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Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne – Gezeiten und zeitliche Varianzen

Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema „Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne – Gezeiten und zeitliche Varianzen“ (Männel 2020)
1. : Solar System (The Week 2020) / Sonnensystem
2. : Gravity and inertia act in opposition on the Earth’s oceans (NOAA 2020 a) / Gravitation und Trägheit wirken gegensätzlich auf die Ozeane der Erde
3. : Tide cycles (NOAA 2020 c) / Gezeitenzyklen
4. : Sun, Earth and Moon Model (Space Awareness 2020) / Sonne, Erde und Mond Modell

Gliederung

1 Einleitung

2 Gravitation

2a Grundlagen

2b Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne

3 Gezeiten

3a Grundlagen

3b Lunare Gezeiten

3c Solare Gezeiten

3d Lunisolare Gezeiten

3e Zeitliche Varianzen

4 Ermittlung und Nutzung der Gezeiten

5 Fazit

1 Einleitung

Die Erde wird stetig durch diverse astronomische Einflüsse geprägt, sei es durch verschiedene Strahlungspektren, feste Objekte ohne bestimmte Laufbahnen, oder eben die Gravitation. Diese besitzt eine unendliche Reichweite und lässt sich nicht abschirmen. Das gesamte Universum wird durch diese definiert und dominiert (Müller 2014). Sie ist außerdem verantwortlich für das Bestehen von Umlaufbahnen der Planeten und den damit einhergehenden generellen Erhalt unseres Sonnensystems (MinutePhysics o.J.)

In diesem Text wird das Wirkungsgeflecht der Gravitation von Erde, Mond und Sonne näher erläutert. Denn dieses hat essentielle, groß- und kleinräumige Prozesse zur Folge. So bewegen sich bspw. riesige Wassermassen unserer Ozeane und die Veränderungen können in Küstengebieten als Gezeiten beobachtet werden (Sumich 1996: 32). Dies ist in vielerlei Hinsicht wichtig, da diese Bereiche also unter ständig wechselndem Einfluss des Wassers stehen, dies spielt auch für den Menschen eine wesentliche Rolle.

2 Gravitation

2a Grundlagen

Die Gravitation ist eine bestimmende Kraft im Universum. Sie besteht grundsätzlich aus zwei Punktmassen, die im Folgenden durch die Planeten repräsentiert und durch das Newton’sche Gravitationsgesetz (17 Jhdt.) beschrieben werden:

F= (m1 x m2 / r^2) x G

m1 = Masse Objekt 1

m2 = Masse Objekt 2

r = Abstand zwischen den Mittelpunkten der Objekte

G = Gravitationskonstante 6,67 x 10-11 Nm2/ kg2

Dementsprechend haben Körper mit größeren Massen eine höhere Gravitationskraft, die Wirkung wird allerdings geringer, je weiter zwei Objekte voneinander entfernt sind (Dunkhase & Kersten 2006: 2, Thurman 1994: 252).

2b Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne

Die Schwerkraft bestimmt also die Beziehungen zwischen jeglichen Objekten, folglich auch die zwischen Erde, Mond und Sonne. Durch die in Kapitel 2.a dargestellte Formel wird deutlich, dass Distanz und Masse von Körpern eine essentielle Rolle bei der Bestimmung ihrer Wirkungskräfte spielen.

Abb. 2: Relationship between masses of Earth, Moon and Sun and their distances (NOAA 2020 g) / Beziehung zwischen den Massen von Erde, Mond und Sonne und deren Distanzen

Der Mond befindet sich knapp 384,835 km von der Erde entfernt. Die Distanz von der Sonne bis zur Erde beträgt rund 148,785,000 km. Außerdem besitzt diese 27 Million Mal mehr Masse als der Mond, ist zudem allerdings auch 390 Mal so weit entfernt. Folglich besitzt die Sonne einen Anteil von knapp 45% der Kräfte des Mondes, welche auf die Erde wirken (NOAA 2020 f, Thurman 1994: 252). 

3 Gezeiten

3a Grundlagen

Der Begriff der „Gezeiten“ muss zunächst näher definiert werden. Gäbe es keine Ozeane, so würden bspw. dennoch die Gezeiten der „festen Erde“ existieren (Baur 2002: 2). Im Folgenden werden die Ozeangezeiten, also die natürlichen Zyklen der relativen Verlagerungen von Wassermassen auf unserem Planeten, im Fokus stehen. Sie entstehen als Resultat der Anziehungskräfte von Sonne und Mond (NOAA 2020 e).

Gezeiten sind sehr langperiodische Wellen, sie haben ihren Ausgangspunkt in den Ozeanen und erscheinen uns als Abfall und Anstieg des Meeres, bzw. als Ebbe und Flut an den Küstengebieten. Die Höhenunterschiede werden dabei als Tidenhub definiert, die Bezeichnung „Gezeitenstrom“ beschreibt das Auf- und Absteigen des Wassers. Die stärksten Strömungsverhältnisse treten jeweils vor Ebbe und Flut auf, im offenen Ozean sind sie deutlich schwächer als in den küstennahen Bereichen (NOAA 2020 f).

3b Lunare Gezeiten

Ein Mondtag dauert, im Gegensatz zu der uns bekannten Definition eines Sonnentages von 24 h, 50 Minuten länger an. Denn er dreht sich in dieselbe Richtung um die Erde, wie diese sich um ihre eigene Achse dreht. So benötigt es also etwas mehr Zeit, bis der Mond über die gleiche Stelle der Erde rotiert ist (Sumich 1996: 33, Thurman 1994: 256).

Abb. 3: Gravity and inertia act in opposition on the Earth’s oceans (NOAA 2020 a) / Gravitation und Trägheit wirken gegensätzlich auf die Ozeane der Erde

Die physikalische Trägheit bzw. Zentrifugalkraft der Erde versucht grundsätzlich das Wasser auf der Stelle zu halten. Auf der dem Mond zugewandten Seite wirkt die Gravitationskraft des Mondes allerdings stärker, weshalb dies in einer Schwellung des Wassers in Richtung des Himmelskörpers resultiert. Trotz geringerer Anziehungskraft auf der dem Mond abgewandten Seite, verursacht durch eine vergrößerte Distanz, bildet sich auch dort ein Flutberg, da hier die Zentrifugalkraft dominiert (Dunkhase & Kersten 2006: 3).

3c Solare Gezeiten

Der Mond nimmt aufgrund der weitaus geringeren Distanz zur Erde eine übergeordnete Rolle ein, dennoch ist der Einfluss der Sonne nicht zu vernachlässigen. Die durch die Gravitationskräfte der Sonne verursachten Gezeiten werden allerdings nicht als separater Satz betrachtet, sondern vielmehr als eine Variation der lunaren Gezeiten (Thurman 1996: 252).

3d Lunisolare Gezeiten

Letztendlich wirken die Gravitationskräfte von Mond und Sonne gemeinsam und lassen so die für uns beobachtbaren, „lunisolaren“ Gezeiten entstehen. Durch die Rotation der Erde bewegt diese sich quasi unter dem Gezeitensystem hinweg (Dunkhase & Kersten 2006: 5) Essentiell sind dabei die periodischen Abläufe und zeitliche Variationen des Geschehens. Grundsätzlich kann zwischen drei verschiedenen Zyklen unterschieden werden:

Abb. 4: Tidal cycles (NOAA 2020 c) / Gezeitenzyklen

Semi-diurnale (halbtägige) Gezeitenzyklen kennzeichnen sich durch jeweils zwei in etwa gleich hohe Ebben und Fluten. Treten gemischte (semi-diurnale) Gezeiten auf, so treten pro Tag auch jeweils zwei Ebben und Fluten auf, allerdings fällt deren Höhe dann differenzierter aus (Sumich 1996: 34). Die Periodendauer, also der Abstand zwischen jeweils zwei Ebben oder zwei Fluten, beträgt dabei 12 h und 25 min. Von einer Flut bis zur Ebbe dauert es also 6 h und 12,5 min (Dunkhase & Kersten 2006: 4). Diese Abfolgen sind weltweit am meisten verbreitet, wie in der Abbildung 3 zu erkennen. Dagegen erfahren Orte mit diurnalen, also ganztägigen Gezeiten Ebbe und Flut nur ein Mal pro Tag (NOAA 2018, Sumich 1996: 34), es dauert also 24 h bis der Hoch- oder Tiefpunkt des Wassers wieder erreicht ist (Thurman 1994: 263-264).

Abb. 5: Lunar day (NOAA 2020) / Mondtag

3e Zeitliche Varianzen

Da die Planeten sich nicht in Kreisen, sondern in Ellipsenbahnen bewegen und sich die relative Position bzw. Deklination zur Erde somit im Jahresverlauf ändert, unterscheiden sich die Distanzen zur Erde und somit auch die wirkenden Gravitationskräfte. Dies gilt sowohl für den Mond als auch für die Sonne, sodass Gezeiten differenziert auftreten. Spring- und Nipptiden sind Phänomene die jeweils zwei Mal pro Mondphase auftreten. Springtiden beschreiben die Resultate der Konstellation von Erde, Sonne und Mond in einer geraden Linie, wenn Voll- und Neumond auftreten. Die Kräfte addieren sich und resultieren in überdurchschnittlich hohen Fluten und unterdurchschnittlich niedrigen Ebben. Wenn die drei Himmelskörper in einem rechten Winkel zueinanderstehen und ein Halbmond erscheint, entstehen Nipptiden. Dabei hebt die Sonne die Kraft des Mondes in geringem Maße auf, sodass Fluten etwas niedriger und Ebben höher als im Durchschnitt ausfallen (NOAA 2020 d, Sumich 1996: 33, Thurman 1994: 256-257). Primär ist also die Sonne für die periodischen Schwankungen verantwortlich (Bundschuh et al. 1974: 120).

Abb. 6: Spring Tides and Neap Tides (NOAA 2020 b) / Springtiden und Nipptiden

Der elliptische Pfad des Mondes um die Erde weist eine Variation des Abstandes von knapp 50.000 km auf. Das Perigäum beschreibt den Zeitpunkt im Monat, an dem der Mond der Erde am nächsten ist, wodurch die Gravitationskräfte wie auch die Gezeiten höher ausfallen als im Normalfall. Dem entgegengesetzt besteht zum Apogäum die größte Distanz, die Tidenwechsel bleiben geringer (Thurman 1994: 258).

Ähnliches gilt folglich auch für die Distanz zur Sonne, abhängig von der aktuellen Position der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Um den 2. Januar herum, zur Zeit des Perihel, ist der Planet dieser am nächsten, die Beeinflussung ist am stärksten. Mit dem Aphel Anfang Juli ist die Kraft dann am geringsten, da sich der Abstand der zwei Körper maximiert (Thurman 1994: 257).

Abb. 7: The elleptical orbits oof the moon around the earth and and the earth around the sun have a substantial effect on the Earth’s tides (NOAA 2020 b) / Die elliptischen Bahnen des Mondes um die Erde und der Erde um die Sonne haben einen wesentlichen Einfluss auf die Gezeiten der Erde

Das Video „How Tides are formed“ im folgenden Link fasst die bisher aufgeführten Informationen weitestgehend zusammen: https://www.youtube.com/watch?v=GPVomM6DBAA

4 Ermittlung und Nutzung der Gezeiten

Wir können die Gezeiten aufgrund ihrer stetigen Periodizität vorhersagen. Um die Genauigkeit solcher Prognosen untersuchen zu können, werden Messungen, bspw. durch Satelliten, durchgeführt. So ermittelt der am 17 Januar 2016 gestartete Jason-3 Satellit unter anderem die ozeanische Topographie und lässt so Analysen bezüglich der Gezeiten zu. Er ist Teil des Copernicus-Programm und wird durch die internationale Zusammenarbeit von EUMETSAT; CNES, NOAA, NASA und der Europäischen Union gefördert (EUMETSAT 2020, NASA 2020). Als Folgeprojekt der Missionen TOPEX/Poseidon, Jason-1 und OSTM/Jason-2 trägt der Jason-3 Satellit neben der Beobachtung der Gezeiten auch dazu bei, die allgemeinen Erkenntnisse der physikalischen Ozeanographie in den Bereichen der Meeresspiegel-untersuchungen, Meeresmeteorologie, Geophysik und Geodäsie zu erweitern.  Seine Mindestlaufzeit ist zunächst auf fünf Jahre begrenzt, welche bei erfolgreicher Anwendung aber auch noch verlängert werden kann. Jason-3 hat ein Wiederholungsintervall von 9,9 Tagen, was bedeutet, dass es diese Periode braucht, bis der Satellit die gleiche Stelle auf der Erde erneut observiert. Dabei beträgt die Genauigkeit der Meeresoberflächenmessung mindestens 3,4 cm, im Idealfall ist sie aber noch genauer. So werden statistische Analysen, Klima- und Ozeanzirkulationsmodelle sowie Schiffsführung und die maritime Industrie unterstützt. Auch Umweltgefahren können aus den gesammelten Informationen ermittelt werden (CNES et al. 2018: 1-10).

