzfristig, aber stark beeinflussen (GFZ Potsdam o.J.).
Abb. 6 Total Force IGRF12 (GFZ Potsdam o.J.)
5. Abschwächung und Umpolung des Erdmagnetfeldes
Die Änderung des internen Hauptfeldes des Erdmagnetfeldes bezeichnet man als Säkularvariation. Im Zuge dieser Änderung des Magnetfeldes wandern auch die magnetischen Pole (s. Abb. 7) und es kann zu einer sogenannten Feldumkehr kommen (GFZ Potsdam o.J.).
Abb. 7 Position des magnetischen und geomagnetischen Pols (rote Punkte) auf der Nordhalbkugel (links) und der Südhalbkugel (rechts) von 1590 bis 2017 (GFZ Potsdam o.J.)
Das Magnetfeld der Erde nimmt seit circa 160 bis 170 Jahren ab (GFZ Potsdam o.J., Buffett & Davis 2018) und hat in diesem Zeitraum um rund 10 Prozent abgenommen (GFZ Potsdam o.J.). Dass sich das letzte Mal die Polarität des Magnetfeldes änderte, geschah vor 780000 Jahren und es vergehen im Mittel 200000 bis 300000 Jahren zwischen zwei Umpolungen (Buffett & Davis 2018). Die Umpolungen geschehen jedoch äußerst unregelmäßig, weswegen es falsch wäre davon auszugehen, dass eine Umpolung überfällig wäre (Buffett & Davis 2018). Die Wahrscheinlichkeit für eine Umpolung innerhalb der nächsten 20000 Jahre liegt bei unter zwei Prozent (Buffett & Davis 2018).
5.1 Verantwortliche Prozesse
Verantwortlich für die Abschwächung des Magnetfeldes und die Wanderung der Pole sind die Strömungen des flüssigen Eisens im äußeren Erdkern (Buffett & Davis 2018). Berechnungen zeigten, dass sich eisenreiches Material besonders auf der westlichen Seite des Erdkerns ablagerte. Auf der östlichen Seite dagegen schmolz der Kern teilweise auf, wodurch sich der tausend Jahre vollziehende Westdrift des Magnetfeldes erklären ließ (Olson & Deguen 2012). Die neuerliche Bewegung des Magnetfeldes nach Osten lässt sich damit allerdings nicht erklären (Olson & Deguen 2012). Die genauen ablaufenden Prozesse im Erdinneren sind im Wesentlichen unklar, was alle konkreten Vorhersagen bisher unmöglich macht (Titz 2018).
5.2 Folgen
Das Magnetfeld ist hauptsächlich dafür verantwortlich, uns vor der kosmischen Strahlung zu schützen (Spanier 2011). Nimmt die Stärke des Feldes und die herrschende Dipolstruktur des Magnetfeldes ab, können vermehrt geladene Teilchen in die Atmosphäre und durch den Verlust der Dipolstruktur häufiger an Anomalien an verschiedensten Orten auf der Erde eindringen. Beispielhaft dafür ist eine Anomalie über dem Südatlantik, in der das Magnetfeld besonders schwach ist (s. Abb. 8). Satelliten und Luftfahrzeuge, die durch diese Region fliegen, sind häufiger technischen Störungen ausgesetzt (ESA Earth Observation Portal 2020). Das Magnetfeld geht jedoch nicht während einer Feldumkehr komplett verloren, sondern lediglich der Dipolcharakter. Das Feld würde an Komplexität hinzugewinnen und sich mit zunehmender Stärke in umgekehrter Richtung wiederaufbauen (Haak et al. 2006: 30). Folgen würden auch für menschliche Navigationssysteme auftreten, und für Tiere, die sich anhand des Magnetfeldes orientieren.