Abb. 8: Altimetric distances – Altitude, Range and Height (CNES et al. 2018:5) /Altimetrische Entfernungen – Tatsächliche Höhe, Reichweite, Höhe

Ebenfalls werden weniger komplexe, lokale Systemmessungen und Analysen durchgeführt, so zum Beispiel an der Serinhaém-Flussmündung in Brasilien. Hier wird der Einfluss der Gezeiten auf Eben und Fluten im Fluss experimentell gemessen und mit bereits existierenden, allgemeinen Modellen verglichen. Dazu wurde das System TidalDuino entwickelt, welches als langfristiger Datenlogger fungiert (Cano et al. 2019: 490). Es wurden nur geringe Differenzen zu den theoretischen Voraussagen, sowie ein maximaler Verstärkungseffekt der Gezeiten von 1,33 in der Neumondphase, beobachtet (Cano et al. 2019: 494). Denn dies ist der Zeitpunkt, zu welchem sich Gravitationskräfte von Mond und Sonne addieren (vrgl. Kapitel 3.d). Aufgrund dieses Forschungsprojektes und der Abweichung von nur knapp 3% wird deutlich, dass Berechnungen und Modelle den wahren Werten der ozeanischen Gezeiten und deren Veränderungen sehr nahe liegen (Cano et al. 2019: 494). Solche Vorhersagen sind in vielerlei Hinsicht nützlich, sei es für Fischer, welche so ertragsreichere Fänge prognostizieren können, oder für Schwimmer und Surfer, welche so die Höhe der Wellen und Stärke der Strömungen besser einschätzen können.

Über den folgenden Link gelangen Sie zu einer Visualisierung der barotropischen globalen Ozeangezeiten, welche durch gesammelte Daten der zuvor genannten Satelliten angefertig werden konnte. Gezeitenniveaus und dessen Änderungen können so besser nachvollzogen werden: https://svs.gsfc.nasa.gov/4821

Wie auch andere natürliche Energiequellen gelten die Gezeiten als unerschöpfliche Ressourcen (Bundschuh et al. 1974: 120). Gezeitenkraftwerke nutzen die regenerative Energie der wechselnden Wasserspiegel. Dabei wird eine Bucht an der Küste durch einen Damm mit integrierten Wasserturbinen getrennt, welche dann die kinetische Energie des Wassers in Elektrizität umwandeln und verfügbar machen können. Ein Tidenhub von mindestens 5 m ist dafür erforderlich (Dunkhase & Kersten 2006: 10).

Problematisch ist vor allem die Unreife der Forschung in diesem Bereich. Denn weltweit wurden nur wenige Projekte zur Wellen- und Gezeitenenergie durchgeführt, bisher hat Europa diesbezüglich die größten Fortschritte gemacht und verschiedene Prototypen getestet. Außerdem spiegeln die hohen Kosten trotz eingeschränkter Nutzbarkeit im Jahresverlauf, fehlende Sicherheit gekoppelt an wenig Vertrauen potentieller Investoren, sowie viele weitere Herausforderungen die Komplexität des Ganzen wider (Rusu & Venugopal 2019: 1). Kritisch ist auch, dass nur ein geringer Teil der potentiell vorhandenen Energie genutzt werden kann (Bundschuh et al. 1974: 121). Trotzdem wird weiterhin am Wachstum des Sektors gearbeitet (Rusu & Venugopal 2019:1-3). Denn wenn wir herausfinden können wie die Gezeiten effektiv zu nutzen sind, so wäre es in Zukunft möglich zumindest einen Teil unseres Energiebedarfs durch diese saubere Energie zu decken.

Bisher verfügen nur einige wenige geeignete Standorte weltweit über Gezeitenkraftwerke, es folgt eine Auflistung der fünf größten Einrichtungen inklusive der maximal geförderten Energiemengen in Megawatt:

  • Sihwa Lake Tidal Power Station, South Korea – 254 MW
  • La Rance Tidal Power Plant, France – 240 MW
  • Swansea Bay Tidal Lagoon, UK – 240 MW
  • MeyGen Tidal Energy Project, Scotland – 86 MW
  • Annapolis Royal Generating Station, Canada – 20MW (PowerTechnology 2020, U.S. Energy Information Administration 2020)

5 Fazit

Die Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne kennzeichnet sich also durch eine besondere Wirkung auf irdische Prozesse. Ohne das Zusammenspiel der planetaren Massen und ihrer Kräfte, wäre das Leben, wie es heute auf der Erde existiert, nicht möglich. Die Wirkung der Gravitationskräfte ist durch die Parameter Masse und Distanz zur Erde, sowie die bekannte zeitliche Variation der letzteren und daraus resultierende Gezeitenänderungen, vorherzusagen. Dies ist primär für Küstengebiete interessant, macht es der Menschheit aber auch möglich, diese regenerative Energiequelle in Form von umgewandelter Elektrizität durch Gezeitenkraftwerke zu nutzen.

Quellenverzeichnis

Amit Sengupta (2018): How Tides are Formed – Low, High, Neap, Spring Tide | Geography UPSC IAS https://www.youtube.com/watch?v=GPVomM6DBAA [09.01.21]

Baur, O. (2002): Ozeangezeitenlösung aus Bahnstörungen erdnaher Satelliten. Stuttgart https://www.gis.uni-stuttgart.de/lehre/abschlussarbeiten/MSc/BAUR_2002_a.pdf [02.02.21]

Bikos, K., Hocken, V., Jones, G. (2021): What causes tides? https://www.timeanddate.com/astronomy/moon/tides.html. In timeanddate.com (Hg.): The Moon 4. The Moon’s Effect on Tides [04.03.21] [04.03.21]

Bundschuh, V., Meliß, M., Oesterwind, D., Voss, A. (1974): Andere Primärenergiequellen https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/8106/1/vos8.pdf [02.02.21]

Cano, M. E., Estrada, J. C., Ferreira, E. S., Leyva-Cruz, J. A., Mena, E. A., Quintero, L. H., Santana, R. G., Paz, J. A. (2019): Determining the gravitational effects on tide height on on an estuary and theoretical comparison. https://doi.org/10.31349/RevMexFis.65.489 [17.02.21]

Dunkhase, F., Kersten J. (2006): Erdmessung ||| – Vortrag. Die Gezeiten https://misc.gis.tu-berlin.de/igg/htdocs-kw/fileadmin/Daten_MCA/EM3/Gezeiten.pdf [17.02.21]

CNES, EUMETSAT, JPL, NOAA/NESDIS (2018): Jason-3 Products Handbook https://www.ospo.noaa.gov/Products/documents/hdbk_j3.pdf [17.02.21]

European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (2020): Jason Series. https://www.eumetsat.int/our-satellites/jason-series [17.02.21]

Green and Growing (2018): Tidal Energy: Definition, Concepts, and Facts you should know. https://www.greenandgrowing.org/tidal-energy-definition-facts/ [06.03.21]

MinutePhysics (o.J.): Understand how the Earth remain stable in orbit around the sun.In: Britannica (2021): Orbit https://www.britannica.com/science/orbit-astronomy [07.01.21]

Müller, A. (2014): Gravitation. In: Spektrum (2014): Lexikon der Astronomie. https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/gravitation/150 [05.01.21]

National Aeronautics and Space Administration (2020): Barotropic Global Ocean Tides. https://svs.gsfc.nasa.gov/4821 [15.02.21]

National Oceanic and Atmospheric Administration (2020): Frequency of tides – The lunar day. In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides05_lunarday.html [04.03.21]

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PowerTechnology (2020): Tidal giants – the world’s five biggest tidal power plants. https://www.power-technology.com/features/featuretidal-giants-the-worlds-five-biggest-tidal-power-plants-4211218/ [14.02.21]

Rusu, E., Venugopal, V. (2019): Special Issue „Offshore Renewable Energy: Ocean Waves, Tides and Offshore Wind“ https://www.mdpi.com/1996-1073/12/1/182/pdf/1 [17.02.21]

Shirah, G. (2020): Barotopric Global Ocean Tides. In Goddard Space Flight Center und National Aeronautics and Space Administration (Hg.): Barotropic Global Ocean tides. https://svs.gsfc.nasa.gov/4821 [04.03.21]

Space Awareness (2020): Sun, Earth and Moon Model http://www.space-awareness.org/en/activities/1614/sun-earth-and-moon-model/ [09.01.21]

Sumich, J. L. (1996): An introduction to the biology of marine life. S. 32-35

The Week (2020): 139 new dwarf planets found in our solar system https://www.theweek.in/news/sci-tech/2020/03/12/139-new-dwarf-planets-found-in-our-solar-system.html [09.01.21]

Thurman, H. V. (1994): Introductory Oceanography. Aufl. 7. S. 252-276

U.S. Energy Information Administration (2020): Hydropower explained. Tidal power https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/tidal-power.php [03.01.21]

Energie und Energiespeicherung auf der Erde

Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema „Energie und Energiespeicherung auf der Erde“ (eigene Darstellung)

Übersicht

  1. Einleitung
  2. Was ist ‚Energie‘?
    2.1 Formen von Energie
    2.2 Formen der Energiegewinnung
  3. Energiespeicherung
  4. Lagerstätten auf der Erde
  5. Beispielprojekte
  6. Fazit
    Literaturverzeichnis

1. Einleitung

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.

Abb. 2: „Speicherkraftwerk“ (Bayerische Landeskraftwerke, o.J.)