Abb. 8 Die Südatlantik-Anomalie ist ein Gebiet, in dem unser Schutzschild schwach ist. Diese Animation zeigt die Stärke des Magnetfeldes an der Erdoberfläche zwischen 2014-2020, basierend auf den gesammelten Daten der Swarm-Satellitenkonstellation (aus dem Englischen gemäß ESA Earth Observation Portal 2020)
6. Fazit
Die Forschungen zum Magnetfeld der Erde sind im vollen Gange. Gerade die Phänomene wie die Verschiebung der magnetischen Pole und die Polsprünge beschäftigen die Forscher. Aber auch grundlegende Eigenschaften des Erdmagnetfeldes, wie der Antrieb durch den Geodynamo, sind noch nicht vollends erklärbar (Titz 2018). Aufgrund der Prozesse in den großen Tiefen des Erdkerns ist man weiterhin auf die Untersuchung von paläomagnetischen Gesteinen und Computermodellen angewiesen, um Aussagen über historische Entwicklungen des Erdmagnetfeldes und damit auch über mögliche zukünftige Entwicklungen treffen zu können. Da das Erdmagnetfeld nicht nur für unsere Orientierung und die vieler Tiere wichtig ist, sondern auch als Schutzfaktor für die Erde, hat die Bestimmung und Prognose der zukünftigen Entwicklung und Ausrichtung des Erdmagnetfeldes eine enorme Bedeutung.
Das Magnetfeld der Erde wird näherungsweise als _______ beschrieben. Aufgrund der häufigen Darstellung eines Stabmagneten als Magnetachse könnte man auf den ersten Blick davon ausgehen, dass das Erdmagnetfeld auf einem ______-magnet beruht. Es beruht jedoch vielmehr auf einem _____-magnet. Antrieb des Erdmagnetfeldes ist nämlich ein ______-prozess, der sogenannte ______.
_______-ströme im äußeren Erdkern führen zu einer Bewegung von elektrisch leitfähigem Material. Vereinfacht gesagt, erzeugt dieses bewegte Material in einem initiierenden Magnetfeld, dass vermutlich von der _____ stammte, durch die Lorentzkraft weitere Magnetfelder.
Der Antrieb zieht zusätzliche Kraft aus der Auskristallisierung, auch „______ __ _____ _______“ genannt. Bei der Auskristallisierung werden ____________ und leichte ______ freigesetzt.
Neben dem bereits erwähnten Antrieb des Erdmagnetfeldes, gibt es noch weitere Quellen, die Magnetfelder auf der Erde erzeugen und zu kleineren Abweichungen des Erdmagnetfeldes führen. Zu nennen wären das __________, dass besonders stark bei Kursk und Bangui ist, der _____ _____, gebildet in der Ionosphäre, und der __________ und die ___________ als kleinste Quelle.
Die Stärke und die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes folgen der Dipolstruktur. Somit findet man die stärksten Bereiche des Erdmagnetfeldes an den _______ und die schwächsten Bereiche in der Nähe des _________. Eine Anomalie, an der das Erdmagnetfeld besonders schwach ist, findet man über dem ________.
Gefährlich sind solche Anomalien oder schwache planetare Magnetfelder, da Magnetfelder eine elementare Schutzfunktion erfüllen. Neben dem Schutz der _____, die negativ auf die stark ionisierende ________ _______ reagiert, schützt das planetare Magnetfeld besonders auf _____-ebene, da _________ _________ im Universum mit bis zu 4000 km/h auf die Atmosphäre treffen und ohne Magnetfeld ungehindert _____ aus der Atmosphäre entfernt werden.
7. Literatur
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Es gibt aktuell verschiedene Forschungen im Bereich der Plattentektonik von unterschiedlichen Institutionen. Eine Institution ist die Alfred Wegener Stiftung in Bremerhaven, benannt nach dem Gründer der Theorie der Kontinentalverschiebung. (https://www.awi.de/forschung/geowissenschaften/geophysik.html) Dort geht es um die Erforschung des Untergrunds vom Meeresboden bishin zum Erdmantel. Ziel dieser Untersuchung ist es, Erkenntnisse über die Prozesse des Antriebs von Kontinentaldrifts, sowie über die Beeinflussung des Klimas, durch das Öffnen von verschiedenen Meeresstrassen zu gewinnen. Im speziellen werden hier die Polarregionen untersucht. Des Weiteren gibt es auch die „University of Birmingham“ die im Bereich der Tektonik weiter forscht. (https://www.birmingham.ac.uk/research/activity/earth-sciences/platetectonics/index.aspx) In ihrem Forschungsprojekt, beschäftigen sie sich mit der Struktur und Entwicklung von Plattengrenzen und ihren Prozessen. Der Zusammenhang von Mantel- und Oberflächenprozessen ist auch ein Aspekt der dabei untersucht wird. Dabei wird sowohl im globalen, als auch im lokalen Maßstab geforscht. Unterstütz wird die Forschung unter anderem durch seismische Bildgebung von Erdbeben und Paläomagnetismus, der den Magnetismus an Gesteinen misst (AWI o.J., University of Birmingham o.J.).
Ziel dieser Arbeit ist es die Grundbausteine, also die Prozesse die für die Landschaftsformen verantwortlich sind, sowie die Entstehung der Landschaftsformen in Hinblick auf die heutige Forschung darzustellen und zu analysieren. Der Aufbau der Arbeit ergibt sich wie folgt: Auf eine kurze Einführung zum Begriff Plattentektonik, folgen die Mechanismen die die Platten antreiben. Ein Überblick über die zeitliche Veränderung der Land- und Meeresverteilung wird im Weiteren geschaffen. Anschließend werden die Plattengrenzen und die dort entstehende Dynamik erläutert. Am Ende werden die wichtigsten Erkenntnisse der Plattentektonik aus der Arbeit aufgenommen, bewertet und im Fazit zusammengebracht.
2 Definition Plattentektonik
Plattentektonik ist eine kinematische Theorie, die sich mit der Entstehung von Oberflächenphänomenen und Landformen auseinandersetzt. Es handelt sich hierbei um eine kinematische Theorie, da diese Phänomene aus der großräumigen und unterirdischen Bewegung der Erde resultieren. Die äußere Erdhülle, welche auch als Lithosphäre bezeichnet wird, besteht aus vielen kleinen und großen starren Platten die auseinandergebrochen sind. Begrenzt wird diese durch die Asthenosphäre, die 100 bis 200 Kilometer tief in den Bereich des Erdmantels reicht und auf der sich die Lithosphärenplatten bewegen. Prozesse zwischen der Asthenosphäre und der Lithosphäre führen dazu, dass sich die Platten in unterschiedlicher Geschwindigkeit 2 bis 15 cm pro Jahr verschieben. Man bezeichnet diese Platten als tektonische Platten. An sogenannten Plattengrenzen kommt es dann zu Interaktionen der Platten, welche sich dann als Vulkane, Berge, Inselketten, Tiefseegräben und Sedimentbecken zeigen. Die Position der Plattengrenzen lässt sich somit, durch diese Phänomene lokalisieren (Boyden et al. 2011, National Geographic o.J.).
3 Mechanismen der Plattentektonik
Der Auslöser für die Plattenbewegung ist zum einen der Wärmefluss von Kern und Mantel, der die Hauptfunktion darstellt und zum anderen die aktive Funktion der Platten im Konvektionssystem. Ein Beispiel für eine aktive Funktion ist die Subduktion, bei der eine Platte unter eine andere gedrückt wird. Bei der Mantelkonvektion wird die Hitze aus dem Erdinneren, die durch den Zerfall radioaktiver Elemente verstärkt wird, freigesetzt und nach oben transportiert. Heiße Materie, welche eine geringere Dichte vorweist steigt zur Oberfläche auf und kalte sinkt zum Erdkern runter. Dieser Prozess, der auch thermische Konvektion genannt wird, führt auf Grund der Temperaturunterschiede zu einer thermischen Ausbreitung der Lithosphärenplatten (Burg 2011, DLR o.J.).
Der Wärmefluss vom Erdkern bis zum Erdmantel wird dabei im folgenden Video dargestellt.