4. Lagerstätten auf der Erde

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

Deutsche Energie-Agentur (2020): Leuchttürme CO2- Einsparung in der Industrie. https://www.dena.de/themen-projekte/projekte/energiesysteme/leuchttuerme-co2-einsparung-in-der-industrie/

Deutsche Energie-Agentur (2020): Power to Gas. https://www.powertogas.info/power-to-gas/die-technologie/

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

Petermann, J. (2018): Erfolgreiches Energiemanagement im Betrieb. Lehrbuch für Energiemanager und Energiefachwirte.  https://doi.org/10.1007/978-3-658-22480-6

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)

Abbildung 2: Bayerische Landeskraftwerke (o.J.): Speicherkraftwerke. https://www.landeskraftwerke.bayern/speicherkraftwerk.htm

Abbildung 3 Umweltbundesamt (2018): Fracking. https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/gewaesser/grundwasser/nutzung-belastungen/fracking

Meeresströmungen


Lighthouse Foundation (Hg.) (o. J.); Helmholtz (Hg.) (2020) Darstellung erweitert
pinke Pfeile: vorherrschende Windrichtung; blaue Linien: kalte (Tiefen-)Strömung; rote Linien: warme Oberflächennahe Strömung; orangene Punkte: Umwälzzirkulation; blaue Einkreisung: Wärmeabgabe; grüne Einkreisung: mittlere Wärmeaufnahme; gelbe Einkreisung: hohe Wärmeaufnahme; weiße Meeresflächen: geringe Salzkonzentration; hellblaue Meeresflächen: mittlere Salzkonzentration; dunkelblaue Meeresflächen: hohe Salzkonzentration  
  1. Einleitung
  2. Ermittlung von Daten
  3. Golf- und Nordatlantikstrom

            3.1 Antrieb von Meeresströmungen

            3.2 Nordatlantikoszillation

  1. Veränderung der Golfstromzirkulation durch den Klimawandel

            4.1 Wasserchemie/ Stoffliche Zusammensetzung

            4.2 Veränderung der Fischfauna

  1. Veränderung des Klimas in Europa als Folge
  2. Fazit

Literatur- und Abbildungsverzeichnis

  1. Einleitung

Das Thema Meeresströmungen findet sich in der Themenkategorie der „Physischen Geographie der Erde und globale Unterschiede“ wieder. Da die Meeresströmungen vielfach vom Klimasystem und deren beeinflussenden Merkmalen abhängig ist und auch die verschiedenen Strömungen global unterschiedlich sein können, ist es mit den anderen Themen gut miteinander verknüpft. Meeresströmungen sind weltweit in den Ozeanen und Meeren vorkommende über große Flächen und Tiefen strukturierte Wasserbewegungen, die sich durch horizontalen und vertikalen Wassertransport auszeichnen. Dazu wird Nahrung für Meeresbewohner, Wärme und andere mit dem Wasser transportierende Stoffe mit sich geführt (Helmholtz-Zentrum 2020). Diese Strömungen zerfallen im Laufe der Zirkulation in kleinere Neben- und Teilströme, diese können nochmals in die kleineren Ozeanwirbel klassifiziert werden. Meeresströmungen beeinflussen das Wettergeschehen und sind gleichzeitig vom Klimaverhalten bzw. der Klimaausprägung abhängig, sowie von der Coriolis- und Schwerkraft (SMHI 2011: 4). Da diese Strömungen Zirkulationen sind ist es ein wiederkehrendes und ständig auftretendes Ereignis. Durch die verschiedenen Klimazonen, die eine Meeresströmung durchläuft ändern sich daher die physischen und chemischen Gegebenheiten des transportierenden Wassers.

  1. Ermittlung von Daten

Die Ermittlung von Meeresströmungen und der dazugehörigen Daten wie Wassertemperatur, Geschwindigkeit und Salzgehalt sind durch Messsonden im Wasser und durch Satellitenaufnahmen aus dem All zu messen. Um Proxydaten aus der Vergangenheit zu bekommen werden Sedimentproben vom Meeresboden, Skelettteile von abgestorbenen Organismen oder Tiere genommen. Daraus können ehemalige Salz- und Sauerstoffgehalte, Wassertemperaturen und Nährstoffverbrauch gelesen werden (DKK 2017: 10). Die ARGO-Float ist eine Art Boje welche Messgeräte an Bord hat die unter Wasser die Temperatur, den Salzgehgalt und die Tiefe misst. Zudem sendet die Boje beim Wiederauftauchen die im Meer getriebene Strecke an einen Satelliten. Mithilfe von Drucksensoren können Meeresströmungen durch die über ihr bewegte Masse bestimmt werden. Des Weiteren kann mittels des Drucks auch der Wasserstand berechnet werden. Die Satelliten ENVISAT und Jason messen das Meeresniveau sowie die Strecke und Richtung einer Strömung. Dies können die Satelliten durch einen Radar-Altimeter der die reflektierten Pulse nach dem aussenden wieder aufnimmt. Um Daten aus Tieferen Schichten zu bekommen und auch Ozeanwirbel gezielter messen zu können werden verankerte Bojen eingesetzt. Diese messen entlang des Verankerungsdraht die Strömung und Richtung. Den Salzgehalt und die Temperatur damit zu messen ist ebenfalls möglich (SEOS o. J.). Solche in der Tiefe verankerte Bojen werden teilweise mit Leuchttürmen oder oberflächennahen Bojen verkabelt. Von dort aus werden die Daten über das Mobilfunknetz oder per Satelliten an die Zuständigen weitergeleitet (SMHI 2011: 3).  Ein weiteres Messinstrument um Daten aus dem Ozean oder anderen Gewässern zu gewinnen ist der Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (SMHI 2011). In der Abbildung 1 sind die gemessenen Wassertemperaturen vom Golfstrom an der Ostküste der USA bis zum Nordatlantikstrom im Europäischen Nordmeer zu sehen, sowie die kalte Strömung in der Labradorsee.


Abb. 1: Wasseroberflächentemperatur an der US-Ostküste und im Nordatlantik (Helmholtz 2020)
  1. Golf- und Nordatlantikstrom

Der Golfstrom ist eine im Golf von Mexiko entstehende warme Meeresströmung, welche entlang der Südostküste der USA über den Atlantik nach Westen in den Nordatlantik treibt. Der Golfstrom hat eine maximale Breite von ca. 100 km bei Florida, eine Strömungsgeschwindigkeit von 6 – 10 km/h und treibt nach Florida bis zu 150 Millionen m3/s durch den Atlantik (DKK 2017: 6; Helmholtz-Zentrum 2020; DWD o. J.). Der Golfstrom teilt sich auf der Höhe Neufundlands in zwei Randströme auf, eine Strömung fließt in den Norden und wird dort zum Nordatlantikstrom, welcher die warme Strömung und damit die milden Temperaturen nach Europa bringt, dieser Strom wird im umgangssprachlichen fälschlicherweise auch noch als Golfstrom bezeichnet (SMHI 2011: 8; BMU 2013). Die andere Randströmung treibt in Richtung der Kanaren. Der Nordatlantikstrom hat im Europäischen Nordmeer noch eine Leistung von rund 32 Sverdrup (Sv), wobei 1 Sv 1 Mio. m3/s entsprechen (DKK 2017: 6).

3.1 Antrieb von Meeresströmungen

Dass die Meeresströmungen wiederkehrende, also zirkulierende Ereignisse sind liegt u.a. daran, dass diese vom Wind bzw. den speziellen Windfeldern auf der Erde bedingt sind (BMU 2013; ESKP 2020; SMHI 2011: 4). Die Westwinddrift in den mittleren Breiten treibt die Meeresströmungen Kuroshio im Nordpazifik, den Golfstrom im Nordatlantik und den Ostaustral – Strom im Südpazifik an. Damit es zur Zirkulation kommt muss von Osten ein vorherrschender Wind wehen, dieser Wind herrscht in den niederen Breiten bei 15° nördlicher- und südlicher Breite und wird auch als Passatwind bezeichnet (Helmholtz-Zentrum 2020).


Abb. 2: Meeresströmungen und vorherrschende Winde (Helmholtz 2020) Darstellung erweitert; gelbe Pfeile:vorherrschende Windrichtung, blaue Pfeile: kalte (meist Tiefen-) Strömung, rote Pfeile: warme Oberflächenströmung,  

Neben den Winden ist der Dichteunterschied des Wassers von besonderer Bedeutung für den Antrieb. Der Ablauf ist wie folgt: Nachdem das Wasser in das Europäische Nordmeer geflossen ist, findet aufgrund des Dichteunterschieds zwischen den Wassermassen eine Umwälzbewegung/Umwälzzirkulation statt. Das nun dichtere, kältere Wasser fließt nun in tieferen Schichten Richtung Äquator. Der Dichteunterschied kann von der Temperatur bedingt sein, da kälteres Wasser eine höhere Dichte hat als wärmeres, aufgrund dessen sinkt es in tiefere Schichten und fließt zwischen Island und Grönland gen Süden (Helmholtz-Zentrum 2020). Ein Dichteunterschied kann auch durch die Verdunstung hervorgerufen werden, da durch das Verdunsten salzreicheres Wasser zurückbleibt und daher schwerer ist als das nachrückende Wasser. Solch eine Zirkulation wird auch thermohaline Zirkulation genannt, da der Unterschied des Temperatur- und Salzgehalts der Antrieb ist (BMU 2013; DKK 2017: 6 ff.). Besonders wichtig für die Umwälzzirkulation ist das Gebiet in der Labradorsee.   

3.2 Nordatlantikoszillation

Die Nordatlantikoszillation – kurz ausgeschrieben NAO – besteht aus zwei Luftdruckgebieten, eines über den Azoren (Azorenhoch) und ein zweites über Island (Islandtief). Die Nordatlantikoszillation kann in den Indizes negativ und positiv kategorisiert werden. Dabei steht eine positive NAO für starke Westwinde in den mittleren Breiten und verstärkte Passatwinde in den Tropen. Eine negative NAO zeichnet sich durch schwächere Westwinde und mäßig wehende Passatwinde aus. Die Differenz der Luftdruckunterschiede über den Azoren und Island gibt an ob es sich um eine positive oder negative NAO handelt. Die NAO ist ganzjährlich zu beobachten, weist aber die stärksten Druckunterschiede zwischen den beiden Druckzentren meistens im Winter auf und ist in den letzten Jahren mehrfach positiv ausgefallen (GEOMAR 2020). Wie in Abbildung Nr. 3 zu erkennen ist, waren die Werte der NAO seit Mitte der 1980er Jahre bis mindestens Ende der 1990er Jahre im positiven Bereich. Eine positive NAO hat regenreiche und milde Winter in Skandinavien und trockene in Südeuropa zur Folge. Eine negative NAO dagegen führt zu trockenen und kalten Wintern in Skandinavien und regenreichen im Süden Europas (DWD o. J.; GEOMAR 2020). Da die Luftdruckunterschiede zwischen dem Islandtief und dem Azorenhoch für die Stärke der Winde über dem Atlantik verantwortlich sind, hängt die Wärmeabgabe aus dem vom Nordatlantikstrom mitgeführtem Wasser auch von der Windstärke ab. 


Abb. 3: NAO – Index (DWD o. J.)
  1. Veränderung der Golfstromzirkulation durch den Klimawandel

Der Klimawandel oder ein Klimawandel kann die Zirkulation des Golfstroms und die damit zusammenhängenden Randströme in ihrer Ausprägung beeinflussen. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass der anthropogene sowie der natürliche Klimawandel die Zirkulationsbewegung beeinflussen kann. Natürliche Klimaveränderungen können durch veränderte Erdbahnparameter hervorgerufen werden. Eine Veränderung eines Erdbahnparameters könnte die Strahlungsintensitäten auf der Erde verändern, wodurch sich u. a. Verdunstungsraten global verändern könnten. Eine Abschwächung des Systems kommt dadurch zustande, dass im Europäischen Nordmeer Süßwasser von den abgeschmolzenen Eismassen von den Polen das schwere, salzhaltige, kalte Wasser verdünnen und es dadurch nur noch einen geringen Schwereunterschied gibt, sodass es nicht zu einem vertikalen Absinken der Wassermassen kommt. Vor allem im Europäischen Nordmeer, wo der Unterschied von kalten zum warmen Wasser hoch ist, kommt es hier durch eine ansteigende Wassertemperatur zu einer Homogenisierung der Temperatur und damit zu keinem Dichteunterschied (BMU 2013). Als Folge dessen verringert sich die Fließgeschwindigkeit um Island und Grönland. Durch die ca. 15%ige Abschwächung der Strömung, ist nun die Folge, dass es in den letzten Jahren dort kälter geworden ist (PIK 2018). Außerdem kann es in besonders warmen Regionen zu einer zu hohen Verdunstung kommen, sodass der Salzgehalt ansteigt, das Wasser schwerer wird und vorzeitig absinkt. Das hat wiederum zur Folge, dass ein geringerer Teil des Stroms ankommt (BMU 2013). 

4.1 Veränderung der Wasserchemie und stofflichen Zusammensetzung

Eine Veränderung der stofflichen Zusammensetzung bzw. der Wasserchemie kann sich dann einstellen, wenn die Umwälzzirkulation im Nordatlantik bei bzw. in der Labradorsee sich abschwächt. Durch eine Abschwächung, wie sie schon nachweisbar, allerdings noch im Rahmen der natürlichen Schwankung vorhanden ist, wird weniger Kohlenstoffdioxid im Meerwasser gebunden, was zu einer höheren Menge in der Atmosphäre führt (DKK 2017: 15). Die Sauerstoffkonzentration würde nicht nur im Nordatlantik zurückgehen, sondern auch im Südatlantik und daran angebundene Strömungssysteme. Denn durch eine schwächer werdende Umwälzzirkulation, wird auch der Sauerstoff nicht in tiefere Schichten verlagert (DKK 2017: 20).

4.2 Veränderung der Fischfauna

Eine besondere Abhängigkeit von dem Golfstrom ist bei dem Europäischen Flussaal zu beobachten. Diese Fischart laicht in der Saragossa – See, die östlich der Bermuda – Inseln im Atlantik liegt. Von dort aus nutzen die Jungfische die Strömung des Golfstroms um nach Europa zu kommen. Eine Verlangsamung würde hierbei auch die Aale treffen, die dann durch eine Geschwindigkeitsdrosselung der Strömung längere Zeit im Atlantik verbringen müssen bis sie in die Flüsse Europas gelangen (Helmholtz-Zentrum 2020). Vor allem für die Jungfische wäre dies ein Problem, da sie so einen längeren Zeitraum ihren Fressfeinden ausgesetzt sind. Sollte der Fall eintreten, dass es weniger jungfische in die Europäischen Gewässer schaffen, würde der Artbestand weiter zurückgehen. Der Europäische Aal steht in Deutschland auf der roten Liste der gefährdeten Arten. Damit es zu einem besseren Artbestand kommt, wurde von der EU ein Maßnahmenprogramm eingeführt in dem die gefangenen Jungaale/ Glasaale zur Zucht in Binnengewässern ausgesetzt werden sollen (NABU 2008). Im Zuge einer weiter abschwächenden Umwälzzirkulation würden auch andere Fischarten Probleme mit der Nahrungsversorgung oder der Temperatur bekommen, dies würde sich Ökonomisch auf die Fischereiwirtschaft auswirken die mit geringeren Erträgen zurechtkommen müsste (DKK 2017: 20.  

  1. Weitere Folgen einer Zirkulationsabschwächung

Die möglichen Folgen und Szenarien die sich ergeben können sind nur schwer und mit Computermodellen und -simulatoren abzuschätzen. Durch eine schwächere Umwälzzirkulation würde es zu einem Meeresspiegelanstieg im Nordatlantik kommen. Da das Wasser keine normalwertigen Dichteunterschiede mehr aufweist, kann es nicht in tiefere Schichten verlagert werden und durch den nachrückenden Strom beginnt sich das Wasser zu stauen (DKK 2017: 10). An der Ostküste der USA hingegen steigt der Meeresspiegel, da sich das Wasser aufgrund der Erwärmung ausdehnt und somit mehr Fläche einnimmt (Ceasar et al. 2018). Aufgrund der Beziehung von Luftdruckgebieten mit den Wasseroberflächentemperaturen wird das Wettergeschehen in Europa beeinflusst. Ein Tiefdruckgebiet im Nordatlantik wirkt wie ein Magnet für ein Hochdruckgebiet aus dem Süden Europas und sorgt somit für extrem trockene und heiße Sommer (Ceasar et al. 2018). Eine Verschiebung des Golfstroms nach Norden an der US-Küste, würde durch die abgebende Wärme an die Atmosphäre den Luftdruck beeinflussen, was folglich zu einer anderen Laufbahn von Stürmen führt (Ceasar et al. 2018). Daher ist es wahrscheinlich, dass sich in Europa, die Anzahl und die Intensität der Stürme häufen werden.

  1. Fazit

Ob sich das Wetter langfristig in Europa durch eine veränderte Zirkulation des Golf- und Nordatlantikstroms einstellen wird ist noch unklar. Aufgrund der bisherigen Datenlage lassen sich daher noch keine sicher eintreffenden Szenarien vorhersagen. Allerdings lässt sich sagen, dass mit einer ansteigenden Globaltemperatur der Kreislauf von Meeresströmungen Veränderungen unterliegen wird. Zudem gilt als sicher, dass sich zumindest in kurzfristiger Zeit extreme Sommer und Stürme häufen werden. Weiterhin zu Erforschen gilt es ob veränderte Meeresströmungen sich mittel und/oder langfristig bemerkbar machen; wenn sich Wettergeschehnisse ändern ob diese langfristig anzusehen sind; wie schnell sich die Fixierung der Erderwärmung auf 1,5°C auf die Ozeane auswirkt und wie sich eine langfristige Klimaänderung in Europa im Globalen Klima System verhält.                                

Literatur- und Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Wasseroberflächentemperatur an der US-Ostküste und im Nordatlantik    

Abbildung 2: Meeresströmungen und vorherrschende Winde                                           

Abbildung 3: NAO – Index                                                                                                

 

BMU (Hg.) (2013): Fragen. https://www.umweltbundesamt.de/service/uba-fragen/kippt-der-golfstrom-kommt-es-daher-in-europa-zu [24.11.2020].

DKK (Hg.) (2017): Zukunft der Golfstromzirkulation. Fakten und Hintergründe aus der Forschung. Berlin.

Caesar, L. et al. (2018): Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation. In: Nature 556: 191 – 196.

DWD (Hg.) (o. J.): Wetterlexikon. Golfstrom. https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=100932&lv3=101056. [29.11.2020]

DWD (Hg.) (o. J.):  NAO/ NAO Index. https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/begriffe/N/NAO_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=3. [04.01.2021]

Geomar (Hg.) (2020): Die Nordatlantische Oszillation und ihr Einfluss auf das Klima in Europa. Meeresströmungen und ihre Rolle im Klimawandel.  https://www.geomar.de/entdecken/artikel/die-nordatlantische-oszillation-und-ihr-einfluss-auf-das-klima-in-europa [07.12.2020].

Helmholtz-Zentrum Potsdam (Hg.) (2020): Meeresströmung. https://www.eskp.de/klimawandel/forschungsthema-meeresstroemung-935500/. [07.12.2020]

Helmholtz-Zentrum Potsdam (Hg.) (2020): Nordatlantik beeinflusst Klima in Deutschland. https://www.eskp.de/klimawandel/nordatlantik-beeinflusst-klima-in-deutschland-935558/. [07.12.2020]

NABU (Hg.) (2008): Von den Bahamas bis zum Rhein. Der Europäische Aal ist ,,Fisch des Jahres 2009´´. https://www.nabu.de/tiere-und-pflanzen/sonstige-arten/fische/10232.html. [05.01.2021]

SEOS (Hg.) (o. J.): Meeresströmungen. https://seos-project.eu/oceancurrents/oceancurrents-c06-p01.de.html. [05.01.2021]

SMHI (Hg.) (2011): Strömmar i svenska hav. Norrköping (= Faktablad 52).

Hier ist noch ein Video, welches die Umwälzzirkulation bzw. den Dichteunterschied von kalten, salzarmen und warmen, salzhaltigen Wasser verdeutlichen soll.

Kartenprojektionen: Die Erde „auf Papier gebracht“

Abb.1: Graphical Abstract zum Thema „Kartenprojektionen“ (eigene Darstellung, pixabay.com, shutterstock.com)

1 Einleitung

2 Theorie: Wie kommt die Erde auf die Karte?

3 Varianten und Unterschiede

     3.1 Projektionszentrum

     3.2 Abbildungskörper

     3.3 Treueeigenschaften

4 Typisierung von Weltkarten: Sollten Schulatlanten überarbeitet werden?

5 Fazit

Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Bereits vor über 2000 Jahren verwendeten unsere Vorfahren erste Kartenprojektionen beruhend auf mathematischen Prinzipien (Snyder 1997:1). Von der Ptolemäischen Weltkarte aus der Antike über die Mercator Projektion bis hin zu digitalen Karten in Geographischen Informationssystemen (GIS) passen sich die Kartenprojektionen dem Wandel der Zeit an und helfen dem Menschen sich zu orientieren (Stirnemann 2018: 115 ff.). Jeder von uns wird mit Kartenprojektionen konfrontiert, sei es im Atlas im Geographieunterricht oder beim täglichen Gebrauch von Google Maps. Man kann jeden Punkt auf der Erde mit Hilfe eines Koordinatensystems exakt bestimmen, indem die Erdoberfläche in ein Gradnetz eingeteilt wird. Die Transformation dieses dreidimensionalen Netztes auf eine zweidimensionale Kartenebene bezeichnet man als Kartenprojektion (GIS Lounge: 2002), Kartennetzentwurf oder Kartenabbildung (Christoph 2019: 11). Dieser Prozess führt zu Verfälschungen der Entfernung, Konformität, Größe und Richtung (Müllner 2012: 12).

Video 1: ,,The Orange Peel Problem‘‘- Die Schale der Clementine kann nicht glatt auf eine Ebene gedrückt werden. Ähnlich ist es bei der Transformierung des Erdkörpers auf eine Ebene: Die Weltkugel kann nicht verzerrungsfrei auf eine Kartenebene projektiert werden (Eigene Darstellung).

2 Theorie: Wie kommt die Erde auf die Karte?

Nachdem in die Theorie der Kartenprojektionen eingeführt und der Ablauf einer Kartenerstellung erläutert wurde, werden verschiedene Eigenschaften einer Kartenprojektion thematisiert. Am Ende wird ein Forschungsprojekt zur Typisierung von Weltkarten vorgestellt. Können Weltkarten typisiert werden und wenn ja, welche Gemeinsamkeiten weisen Karten des gleichen Typs auf? Des Weiteren ist zu klären, ob es eine Veränderung der Schulatlanten bedarf und eine Aktualisierung der Weltkarten im Unterricht. Führen die verwendeten Weltkarten zu einem falschen Weltbild für die Schüler:innen?

Weitgehende Einigung herrscht darüber, dass die Erde annähernd die Form einer Kugel, genauer gesagt eines Rotationsellipsoides, noch genauer gesagt eines Geoids hat (Hake et al. 2002: 39 f.). Da die Kartenprojektion eine Reduzierung der Wirklichkeit ist, und auf das Wichtigste minimiert wird, kommt es zu unvermeidbaren Verzerrungen (Grafarend et al. 2014: 1). Das bedeutet, es gibt nicht die eine vollkommene Kartenprojektion. Je nach Verwendungszweck eignen sich andere Karten. Eine genaue Anzahl an Kartenprojektionen ist nicht bekannt, mehrere hunderte sind bereits aufgelistet (Jenny 2012: 2576).