Video 1: Mantelkonvektion der Erde (https://www.youtube.com/watch?v=MmMX83diwl0)
4 Vergangene und zukünftige Entwicklung der Land- und Meeresverteilung
Im zeitlichen Verlauf der Entwicklung der Verteilung der Erde von Landmassen und Ozeanen hat man festgestellt, dass es vor Milionen von Jahren einen Superkontinent namens Pangäa gab. Ein Superkontinent wird als solcher bezeichnet, wenn eine starre Anordnung der meisten kontinentalen Landmassen auf der Erde vorliegt. Pangäa existierte vom späten Karbon, 325 Millionen Jahre vor heute, bis in die Zeit des Juras, 150 Millionen Jahre vor heute. Dieser bestand aus 75 bis 90% aus der Kontinentalkruste und gilt somit als Vergleichsgröße für andere Superkontinente. Vor dem jüngsten Superkontinent Pangäa, lassen sich Vermutungen über ältere Superkontinente aufstellen. Bei diesen handelt es sich besipielsweise um Rodinia und Columbia. Nach aktuellen Erkenntnissen geht man davon aus, dass Superkontinente in einem Intervall von 750 Millionen Jahren auftreten (Meert 2012 : 987 f.).
Das folgende Video zeigt die Verteilung der Kontinente auf der Erde von vor 200 Millionen Jahren und deren voraussichtliche Entwicklung in den nächsten 50 Millionen Jahren.
Video 2: Wandernde Kontinente- Plattentektonik im Zeitraffer (https://www.youtube.com/watch?v=_0tejKld8Yk)
Zu dem Zusammenschluss und dem Auseinanderbrechen der Kontinente wurde folgende These aufgestellt: „Bottom-Up Plattentektonik domiert bei der Verschmelzung zu einem Superkontinent, wohingegen die Top-Down Plattentektonik die Hauptursache für das Auseinanderbrechen des Kontinents ist.“ Bottom-Up bezieht sich dabei auf den Prozess der Mantelkonvektion und Top-Down auf die Subduktion, sowie das minimale heben und senken der Platte (Keppie 2016 : 265). Diese Prozesse prognostizieren in ca. 200 Millionen Jahren einen weiteren Superkontinent. Der „Amasia“ im Norden oder der „Aurica“ in der Äquatorregion (Keppie 2016 : 265 ff., Vieweg 2020).
4.1 Wegeners Theorie
Alfred Wegener war ein Geophysiker und Meteorologe, der die Theorie der Kontinentalverschiebung aufgestellt hat. Kontinentalverschiebung, auch Kontinentaldrift genannt, bezeichnet die Bewegung, den Zusammenschluss und das Aufspalten der Kontinente. Sie soll die Erklärung von ähnlichen Gesteinsformationen, gleichartigen Tier- und Pflanzenfossilien auf den verschiedenen Kontinenten liefern. Die Herkunft von Süßwasserreptilien wie der Mesosaurier und fossilen Pflanzen lag in der Perm-Zeit in Südamerika und Afrika. Die Verbreitung dieser Arten auf verschiedenen Kontinenten, sowie die Tatsache, dass die Karroo-Schichten (bestimmte Sedimentabfolge aus dichtem Sandstein) Südafrikas und die Santa-Carina-Felsen in Brasilien wie Puzzleteile zueinander passen, stützen die These. In den 1950er und 60er Jahren kam es durch neue Daten, zu einem Bedeutungsgewinn der Theorie, dass die heutige Land- und Meerverteilung, Fragmente des Superkontinents Pangäa darstellen (Live Science 2017, National Geographic o.J.).