Wie entsteht eine Weltkarte? Die allgemeine Herangehensweise lässt sich grob in drei Schritte gliedern. Als erstes braucht es eine Bezugsfläche, in diesem Fall die Form der Erde. Die Vorstellung von der Erde als Kugel ist oftmals nicht mehr exakt genug. Durch die Rotation der Erde und die dynamischen Veränderungen der Oberfläche ergibt sich die Form eines sogenannten Geoids (Torge & Müller 2012: 76 ff.). Das Geoid gibt den mittleren Meeresspiegel wieder, den man sich unter den Kontinentalplatten weiterdenkt. „Eine mit Wasser bedeckte Erde würde exakt die Form des Geoids annehmen“ (Reigber & Schwintzer 2003: 206). Aufgrund der unregelmäßigen Krümmung und Massedichte der Erde, wird das Geoid durch Methoden der Satellitengeodäsie bestimmt (209). Da das Geoid nicht durch eine mathematische Gleichung beschrieben werden kann, verwendet man in der Kartographie häufig mathematisch bestimmbare Rotationsellipsoide (Gruber & Joeckel 2007: 30 f.). Weltweit wurden verschiedene Ellipsoide berechnet, die der Kartenherstellung als Bezugsfläche dienen (Yang et al. 2000: 14). Handelt es sich um eine Weltkarte, ist der Maßstab so klein, dass sich auch eine Kugel mit einem Radius von 6371 km als Bezugsfläche anbietet (Kohlstock 2018: 37). Der zweite Schritt ist die Auswahl eines geeigneten Koordinatensystems und die Transformation von der dreidimensionalen Form auf ein zweidimensionales Blatt Papier, die Karte. Im Fokus steht die Darstellung der gesamten Erde als Weltkarte, daher sind globale Koordinatensysteme anzuwenden. Geeignete und häufig verwendete kartesische Koordinatensysteme sind zum einen das Universal Transverse Mercator-System (UTM) und zum anderen das Gauss-Krüger-System (GK) (QGIS 2020). Als dritter Schritt erfolgt die Skalierung der Karte. Ein Maßstab muss berechnet werden, welcher definiert wird als ,,mathematische Ausdrucksform für die Reduzierung und Verkleinerung irgendeiner Strecke auf die Karte im Verhältnis zu der natürlichen Ausdehnung der Strecke‘‘ (Eckert-Greiffendorf 1939: 9). Bezogen auf die Weltkarte, mit sehr kleinem Maßstab, lässt sich diese Definition nur auf den Kartenmittelpunkt beziehen. Nach außen hin, kann der Maßstab verzerrt werden, abhängig von der gewählten Kartenprojektion. Die Maßstabsangabe ist nur für längentreue Projektionen verzerrungsfrei (Kohlstock 2018: 16).

3 Varianten und Unterschiede

3.1 Projektionszentrum

Die Position des Projektionszentrums kann orthografisch, stereografisch oder gnomonisch positioniert sein, wie auch in dem Graphical Abstract visuell dargestellt wurde. Bei der orthografischen Projektion liegt das Projektionszentrum im Unendlichen, es handelt sich um eine Parallelprojektion. Das Projektionszentrum der stereografischen Projektion liegt genau gegenüber der Bildebene. Durch den Mittelpunkt des Erdkörpers führt ein Verbindungsvektor zwischen Projektionszentrum und Bildebene. Das Zentrum der Projektion befindet sich bei der gnomonischen Projektion im Mittelpunkt des Körpers (Heissler 1984: 148 ff.).

3.2 Abbildungskörper

Abbildungskörper oder auch Projektionsflächen einer Kartenprojektion können eine Ebene, ein Zylinder oder ein Kegel sein. Die Abbildung auf eine Ebene nennt sich Azimutalprojektion. Die Abbildungskörper können verschiedene Positionen zum Bezugskörper einnehmen. Die Lage kann polständig (normal), äquatorständig (transversal) oder schiefachsig (zwischenständig) zur Erde sein. Die Abbildungskörper berühren den Erdkörper, schneiden diesen oder berühren ihn nicht (Wilhelmy et al. 2002: 48 ff.).

Video 2: Abbildungskörper (Eigene Darstellung, nach Wilhelmy et al. 2002)

3.3 Treueeigenschaften

Die Erde kann nicht vollständig verzerrungsfrei auf einer Karte abgebildet werden. Je nach Verwendungszweck der Karte werden bestimmte Treueeigenschaften erfüllt. Diese Treueeigenschaften werden erfüllt, indem der passende Abbildungskörper und dessen Lage ausgewählt wird. Äquidistante Abbildungen sind längentreu. Das Ellipsoid kann nicht vollständig längentreu abgebildet werden, daher nimmt die Längentreue in eine Richtung ab und die Verzerrung zu. Ist die Abbildung winkeltreu, spricht man von einer konformen Abbildung. In der Navigation, bei See- oder Flugkarten verwendet man meist eine konforme Abbildung. Äquivalente Abbildungen sind flächentreu. Die Flächentreue bezieht sich auf die gesamte Fläche und Wasser- und Landverhältnisse werden proportional dargestellt. Vermittelnde Abbildungen versuchen die Verzerrungen aller Treueeigenschaften so gering wie möglich zu halten, diese Form der Abbildung findet man häufig in Schulatlanten (DGfK 2000). Ein graphisches Mittel zur Darstellung der Stärke der Verzerrung ist die Tissotsche Indikatrix. Durch verschieden große und verformte Kreise stellt sie die Stärke der Verzerrung dar. Ähneln sich die Kreise in Größe und Form, handelt es sich um eine vermittelnde Abbildung (Kemp 2010: 478).

Video 3: Treueeigenschaften veranschaulicht durch die Tissotsche Indikatrix (Eigene Darstellung, nach Kemp 2010)

4 Typisierung von Weltkarten: Sollten Schulatlanten überarbeitet werden?

Abb. 2: Was wird hier dargestellt? Unsere Erde auf einer Karte. Diese Darstellung kommt uns fremd vor, da wir nur eurozentrische Projektionen kennen und die uns bekannte Aufteilung einmal um 180° gedreht wurde. Die Erde könnte in vielen verschiedenen Weisen dargestellt werden, und doch ist es weltweit typisch, dass Europa im Zentrum liegt (Stirnemann 2018) (pixabay 2016).

In einem Forschungsprojekt von 2012 wurden 91 weitgehend aktuelle Atlanten aus 73 Ländern verschiedener Kontinente untersucht, und die dargestellten Karten typisiert. Analysiert wurde die Lage des Äquators und die daraus resultierenden Typen. In keiner der untersuchten Karten befand sich die Äquatorlinie oberhalb der Bildmitte. 33% der Karten bildeten die Erde vollständig, und den Äquator in der horizontalen Bildmitte ab. Der Großteil, 55% der Stichprobe, stellten die Erde unvollständig dar, und verordneten den Äquator unterhalb der Bildmitte. Soziokulturelle Aspekte werden präsenter visualisiert als phänomenologische Eigenschaften der Erde. Die meisten Karten sind aufgrund ihrer Proportionen und Bildmittelpunkte geprägt vom Eurozentrismus, mit einer Zentrumsverschiebung und Benachteiligung der Südhalbkugel (Stirnemann 2018: 257 ff.). Selbst wenn die Kartenprojektion nur gedreht wurde, wie in Abb. 2, kommt uns die Darstellung der Erde fremd vor, und wird meist nicht im ersten Moment erkannt.

Im März 2017 begannen die US- amerikanischen Schulen in Boston ihre Weltkarten zu ersetzen. Die bisher genutzte Mercator Projektion soll durch die Gall-Peters-Projektion ersetzt werden. Grund dafür ist, dass die Mercator Projektion die Kontinente Nordamerika und Europa im Vergleich zu den Ländern auf der Südhalbkugel übermäßig groß darstellt. Dass die Industriestaaten größer als die Entwicklungsländer dargestellt werden, weckt den Eindruck der Widerspiegelung von politischen und sozialen Machtverhältnissen. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass es sich bei der Mercator Projektion nicht um eine flächentreue, sondern um eine winkeltreue Abbildung handelt. Der Zweck dieser Karte war ursprünglich die Navigation in der Seefahrt, und nicht die originalgetreue Wiedergabe der Größe der Kontinente (Monmonier 2010: 2 ff.). Die Gall-Peters Projektion ist flächen-, lage- und achsentreu. Der Nachteil dieser Projektion ist eine erhebliche Verzerrung von den Formen der Kontinente. Aus diesem Grund entschlossen sich die Schulen mit beiden Kartenprojektionen zu arbeiten (Schröder 2017).

Eine gewisse Verzerrung der Realität ist immer vorhanden, unabhängig davon welche Kartenprojektion man verwendet. Wichtig ist zu wissen, welchen Zweck die Karte erfüllen soll und diesen Zweck auch zu kennen. Die Mercator Projektion ist nur dann problematisch, wenn die Schüler:innen fest davon ausgehen, dass Grönland genau so groß ist wie der Kontinent Afrika. Wird ihnen vorher erklärt, dass es bei Kartenprojektionen zu Verzerrungen kommt, gehen die Schüler:innen mit einer anderen Wahrnehmung an die Karte heran. Eine Alternative ist eine vermittelnde Projektion, wie die Robinson Projektion oder der Winkels Entwurf, welcher auch in den Deutschen Diercke Atlanten verwendet wird (Westermanngruppe 2017). Vermittelnden Projektionen wird keine definierte Verzerrungseigenschaft zugewiesen. Ihr Ziel ist es, die Umrisse der Kontinente realitätsnah darzustellen, weswegen sie gut geeignet für die Verwendung im Schulatlanten ist (Zippelt 2010: 254).

5 Fazit

Die Wege und Möglichkeiten eine Kartenprojektion zu erstellen sind sehr vielfältig. Es braucht einen Bezugskörper, ein Koordinatensystem und einen Maßstab. Abhängig von dem Verwendungszweck und den darzustellenden Treueeigenschaften kann ein Abbildungskörper und ein Projektionszentrum ausgewählt werden. Es gibt einen Typ Weltkarte, der sich in den weltweiten Atlanten durchsetzt. Der Äquator wird unterhalb der Bildmitte dargestellt, und Europa liegt im Zentrum. Zu diskutieren ist, ob diese Art von Karte ein verzerrtes Weltbild bei den Schüler:innen vermittelt und ob die Schulatlanten überarbeitet werden sollten. Beim Lesen einer Karte muss man sich bewusst machen, zu welchem Zweck die Karte erstellt wurde, und welche Eigenschaften verzerrt dargestellt sind. Die Gall-Peters-Projektion verzerrt die Formen der Kontinente und Lagebeziehungen zueinander, während die Mercator Projektion die Länder in Pol Nähe stärker vergrößert. Vermittelnde Projektionen versuchen einen Mittelweg zu finden und zwischen den Treueeigenschaften zu vermitteln. Auf diesem Weg wird allerdings auch keine Treueeigenschaft vollständig erfüllt. Will man die Welt, das Geoid, auf ein Blatt Papier bringen, muss man Kompromisse eingehen und die Erde auf eine zweidimensionale Ebene reduzieren, ohne Verzerrungen und Verfälschungen der Realität ist dies nicht möglich.

Literaturverzeichnis

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Navigation – historisch und aktuell

Abbildung 1 Graphical Abstract

Inhaltsverzeichnis

  1. Einleitung
  2. Methoden der Navigation
    2.1 Astronavigation
    2.1.1 Theorie der Astronavigation
    2.1.2 Anwendung der Astronavigation
    2.2 Global Positioning System (GPS)
    2.2.1 Funktionsweise des GPS
    2.2.2 Anwendungsbereiche des GPS
  3. Zukunft der Navigation
    Literaturverzeichnis
    Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

Der Begriff Navigation ist die Zusammensetzung von zwei lateinischen Wörtern. Zum einen navis, was Schiff bedeutet, zum anderen agare, was in diesem Zusammenhang mit zu führen oder zu lenken übersetzt wird (Grewal et al. 2020). Die Navigation arbeitet über die Methoden der Positionierung und Orientierung und findet so einen Weg von Punkt A nach Punkt B. Anwendungen finden sich überall dort, wo kontrollierte Bewegung stattfindet. Sei es nun am Boden, auf See, in der Luft oder im Weltall (Hofmann-Wellenhof et al. 2003). Die Entwicklung der Methoden der Navigation ist verknüpft mit dem Fortschritt in der Mathematik und technischer Innovationen. (Link zum Thema Kartenprojektionen)

2. Methoden der Navigation

2.1 Astronavigation

Die Geschichte der Astronavigation beginnt in der Mitte des 6. Jahrhunderts v.Chr. und wird vor allem durch griechische Astronomen beeinflusst (Hofmann-Wellenhof et al. 2003; Couprie 2011). Im Laufe der Jahrhunderte werden verschiedene Instrumente entwickelt, um sich an den Himmelskörpern zu orientieren. Eine dieser Erfindungen ist der Sextant. Im Jahr 1731 von John Hadley entwickelt, findet er heute noch Anwendung (Schmidt 1996). Die Bestimmung der geographischen Länge ist im Gegensatz zur geographischen Breite bis ins 18. Jahrhundert ein großes Problem in der Seefahrt. Erst durch die Entwicklung des Chronometers durch John Harrison (1693-1776) wird dieses Problem gelöst (Johnson 1989). Zusätzlich zu diesen Hilfsmitteln spielt der Kompass im Hintergrund eine wichtige Rolle (Schmidt 1996). Mit diesen Instrumenten ist es möglich die geographische Länge und die geographische Breite zu finden. Doch um diese zu bestimmen wird Wissen über ein geeignetes Koordinatensystem und Erdmodell verlangt (Abb. 2).

Abbildung 2 Geographische Koordinaten und Anschauung im Erdmodell.
(Nach: van Allen 2004)

Hierzu wird die Oberfläche der Erde durch eine Kugel, mit einem einheitlichen Radius, angenähert. Die Rotation dieser Kugel bleibt gleichmäßig. Durch die Rotationsachse der Erdkugel verläuft die z-Achse. Durch den Schnitt von Äquator und Nullmeridian verläuft die x-Achse. Orthogonal zur x-Achse und zur z-Achse verläuft die y-Achse. Die Ebene, die x-Achse und y-Achse aufspannen, wird als Äquatorebene bezeichnet. An den Schnittpunkten der z-Achse mit der Erdkugel befinden sich Nord- und Südpol (van Allen 2004; Rousseau et al. 2012). Eine Position auf der Erdkugel wird durch zwei Winkelangaben definiert. Zum einen wird die geographische Länge λ (Lambda) benötigt zum anderen die geographische Breite ϕ (Phi). Von der Äquatorebene aus wird ϕ gemessen. Die Winkelangaben werden dabei auf 90° für die Nordhalbkugel und -90° für die Südhalbkugel beschränkt. Ausgehend von der x-Achse wird λ gemessen. Beschränkt wird der Wert auf 180° und es wird zwischen West und Ost unterschieden (Rousseau et al. 2012).

2.1.1 Theorie der Astronavigation

Die Funktionsweise der Astronavigation beruht auf der Beobachtung von Sternen, Planeten, der Sonne und dem Mond, deren Position bekannt ist (van Allen 2004). Dabei wird die Position eines Sterns in einem ähnlichen Koordinatensystem wie dem der Erde beschrieben. Dazu wird um die Erdkugel eine deutlich größere Himmelskugel gelegt. Wie viel größer ist dabei nicht relevant, da die Position eines Himmelskörpers nicht über den Abstand definiert wird. Auf der Innenseite dieser Himmelskugel werden die Himmelskörper verortet. Der Mittelpunkt und die Wahl der Achsen des für die Erdkugel definierten Koordinatensystems bleiben dieselben. Die z-Achse schneidet die Himmelskugel im Himmelsnordpol und Himmelssüdpol. Die vorher definierte Äquatorebene schneidet die Himmelskugel. Dadurch, dass das Gradnetz der Erdkugel auf die Himmelskugel projiziert wird, kann der Breitengrad eines Himmelskörpers genau wie bei den geographischen Koordinaten gefunden werden. Der Name ändert sich allerdings zu Deklination. Die Deklination entspricht den Breitengraden auf der Erde. Zur Eindeutigkeit der Längengrade auf der Erdkugel dient der Nullmeridian. Auf der Himmelskugel dient das Frühlingsäquinoktikum als Referenzpunkt für die Rektaszension, den Längengraden auf der Himmelskugel. Dieser entsteht durch die um 23,44° zum Äquator geneigte Ekliptik der Erde. (Hier geht es zum Thema Erdbahnparameter) Im Schnitt der Ekliptikebene mit der Äquatorebene befindet sich der Frühlingsäquinoktikum. Diese Art der Verortung von Himmelskörpern wird Äquatorialsystem genannt (van Allen 2004; Schmidt 1996; Schombert). Sobald ein Himmelskörper genau im Zenit über einen Beobachtungspunkt auf der Erde steht, befindet sich dieser Punkt und der Stern auf einer Geraden. So lässt sich direkt von der Deklination und Rektaszension auf den Längen- und Breitengrad schließen.

Abbildung 3 Das Horizontalsystem. (Nach: Schmidt 1996, Schombert)

Ein weiteres System, das der Anwendung etwas näher ist, wird Horizontalsystem genannt. Die Position des Beobachters bildet mit der Horizontlinie eine Ebene. Diese Ebene schneidet die Himmelskugel und bildet so den scheinbaren Horizont. Die hierzu parallele Ebene durch den Ursprung wird der wahre Horizont genannt. Durch den Ursprung und orthogonal zum wahren Horizont wird die Scheitellinie gefällt. Diese schneidet die Himmelskugel im Zenit (Z) und Nadir (Nd). Der Zenit befindet sich bei +90° von der wahren Horizontlinie und der Nadir bei -90°. Auf dem wahren Horizont wird Norden (N) als der Punkt definiert, der dem Himmelsnordpol am nächsten ist. Daraus folgen dann Süden (S), Westen (W) und Osten (E). Der Großkreis, der durch N, Z, S verläuft wird als Himmelsmeridian bezeichnet. Die Position eines Himmelskörpers wird durch zwei Winkelangaben definiert. Zum einen den Azimut (A) und die wahre Höhe (h). Das Azimut ist der Winkel gemessen im Uhrzeigersinn von der Nordrichtung aus. Die wahre Höhe ist der vom wahren Horizont ausgehende Winkel Richtung Zenit. Ein bedeutender Nachteil ist, dass bei diesem System die wahre Höhe und das Azimut im Laufe des Tages ständig verändern. Außerdem hängt das Referenzsystem vom Standort des Beobachters ab (Schmidt 1996; Schombert).

2.1.2 Anwendung der Astronavigation

Abbildung 4 Funktionsweise eines Sextanten (Hofmann-Wellenhof et al. 2003)

Ein Sextant ist ein sehr genaues Winkelmessgerät. Seinen Namen hat es daher, dass es den sechsten Teil eines Kreises misst. In seiner einfachsten Form befinden sich an einem Sextanten ein Fernrohr (telescope), ein kleiner Spiegel (horizon mirror), ein großer Spiegel (index mirror) und die Alhidade (alhidade) mit der zugehörigen Skala (limbus). Siehe dazu Abbildung 4. Der kleine Spiegel ist zur Hälfte durchsichtig und ist auf die Kimm (Horizont) gerichtet. Der große Spiegel dient zur Messung der Gestirnshöhe. Er ist an der Alhidade befestigt und verändert seine Ausrichtung während der Messung. Mit der Alhidade wird die Winkeleinstellung vorgenommen, indem sie auf der Skala bewegt wird. Um die Höhe des Gestirns über der Kimm anzugeben, wird der Winkel zwischen zwei Lichtstrahlen bestimmt. Dieser Winkel lässt sich über die Geometrie der doppelten Reflektion herleiten. Diese besagt: 2𝛽 = 𝑒. Wobei β der Winkel ist, um den die Alhidade verstellt werden musste, sodass der Himmelskörper auf gleicher Höhe mit der Kimm im kleinen Spiegel zu sehen ist (Hofmann-Wellenhof et al. 2003). In Abbildung 5 ist der Messablauf zu sehen.

Abbildung 5 Animation, die den Gebrauch eines Sextanten zur Messung der Sonnenhöhe zeigt: (1) Ausrichten des Sextanten zum Horizont, (2) Schwenken des Indexspiegels, (3) Sonne und Horizont egalisieren, (4) Feinabstimmung (5) Schwenken zur Verifizierung der Einstellung, (6) Ablesen der Messung (Gaspar 2007).

File:Using sextant swing.gif – Wikimedia Commons

Um den Standort zu bestimmen wird die Position des Gestirns zum Zeitpunkt der Messung in Greenwich-Zeit benötigt. Der gemessene Winkel zwischen Horizont und Gestirn kann an verschieden Standorten auf der Welt zur gleichen Zeit gemessen werden. Dadurch entsteht eine Linie mit möglichen Standorten. Diese Linien wird Standlinie genannt (Abb. 6). Wird eine zweite Messung zu einem zweiten Gestirn zur gleichen Zeit durchgeführt und dazu eine Standlinie berechnet, so schneiden sich diese beiden Kreise in zwei Punkten. Nun kann durch das Ausschlussprinzip der Standort ausgewählt werden (Schmidt 1996; Roy & Clarke 2003).

Abbildung 6 Standlinie (Nach Schmidt 1996)

2.2 Global Positioning System (GPS)

Das GPS kann jederzeit den genauen Standpunkt bestimmen. Dabei wird das System in das Weltraum-Segment, das Kontroll-Segment und das Nutzer-Segment unterteilt. Das Weltraum-Segment beinhaltet die Satelliten, die sich in einem Medium Earth Orbit (MEO) in 20.200km Höhe mindestens zu viert auf sechs unterschiedlichen Orbitalbahnen befinden. Neben dieser Mindestanforderung bewegen sich noch weitere GPS-Satelliten auf den Umlaufbahnen. Zum einen, um bei einem Ausfall als Ersatz zu dienen, zum anderen, um die Genauigkeit zu erhöhen (Dunbar 2014).

2.2.1 Funktionsweise des GPS

Positionsbestimmung mit dem GPS. Eigene Produktion.

Die Satelliten senden periodisch Radiowellen aus, die von geeigneten Empfängern verarbeitet werden. Durch die festen Umlaufbahnen können die Positionen der Satelliten berechnet werden und sind zu jeder Zeit bekannt. Die vorausberechneten Positionen werden im Almanach gespeichert. Für eine Positionsbestimmung in einem Modell, in dem genaue Zeitmessung immer möglich ist, werden drei Satelliten benötigt. Die Methode, die hinter der Positionsbestimmung steht, kann mit der Trilateration verglichen werden. Die ausgesendeten Radiowellen des ersten Satelliten (S1) erreichen einen Empfänger (E), der mittels der Zeit (t1), die das Signal vom Satelliten bis zum Empfänger benötigt, die Strecke (r1) zwischen diesen beiden mittels der Lichtgeschwindigkeit berechnet.

Daraus lässt sich schließen, dass die gesuchte Position einen Abstand von r1 vom Satelliten S1 hat. In einem dreidimensionalen Raum, in dem sich dieses Modell befindet, bedeutet das, dass sich der Empfänger irgendwo auf einer Kugel um den Satelliten S1 befindet. Mittels der Methode der Abstandsmessung über die Zeit des Signals und der Lichtgeschwindigkeit, können nun noch die Abstände zu den Satelliten S2 und S3 berechnet werden. Auch bei diesen beiden entstehen Kugeln mit den Satelliten als Mittelpunkte. Werden nun die Kugeln um die Satelliten S1 und S2 miteinander verschnitten, so werden die möglichen Punkte auf einen Kreis reduziert. Dieser Kreis wird wiederum mit der Kugel um den Satelliten S3 geschnitten, sodass die Anzahl der möglichen Standorte auf zwei sinkt (Abb. 7). Durch die Anordnung der Satelliten im Raum kann einer dieser Punkte ausgeschlossen werden, da sich dieser zu weit von der Erdoberfläche entfernt befindet (Rousseau et al. 2012).

Abbildung 7 Geometrie des GPS. Erstellt mit GeoGebra (Nach: Rousseau et al. 2012)

Der gemessene Abstand ist stark von der Genauigkeit der Uhren abhängig, da bereits die Abweichung einer millionstel Sekunde zu einer Ungenauigkeit von bis zu 300m führen kann. In den GPS-Satelliten werden deshalb Atomuhren verbaut. Eine solche Aufrüstung für jeden Empfänger wäre allerdings eine zu große Investition (Herring 1996). Die Kugeln um die Satelliten sind entweder zu groß, das ist der Fall, wenn die Empfängeruhr zu schnell läuft, oder zu klein, wenn die Empfängeruhr zu langsam läuft (Herring 1996). Ein vierter Satellit soll den durch die Ungenauigkeit der Empfängeruhr verursachten clock offset (τ) bestimmen. Der Empfänger zu dem ersten Satelliten (S1) misst eine fiktive Laufzeit (T1). Um die genaue Position zu bestimmen, wird allerdings die wahre Laufzeit (t1) benötigt.