4.2 Wilson Zyklus
Auf Grund von neuen Daten wie den Meeresbodenkarten, die massive weltweite Unterwassergebirge zeigten und magnetische Daten vom Meeresboden, sowie das festgestellte junge Alter der ozeanischen Kruste, führten zu einer Weiterentwicklung von Wegeners These. Diese wurde vom kanadischen Geowissenschaftler John Tuzo Wilson 1980 in Form des Wilson Zyklus umgesetzt. Der Zyklus beschreibt das Öffnen und Schließen von Ozeanbecken und parallel das Auseinanderbrechen von Superkontinenten. Er wird in sechs Phasen unterteilt, die in mehreren Millionen Jahren ablaufen. In der ersten Phase geht es um die Dispersion, die die Rissbildung eines Kontinentes beschreibt. Diese wird vermutlich durch Hot Spots ausgelöst, ein Ort im Erdmantel mit hoher Temperatur, welche die Lithosphärenplatten zum schmelzen bringen. Darauf folgt die Ausbreitung des Meeresbodens mit der Bildung eines jungen neuen Ozeans. Der Riss dehnt sich weiter aus und wird durch das stetige Absinken des Grabenbodens überflutet. Auf Grund von stetig steigendem Magma am Meeresboden entsteht dann neuer ozeanischer Boden. Dies wird auch als Seafloor-Spreading bezeichnet. Die dritte Phase beschreibt die aus dem Kontinentaldrift entstandenen großen ozeanischen Becken. Auf Grund von Subduktionsprozessen, vor allem an Rändern von Meeresbecken, kommt es im weiteren Verlauf zu einer flächenhaften Abnahme der Ozeane. Mit dem Prozess, der Subduktion von ozeanischen Lithosphärenplatten, kommt es anschließend zu der Schließung von ozeanischen Becken. In der letzten Phase kollidieren dann zwei Kontinentalplatten, die zur erneuten Schließung von ozeanischen Becken führen (National Geographic o.J., Wilson et al. 2019). Die Kernelemente dieser These sind folgende: „Plattentektonik, das Öffnen und Schließen von Ozeanen, sowie Mantelwolken“ (Wilson 2019). Bei der Plattentektonik ist der Unterschied zu Wegeners Theorie, dass es nicht nur Platten von den Kontinenten gibt, sondern viele verschiedene Platten. Der wichtigste Treiber ist die Manteldynamik mit den Mantelwolken, bei der extrem heißes Gestein im Erdmantel konvergiert (Wilson 2019).
5 Hot Spots
Wilson beschäftigte sich auch mit der Frage, warum Vulkane nicht nur an den Grenzen von Platten entstehen, sondern auch weit von diesen entfernt. Die Lösung Wilsons 1963 war, dass Inselketten wie Hawaii, durch feste Hot Spots im Erdmantel entstanden sind. Diese sind Regionen des Erdmantels, an denen Magma zur Erdoberfläche aufsteigt. Bewegen sich ozeanische Platten über einen Hot Spot, dann entstehen der Bewegung entsprechend, nacheinander kleinräumige Ketten von Vulkaninseln. Auslöser dieser Hot Spots sind Mantelwolken, die sich pilzformartig mit den geschmolzenen Gesteinen bis zur Grenze von Kern und Mantel ausbreiten (ESKP o.J., National Geographic o.J., Sobolev & Steinberger 2012 : 56 f.).
6 Plattengrenzen und ihre Dynamik
Auf der Oberfläche der Erde gibt es viele verschiedene Lithosphärenplatten, die sich über die Asthenosphäre bewegen und von Konvektionsströmen geleitet werden. Es handelt sich dabei um eine horizontale Verschiebung der starren Festkörper in Form von Platten. Wenn zwei oder mehrere Platten an den Rändern und somit an den Grenzen zusammentreffen kommt es zu Platzproblemen an den Plattengrenzen. Energie entsteht, die in Form von Erdbeben durch ein Auseinanderdriften, kollidieren und durch ein Übereinanderschieben der Platten spürbar wird. Auch genannt als Divergenz, Konvergenz und Blattverschiebung. Dazu kommt es durch zwei Faktoren, die den Drift und somit die Bewegung verursachen. Der eine ist das aufsteigende Magma unter den Plattengrenzen, was dazu führt, dass die Platten auseinander driften. Und zum anderen Subduktionsprozesse einer entfernten gegenüberliegenden Platte. Die Platte wird somit vom Ausbreitungszentrum weggezogen. An den Plattengrenzen ist fast die gesamte tektonische Aktivität vorzufinden. Auf Grund dieser Grenzen kommt es zu Deformationen von Gestein, die sekundäre Strukturen wie zum Beispiel Berglandschaften hervorrufen (Burg 2011 : 110 f., ESKP o.J.).
Diese Grenzen werden in der folgenden Abbildung dargestellt und zeigen die weltweite Verteilung von divergenten und konvergenten Prozessen an den Plattengrenzen.
Abb.2: Plattengrenzen (ESKP o.J.)