Der clock offset wird für alle Satelliten als gleich angenommen (Rousseau et al. 2012). Die Mathematik zu diesem Kapitel ist in Rousseau et al. 2012 nachzulesen.

2.2.2 Anwendungsbereiche des GPS

Die Anwendungsmöglichkeiten des GPS sind zahlreich. Daher wird hier nur ein kleiner Teil der Möglichkeiten aufgezeigt. Neben der offensichtlichen Anwendung in der alltäglichen Navigation, wird das GPS in Verbindung mit geographischen Informationssystemen (GIS) auch in der Landwirtschaft angewendet. Dort werden genaue Karten der bewirtschafteten Felder erstellt, die Informationen über die Bodenbeschaffenheit erhalten. So kann der Landwirt entscheiden wo und in welchen Mengen Dünger und Pestizide aufgetragen werden müssen (Rey 2006). Durch Verbesserungen im GPS nutzen Geologen das System, um die Plattenverschiebung zu dokumentieren oder durch Änderung der Satelliten ihrer Umlaufbahn das Gravitationsfeld der Erde zu erforschen (Evans et al. 2002; Herring 1996). Meteorologen machen sich eine Fehlerquelle im GPS zu nutze. Die Radiowellen, die von den Satelliten ausgesendet werden, müssen die Atmosphäre durchqueren. Wenn sie die geladene Ionosphäre passieren, werden die Radiowellen gestreckt, während sie in der Troposphäre wieder zusammengedrückt werden. Die daraus resultierenden Unregelmäßigkeiten können gemessen werden und daraus Rückschlüsse auf den Wassergehalt in der Troposphäre gezogen werden (Herring 1996).

3. Zukunft der Navigation

Die vorangegangenen Kapitel haben sich damit beschäftigt wie eine Position auf der Erdoberfläche gefunden werden kann. Doch im Themenfeld der Navigation kann der Maßstab sowohl größer als auch kleiner werden. Wird der Begriff Navigation allgemein ausgelegt, geht es darum sich in einem Raum zurecht zu finden und zu bewegen. Dieser Raum war bislang die Erdoberfläche, doch er kann auf das Weltall ausgedehnt oder auf ein Zimmer, eine Wohnung oder ein Haus beschränkt werden.

Die Innenraum Navigation bedient sich verschiedener Techniken. Die Position kann zum Beispiel über einen am Körper getragenen RFID Chip und im Raum verteilten RFID Empfängern bestimmt werden. Die FH-Dortmund hat dazu geforscht und dazu einen Forschungsbericht veröffentlicht (Röhrig et al. 2016). (EL_24_3_14.pdf (engineeringletters.com))

Omnidirectional mobil robot with RFID-Localization.

Mit ähnlichen Methoden kann auch mit einem Infrarot System, Ultraschall, Wifi oder Bluetooth die Position bestimmt werden (Fallah et al. 2013).

Im Weltall befindet sich die gesuchte Position zu weit von der Erdoberfläche entfernt, sodass eine Navigation mit dem GPS nicht möglich ist. Der Blick geht wieder Richtung Sterne. Die Apollo Mission hat einen Space Sextanten an Bord gehabt. Anhand dieser periodisch durchgeführten Winkelmessungen zur Sonne, nahen Planeten und ausgewählten Sternen kann die Position im Weltall bestimmt werden (Hoag 1983). Ist der Wunsch allerdings, noch weiter unter tiefer ins Weltall vorzudringen ist eine Positionsbestimmung anhand von Winkeln nicht vorteilhaft. Wird die Position im Weltall anhand von Winkeln in einem Kugelkoordinatensystem definiert, dass seinen Ursprung in der Mitte der Sonne hat, kann die Position bis auf 5 m genau bestimmt werden. Ein Fehler in der Messung von 0.1 Bogensekunden würde auf der Entfernung von Jupiter schon eine Ungenauigkeit von 300 km bedeuten. Entfernt sich die Position noch weiter bis auf die Entfernung von Pluto, bedeutet derselbe Fehler nun schon eine Ungenauigkeit von 2300 km. Um diesen Fehler zu umgehen, wurde ein neues System entwickelt, dass die natürlichen Radiowellen oder Röntgenstrahlen der Pulsare zur Navigation benutzt (Downs 1974). Pulsare ermöglichen es im Weltall zu navigieren, indem sie die Funktion der Satelliten erfüllen (Xiong et al. 2012).

Beitrag zum Thema Space Navigation ab 7:54 min.

Literatur

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Graphical Abstract

Abbildung 2 Definition von geographischen Koordinaten und Anschauung der Erdkugel mit Koordinatensystem. Nach: (van Allen 2004)

Abbildung 3 Das Horizontalsystem. Nach: (Schmidt 1996; Schombert)

Abbildung 4  Funktionsweise eines Sextanten. (Hofmann-Wellenhof et al. 2003)

Abbildung 5 Animation, die den Gebrauch eines Sextanten zur Messung der Sonnenhöhe

Abbildung 6 Standlinie Nach: (Schmidt 1996)

Abbildung 7 Geometrie des GPS. Erstellt mit Geogebra. Nach: (Rousseau et al. 2012)

Lebensraum Erde – von der Tiefsee bis auf den höchsten Gipfel

Abbildung 1: Graphical Abstract zum Thema „Lebensraum Erde“ (eigene Darstellung).

Gliederung

1 Einleitende Worte

2 Der Ursprung des Lebens

2.1 Das Prinzip der chemischen Evolution

2.2 Theorieansätze

2.2.1 Oparin-Haldane-Hypothese – Die Entstehung des Lebens auf der Erde

2.2.2 Die Panspermie-Hypothese – Das Leben aus dem Weltall

3 Das Leben an extremen Standorten

3.1 Das Leben in der Tiefsee

3.1.1 Limitierende Faktoren in der Tiefsee

3.1.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen an die Tiefsee

3.2 Das Leben im Hochgebirge

3.2.1 Limitierende Faktoren im Hochgebirge

3.2.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen im Hochgebirge

4 Abschließende Worte

5 Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Einleitende Worte

Die Erde beherbergt eine Vielfalt an unterschiedlichen Lebewesen, die zum Teil extremen Bedingungen trotzen. Wie sehen diese Bedingungen am tiefsten und am höchsten Punkt der Erdoberfläche aus und wie ist das Überleben dort möglich? Doch zunächst stellt sich die Frage, wie und wo das Leben entstand.

2 Der Ursprung des Lebens

Damit Leben entstehen konnte, muss einst aus anorganischem Material organisches entstanden sein, welches sich anschließend zu lebendigen Zellen entwickelte. Dieser Prozess wird als chemische Evolution bezeichnet (Calvin 1956: 387). Doch gibt es unterschiedliche Theorien zum genauen Ablauf und Ort.

2.1 Das Prinzip der chemischen Evolution

Erste Überlegungen zu der Entstehung des Lebens machte bereits Charles Darwin, Begründer der modernen Evolutionstheorie, die er 1871 in einem Brief äußerte (Darwin Correspondence Project). 50 Jahre später wurden konkrete Hypothesen über den Ursprung des Lebens formuliert und in den 1950er Jahren erste Experimente zu dem Thema entwickelt (Animation 1). Mit der daraus hervorgehenden Theorie der chemischen Evolution versuchte man die Entstehung von Grundbausteinen des Lebens aus nichtlebenden Systemen zu erklären. Aus chemischen Reaktionen gingen demnach biologische Strukturen wie Zucker, Nukleinbasen und Aminosäuren hervor, die die Grundbausteine von Zellen darstellen (Eschenmoser 2009: 182). Aus diesen Verbindungen konnten daraufhin durch weitere Reaktionen frühe Formen des Lebens entstehen (La Escosura 2019: 1).

Animation 1: Wichtige Daten zur Wissenschaft der chemischen Evolution (eigene Darstellung).

2.2 Theorieansätze

Die Theorien zu der Entstehung des Lebens sind äußerst komplex und werden auch zur heutigen Zeit noch auf Grundlage neuer Erkenntnisse in den Naturwissenschaften kontinuierlich ergänzt und überholt (Kitadai & Maruyama 2018: 1144). Dennoch gibt es zwei grundlegende Ansätze zu unterscheiden.

2.2.1 Oparin-Haldane-Hypothese – Die Entstehung des Lebens auf der Erde

Eine gängige Theorie dazu wie das Leben entstanden sein könnte wurde in den 1920ern von zwei unterschiedlichen Wissenschaftlern unabhängig voneinander aufgestellt (Ponnamperuma 1964: 339). Diese sogenannte Oparin-Haldane-Hypothese besagt, dass alle Voraussetzungen für die Entstehung des Lebens auf der Urerde gegeben waren (Fry 2006: 25). Die chemische Evolution wurde demnach durch die Abkühlung der Erde nach ihrer Differenzierung vor etwa 3,8 Milliarden Jahren initiiert. Die Abkühlung hatte die Entstehung der Erdkruste sowie die Kondensation von Wasser zur Folge, wodurch sich Ozeane bildeten (Tirard 2017: 736 aus Haldane 1929). Zudem hatte die Atmosphäre zur damaligen Zeit eine andere Zusammensetzung als heute. Unter anderem bestand sie aus Ammoniak und großen Mengen an Kohlenstoffdioxid, enthielt jedoch keinen Sauerstoff (Kasting 1993: 921). Die Zusammensetzung dieser jungen Atmosphäre soll im ersten Schritt der Entstehung des Lebens bewirkt haben, dass mehr chemisch aktive UV-Strahlung hindurchdringen konnte, als es bei der heutigen Erdatmosphäre der Fall ist. Die Strahlung soll in Verbindung mit Wärme als chemischer Katalysator auf das atmosphärische Gemisch aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und Ammoniak gewirkt haben, woraus erste organische Substanzen entstanden (Tirard 2017: 736). Diese neuen Verbindungen haben sich laut der Hypothese in einem zweiten Schritt in den Urozeanen angereichert, sodass die Viskosität des Wassers stark zunahm. Diese als Ursuppe bezeichnete Mixtur hatte aufgrund der großen Menge an verschiedenen chemischen Verbindungen äußerst reaktive Eigenschaften. Laut der Theorie führte die Reaktivität unter dem anhaltenden Einwirken der Sonnenradiation und der daraus resultierenden Wärme dazu, dass größere organische, selbstreproduktive Moleküle entstanden. Sie schlossen sich dann vermehrt zufällig in öligen Filmen und Wasser zusammen und bildeten so im dritten Schritt primitive Urzellen (Animation 2) (Tirard 2017: 736).

Animation 2: Ablauf der chemischen Evolution (animiert nach Junker & Scherer 2006).

Diese zunächst theoretische Hypothese wurde erstmalig im Jahr 1953 durch das sogenannte Miller-Urey-Experiment überprüft (Fry 2006: 24). Das Experiment bestand aus einer Apparatur, die den Zustand der Erde zur damaligen Zeit simulierte und so die in der Oparin-Haldane-Hypothese beschriebenen Reaktionen überprüfte (Urey 1952; Miller 1953; Video 1). Mit diesem und weiteren Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass diese Hypothese eine Möglichkeit darstellt, wie der Ursprung des Lebens ausgesehen haben könnte (Fry 2006: 24).

Video 1: Versuchsaufbau des Miller-Urey-Experiments.

Mit dem Fortschreiten der Wissenschaft wurde diese Theorie seitdem weiter ausgebaut. So ist beispielsweise bekannt, dass der Vulkanismus nicht nur einen wesentlichen Anteil an der Zusammensetzung der Atmosphäre zu Zeiten der chemischen Evolution hatte, sondern auch durch die Bildung von submarinen Hydrothermalquellen einen weiteren möglichen Ursprungsort des Lebens darstellt (Corliss et al. 1981: 60). Durch die hohen Temperaturen und die Zusammensetzung herausströmender Gase sind auch dort laut der Hypothese Bedingungen gegeben, aus denen organischen Verbindungen entstanden sein könnten (Miller & Bada 1988: 610).