6.1 Divergente Plattengrenzen
Bei der Divergenz driften zwei Platten auseinander und ermöglichen dadurch die Bildung einer ozeanischen Platte. Bei dem Prozess werden die Platten auseinandergerissen und Spalten entstehen. Heißes Mantelgestein gelangt somit nah an die Manteloberfläche. An einzelnen Stellen kommt es zu einer Verdünnung der Platten, die die Bildung eines Grabens begünstigen. Der Riss wird im zeitlichen Verlauf immer weiter aufbrechen und ein Meer erschaffen. Ein Beispiel dafür sind die arabischen Halbinseln und Afrika, welche durch das Rote Meer geteilt sind. Das Rote Meer ist dabei ein Beispiel für die Entstehung einer neuen ozeanischen Platte. Vor allem an solchen Zonen findet man mehr als die Hälfte von vulkanischer Aktivität, aber auch die aktivsten Vulkane der Welt. Große entstandene Vulkane in Deutschland sind dabei der Kaiserstuhl, der Vogelberg, sowie Hegau und Eifel (Burg 2011 : 110 f., ESKP o.J.).
6.1.1 Kontinentales Rifting
Kontinentales Rifting beschreibt die Entstehung von Bewegung bei dem Auseinanderbrechen der kontinentalen Platten. Man unterscheidet dabei zwischen passiven und aktiven Rifts. Passive Rifts, auch Lithosphären-aktivierter Rift genannt, sind Rifts die durch tektonische Kräfte zur Ausdehnung der Lithosphäre führen. Merkmale dafür sind schmale Gräben, klastisches Gestein und junger Vulkanismus. Beispiele dafür sind der Baikal- und der Rheingraben, die wenig vulkanische Gesteine und ein assymetrisches System vorweisen. Beim aktiven beziehungsweise mantel-aktivierten Rift sind Manteldiapire Ursache für die Entstehung eines Grabens. Manteldiapire werden mit Hot-Spot Vulkanismus gleichgesetzt, da diese an von Hot Spots ausgedünnter Lithosphäre auftreten und diese Aufwölben. Merkmale sind hoher Vulkanismus, Bruchbildung, Erosion und regionale Diskordanz, die in Form von unregelmäßig geschichteten Gesteinen sichtbar wird. Beispiel dafür ist der Ostafrikanische Graben, der ein symetrisches System und viel Vulkanismus aufweist (Burg 2011 : 113 f.).
6.1.2 Mittelozeanischer Rücken
Der divergente Prozess zwischen zwei kontinentalen Platten impliziert die Bildung von Ozeanbecken, welcher zur Entstehung von mittelozeanischen Rücken führt. Mit einer Länge von ca. 60.000 Kilometern stellt der mittelozeanische Rücken am Meeresboden, die weltweit längste Vulkankette dar. An dieser Stelle bildet sich stetig neue ozeanische Erdkruste. Man spricht dabei von Ozeanspreizung. Lava steigt innerhalb einer 20 bis 30 Kilometer breiten Öffnung zwischen den divergierenden Platten aus. Neu entstandene ozeanische Platten sind jung, dünn und heiß, wodurch sie Auftrieb bekommen und zu einer Relieferhöhung des Ozeanbodens führen. Einem ozeanischen Gebirgsrücken-System. Diese Platten bewegen sich von dem Rücken in unterschiedlicher Geschwindigkeit weg. Es wird zwischen langsamer und schneller Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rücken unterschieden. Je langsamer die Ausbreitung, desto höher und schroffer die Topographie. Bei dem Atlantik handelt es sich um einen langsamen Rücken und bei dem Ostpazifik um einen schnellen (Burg 2011 : 117 ff., Mahlke et al 2011 : 124).
6.2 Konvergente Plattengrenzen
Konvergenz beschreibt den Vorgang bei dem sich zwei Platten aufeinander zubewegen. Wenn sie aufeinanderprallen entstehen Kollisionszonen, durch fehlenden Platz zum ausweichen beziehungsweise fortbewegen. Es gibt zwei Arten von Konvergenz in der Plattentektonik. Zum einen die Subduktion, bei der die ozeanische Platte unter die kontinentale Platte taucht und zum anderen die Kontinent-Kontinent-Kollision, bei der die Kontinentalplatten zusammenstossen. Die Art des Zusammenstossens ist somit abhängig von dem Alter und der Zusammensetzung der Platten (ESKP o.J.).
6.2.1 Subduktionszonen
Subduktionszonen wie der pazifische Feuerring entstehen, wenn eine ozeanische Platte unter eine kontinentale Zone driftet. Infolge der hohen Dichte der ozeanischen Platte und Konvektionsströme an der Kontaktfläche von den Platten, wird diese mit Meerwasser und Sedimenten nach unten gesogen. Hitze und Druck die dabei entstehen führen zu Freisetzung von Flüssigkeiten wie Wasser und Gasen, die in Form von Vulkanen beispielsweise in Neuseeland deutlich werden. Auch bei zwei ozeanischen Platten ist der Prozess ähnlich. Die ältere und dichtere Platte wird unter die jüngere, weniger dichte Platte subduziert und verursacht die Bildung von vulkanischen Inselbögen im Ozean, wie die Aleuten. Bei dem sinken der Platte in den Mantel, beginnt diese zu schmelzen und formt somit das Ausgangsmaterial, die die Vulkanketten vergrößert. Die Subduktion beinhaltet auch die Entstehung von Tiefseerinnen. Tiefseerinnen sind schmal, v-förmig und ca. 100 Kilometer breit mit einer Tiefe von ca. 10 Kilometern unter Normalnull. Sie markieren die Grenze zwischen der sinkenden und überlagernden Platte und befinden sich 50 bis 250 Kilometer vom Inselbogen entfernt. Die tiefste Tiefseerinne ist mit 11.034 Metern der Marianngraben (Burg 2011 : 118 f., ESKP o.J.).
6.2.2 Kontinent-Kontinent-Kollision
Kontinent-Kontinent-Kollision bezeichnet das Zusammenschmelzen zweier kontinentaler Platten, zu einem Kontinent. Hier kommt es zu keiner Subduktion, da die kontinentalen Platten einen zu hohen Auftrieb haben. Bei dem Zusammenstoss wird so viel Druck erzeugt, dass dieser in Form von Bewegung nach oben gedrückt wird und somit entweicht. Ein Gebirgsgürtel entsteht. Je stärker die Lithosphärenplatten sind, desto enger und höher ist die Orogenese und somit die Gebirgsbildung. Beispiele dafür sind der Himalaya resultierend aus der Kollision Indiens mit Eurasien und die Alpen durch die Kollision Afrikas mit Europa. Charakteristisch für diese Art von Kollision sind die Krustenwurzeln unter den Gebirgen. Die Masse wächst im Vergleich 5 bis 7 Mal schneller in die Tiefe als in die Höhe (Burg 2011 : 122 f., ESKP o.J.).
6.3 Blattverschiebung
Im Gegensatz zu der Konvergenz und Divergenz driften bei der Blattverschiebung die Platten nicht aufeinander zu, sondern aneinander vorbei. An dem Punkt wo sich die beiden Platten treffen, spricht man von Transform-Grenzen. Die Platten an diesen Grenzen nennt man auch konservierende Platten, da weder Plattenmaterial zerstört wird, noch neues entsteht. Allerdings führt die Reibung der beiden Platten zu Erdbeben, wie bei der San-Andreas-Verwerfung, die eine Transformstörung aufzeigt (Burg 2011 : 125).
7Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung im Bereich der Plattentektonik mit der Grundlage von Wegeners Theorie seit den 1960er Jahren immer weiter voranschreitet. Es lassen sich bereits die vergangenen und zu erwartenden Land- und Meeresverteilungen mit Hilfe des heutigen Wissens rekonstruieren und vorhersagen. Ursache für die aktuelle Land- und Meeresverteilung liegt dabei bei der Mantelkonvergenz und bei den aktiven Platten. Man geht allerdings davon aus, dass der Faktor „Mantelkonvergenz“ für das Zusammenwachsen und Auseinanderbrechen der Kontinente der ausschlaggebende ist. Insgesamt lässt sich jedoch festhalten, dass durch die Bewegung der Platten, besonders an den Plattengrenzen, Veränderungen in der Landschaft entstehen. Plattengrenzen lassen sich somit vor allem an Hand von Vulkanen, Erdbeben, Tiefseerinnen und Gebirgen ausmachen. Die Art der Landschaftsentwicklung trägt somit dazu bei, die entsprechende Plattengrenze vor Ort zu erahnen. Trotz alledem lässt sich nicht genau sagen, wie die zukünftige Entwicklung der Land- und Meeresverteilung aussehen wird. Es könnten eventuell neue oder andere Prozesse auftreten, die die Erde weiter verformen. Dies wird sich allerdings erst in der Zukunft, durch weitere Forschungsprojekte herausstellen.
Abschließend werden in dem folgenden Video nochmal wesentliche Aspekte der Plattentektonik zusammengefasst.
Video 3: Plattentektonik (https://www.youtube.com/watch?v=WTwou-Cf7u4)
Boyden, J.; Cannon, J.; Clark, J.; Gurnis, M.; Ivey-Law, H.; Müller, D.; Torsvik, T.; Turner, M.; Watson, R. (2011): Next-generation plate-tectonic reconstructions using GPlates. In: G. Randy Keller und Chaitanya Baru (Hg.): Geoinformatics. Cambridge: Cambridge University Press, S. 95–114.
Tamedia Espace AG (Hg.) (2018): Ostafrikanischer Graben. https://www.derbund.ch/wissen/natur/hier-spaltet-sich-afrika/story/12924658 [02.01.2021]
DLR (o.J.): Mantelkonvektion in Planeten und Monden. https://www.dlr.de/pf/desktopdefault.aspx/tabid-4878/ [29.12.2020]
Easyvoyage (o.J.): Die Aleuten. https://www.easyvoyage.de/usa/die-aleuten-6568 [02.01.2021]
ESKP (o.J.): Plate tectonics and volcanism.The Earth’s outer crust is composed of different tectonic plates. These drift apart, collide or slide over each other and can cause earthquakes. ://www.eskp.de/en/basic-knowledge/natural-hazards/plate-tectonics-and-volcanism-935407/ [12.12.2020]
Keller, G. Randy; Baru, Chaitanya (Hg.) (2011): Geoinformatics. Cambridge: Cambridge University Press.
Keppie, F. (2016): How subduction broke up Pangaea with implications for the supercontinent cycle. In: Geological Society, London, Special Publications 424 (1), S. 265–288.
Lenz, D. (2013): Neue Bruchzone lässt den Atlantik verschwinden. https://www.forschung-und-wissen.de/nachrichten/geologie/neue-bruchzone-laesst-den-atlantik-verschwinden-13371884 [10.02.2021]
LiveScience (2017): Continental Drift: Theory & Definition. https://www.livescience.com/37529-continental-drift.html [ 29.12.2020]
Mahlke, J.; Devey, C.; Garbe-Schönberg, D.; Hoernle, K. (2011): „Geochemie und magmatische Entwicklung der Übergangszone zwischen kontinentaler und ozeanischer Kruste am aktiven Spreizungszentrum des Woodlark-Beckens (SO203).“ S.124.
Meert, J. (2012): What’s in a name? The Columbia (Paleopangaea/Nuna) supercontinent. In: Gondwana Research 21 (4), S. 987–993.
National Geographic (o.J.): Plate Tectonics.The theory of plate tectonics revolutionized the earth sciences by explaining how the movement of geologic plates causes mountain building, volcanoes, and earthquakes. https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/plate-tectonics/ [11.12.2020]
Planet-Wissen (2020): San Andreas Verwerfung. https://www.planet-wissen.de/kultur/nordamerika/die_geschichte_kaliforniens/pwieerdbebengebietkalifornien100.html [02.01.2021]
Sobolev, S. & Steinberger, B. (2012): Geodynamische Modellierung: Zusammenhänge zwischen Struktur der tiefen Erde, Vulkanismus und Umweltkatastrophen.
University of Birmingham (o.J.): Plate Tectonics. https://www.birmingham.ac.uk/research/activity/earth-sciences/platetectonics/index.aspx [31.12.2020]
Vieweg, M. (o.J.): Wozu wird die Kontinentaldrift führen? https://www.wissenschaft.de/erde-klima/wozu-wird-die-kontinentaldrift-fuehren/ [30.12.2020] Buiter, S.; Doré, A.; Houseman, G.; McCaffrey, K.; Wilson, R. (2019): Fifty years of the Wilson Cycle concept in plate tectonics: an overview. In: Geological Society, London, Special Publications 470 (1), S. 1–17.
[17.03.2021] 