2.2.2 Die Panspermie-Hypothese – Das Leben aus dem Weltall

Parallel zu der Theorie, dass der Lebensursprung auf der Erde selbst liegt, existiert die sogenannte Panspermie-Hypothese (Audio 1), die besagt, dass das Leben oder Vorläufer des Lebens in Form von Molekülen aus dem Weltall auf die Erde kamen (Bezverkhniy & Bezverkhniy 2020: 2). Auch hierzu gibt es unterschiedliche Überlegungen. Frühe Vertreter der Panspermie-Hypothese vermuteten, dass diese Lebensformen durch elektromagnetische Kräfte auf die Erde kamen (Arrhenius 1908) oder durch extraterrestrische intelligente Lebensformen aktiv auf die Erde gebracht wurden, um diese zu kolonialisieren (Crick & Orgel 1973: 342). Diese Überlegungen bildeten das Fundament für die vielfältigen Denkrichtungen der Panspermie-Hypothese. Im Grunde können viele Einteilungen der zahlreichen Theorien vorgenommen werden, beispielsweise dahingehend, dass organische Moleküle und Verbindungen als Vorläufer des Lebens auf die Erde kamen und dort aufgrund der bereits in Abschnitt 2.2.1 genannten Bedingungen zu lebenden Zellen wurden (Matthews & Minard 2006: 398) oder dass bereits lebendige Zellen möglicherweise in Form von Bakterien, Pilzen oder Viren durch Kollisionen mit anderen Himmelskörpern auf die Erde kamen (Hoyle & Wickramasinghe 1981: 230). Letztere Denkweise wird derzeit auch auf das Erscheinen des Coronavirus und anderer Krankheitserreger angewandt, da ein räumlicher und zeitlicher Zusammenhang zwischen einem Meteoriteneinschlag und dem Ausbruch des Virus entdeckt wurde (Steele et al. 2020: 88ff). Da auf ebensolchen Himmelkörpern bereits im Weltall organische Verbindungen nachgewiesen werden konnten (Wright et al. 2015) und gezeigt wurde, dass Bakterien über längere Zeiträume unter den dort gegebenen Bedingungen überlebensfähig sind (La Torre et al. 2010), ist auch diese Theorie eine ernst zu nehmende Möglichkeit, wie das Leben eventuell auf die Erde gekommen ist. So wurde 2020 ein Experiment veröffentlicht, bei dem ein Bakterium außerhalb der International Space Station (ISS) den Bedingungen des interplanetaren Raums ausgesetzt wurde und nach einer Prognose mehrere Jahrzehnte lang dort überleben könnte (Kawaguchi et al. 2020: 9).

Audio 1: Panspermie – Kam das Leben aus dem Weltall? (Freistetter 2015).

3 Das Leben an extremen Standorten

Dass die Mikroorganismen der Erde in der Lage sind teils extremen Bedingungen standzuhalten, macht die Forschung zur Panspermie-Hypothese deutlich. Doch auch höhere Lebewesen haben sich an die Bedingungen der unterschiedlichen Lebensräume auf der Erde angepasst. Wie extrem diese Bedingungen teilweise sind und wie die jeweiligen Anpassungen daran aussehen können, soll anhand von zwei Beispielen verdeutlicht werden: Der Tiefsee und dem Hochgebirge.

3.1 Das Leben in der Tiefsee

3.1.1 Limitierende Faktoren in der Tiefsee

Die Tiefsee ist vor allem eins – dunkel. Denn durch die optischen Eigenschaften des Wassers wird bereits in geringen Tiefen der Großteil der solaren Strahlung absorbiert und gestreut. UV-Licht und Licht im Infrarot- und Rotbereich erreichen im offenen Ozean nur sehr geringe Tiefen von 10 m bis maximal 50 m während in Tiefen von über 100 m nur Blauanteile des Lichts mit Wellenlängen um 450 nm gelangen (Darwiesh et al. 2018: 3; Woźniak & Dera 2007: 3). Ab etwa 200 m unter der Wasseroberfläche ist fast kein Licht mehr vorhanden (Animation 3) (Prazeres & Renema 2019: 8). Der tiefste Punkt der Ozeane ist das Challengertief des Marianengrabens, das laut einer Messung im Jahr 2014 10.984 m von der Wasseroberfläche entfernt liegt (Gardner et al. 2014: 11) und tektonischen Ursprungs ist (Lemenkova 2018: 41). Somit gibt es einen großen Bereich, in dem Dunkelheit herrscht. Dieser Bereich wird als Bathyal oder midnight zone bezeichnet (van den Hoff et al. 2017: 1). Neben der Dunkelheit sind Lebewesen hier zudem einem extrem hohen hydrostatischen Druck und kalten Wassertemperaturen ausgesetzt (van den Hoff et al. 2017: 1). Das fehlende Licht hat neben dem visuellen Aspekt einen weiteren Einfluss. Denn nur mit Licht kann Photosynthese betrieben werden (Ryther 1956: 69), beispielsweise durch Algen, welche die Hauptproduzenten des im Ozean vorhandenen Sauerstoffs darstellen (Riser & Johnson 2008: 324). Somit steht im Bathyal neben den anderen limitierenden Faktoren auch weniger gelöster Sauerstoff zur Verfügung.

Animation 3: Durchdringtiefe bei Ozeanen von Licht verschiedener Wellenlängen im sichtbaren, ultravioletten (UV), sowie Infrarotbereich (IR) (verändert und animiert nach Prazeres und Renema 2019).

3.1.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen an die Tiefsee

Um die Komplexität der Anpassungsmechanismen von Lebewesen an diesen Lebensraum zu veranschaulichen, dient die Anpassung an den Faktor Licht als gutes Exempel. Wo kein Licht ist, ist auch die Suche nach Beute oder Fortpflanzungspartnern und somit die Reproduktion sowie Kommunikation der hier lebenden Arten erschwert (Davis et al. 2014: 1139). Aus diesem Grund sind viele der dort lebenden Arten dazu in der Lage über eine chemische Reaktion eines körpereigenen Enzyms selbst Licht zu produzieren (Widder 2010: 705, Video 2). Dieses Licht ist zumeist blau, da das visuelle System von Organismen in großen Tiefen an das noch weit nach unten reichende, blaue Lichtspektrum angepasst ist (Widder 2010: 705 aus Archer et al. 1999). Nicht nur die Rezeption von Farben ist an die Bedingungen der Tiefsee angepasst. Viele dort lebende Tiere haben auch besonders große oder sensitive Augen ausgebildet, um möglichst viel Restlicht einfangen zu können (Warrant & Locket 2004: 677; Nilsson et al. 2012: 683). Trotz der Befähigung zur Biolumineszenz treffen sich seltene Spezies nicht häufig untereinander. Daher haben sich teilweise besondere sexuelle Strategien entwickelt, so wie der sexuelle Parasitismus des Tiefsee-Anglerfischs (Caulophryne jordani) (Pietsch 2005: 207). Das Männchen dieser Art ist deutlich kleiner als das Weibchen. Finden sich zwei Individuen der beiden Geschlechter, heftet sich das Männchen mit seinem Maul an das Weibchen und die Gewebe beider Anglerfische verbinden sich. So wird das Männchen lebenslang über den Blutkreislauf des Weibchens mit lebensnotwendigen Nährstoffen versorgt und das Weibchen sichert sich eine Samenquelle (Pietsch 2005: 207). Forschern der Rebikoff Foundation gelang es 2018 erstmalig, ein solches Paar in 800 m Tiefe zu filmen (News at a glance 2018: 1311, Video 3).

Video 2: Zwei Individuen des Blitzlichtfisches (Photoblepharon steinitzi) bei Nacht (eigene Aufnahme aus Dahab, Ägypten).

Video 3: Erstes Bildmaterial eines Tiefsee-Anglerfisch-Paares (Science | AAAS 2018).

3.2 Das Leben im Hochgebirge

3.2.1 Limitierende Faktoren im Hochgebirge

Ein markantes Merkmal der Gebirge ist die abnehmende atmosphärische Temperatur mit zunehmender Höhe (Abbildung 2), durch die es auch zu Wechseln des Klimas kommt. Das Klima beeinflusst wiederum maßgeblich die Vegetation (Derguy et al. 2019: 3). Um Biomasse aufbauen zu können, benötigen Pflanzen je nach Art gewisse Minimaltemperaturen in ihrer Vegetationsperiode aber auch chemisch-physikalische Bodeneigenschaften, die ein Wachstum ermöglichen (Polis 1999: 4). Die Bedingungen spiegeln sich im Höhenprofil von Gebirgen wider, wo die Vegetation oberhalb der Wald- und der Baumgrenze mit Einsetzen der Schneegrenze nicht mehr vorhanden ist (Rubel et al. 2017: 121). Weitere Faktoren, die in Hochgebirgen die Vegetation beeinflussen sind das Mitreißen von Pflanzen durch Lawinen, die schlechten Bodeneigenschaften durch Permafrost, die erhöhte Strahlung aufgrund der dünneren schützenden Atmosphäre und der Reflektion von Strahlung durch die Schneedecke sowie erhöhte Windgeschwindigkeiten (Bebi et al. 2004: 208). In welcher Höhe diese Bedingungen eintreten hängt von der geographischen Lage der Gebirge und dem dort jeweils herrschenden Klima ab (Derguy et al. 2019: 3; Animation 4).

Abbildung 2: Temperatur- und Druckabnahme mit zunehmender Höhe im Bereich der unteren Atmosphäre (verändert nach Encyclopedia Britannica 2012).
Animation 4: Zusammenhang zwischen geographischer Lage und Höhenzonierung (animiert nach Derguy et al. 2019).

Ein anderes Merkmal, das wiederum die Tierwelt sowie den Menschen stark beeinflusst, ist neben den niedrigen Temperaturen in hohen Lagen der abnehmende Luftdruck (Burrows et al. 2011: 9). Auf dem mit 8.848 m höchsten Berg der Erde, dem Mount Everest, beträgt der atmosphärische Druck etwa ein Drittel des atmosphärischen Drucks auf Meeresniveau (West 1999: 1064). Durch das Einatmen von Luft geringen Drucks ist auch die Sauerstoffaufnahme eingeschränkt (Schoene 2001: 3121). In der sogenannten Todeszone ab 7.500 m Höhe ist der menschliche Körper durch den akuten Sauerstoffmangel so geschwächt, dass er hier nur wenige Stunden lebensfähig ist. Doch bereits ab einer Höhe von 2.500 m und insbesondere ab 5.500 m, wo der atmosphärische Druck nur 50 % des Drucks auf Meeresniveau entspricht, kann es zu Symptomen der Höhenkrankheit kommen. Hierzu zählen unter anderem Wassereinlagerungen in den Hirn- oder Lungengefäßen (Ödeme), die unbehandelt schnell zum Tod führen können. Durch eine Akklimatisierung des Körpers kann das Risiko jedoch stark minimiert werden und nur so ist das Erreichen großer Höhen überhaupt möglich (Pynn 2013: 141).

3.2.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen im Hochgebirge

Um den extremen Bedingungen der Hochgebirge besser standhalten zu können, haben einige Pflanzen besondere Merkmale ausgebildet. So gibt es eine Vielfalt von Arten, die sich an kalte Temperaturen, Trockenstress durch gefrorene Böden oder anderen Faktoren angepasst haben (Billings 1974: 132ff). Bei Tieren kann ein verbesserter Sauerstofftransport in Blut und Geweben festgestellt werden (Monge & Leon-Velarde 1991: 1137), was auch beim Menschen durch eine Höhenanpassung erreicht wird. Die Streifengans (Anser indicus) ist beispielsweise dazu in der Lage im Jetstream mit einer Geschwindigkeit von über 150 km/h das Himalaya-Gebirge zu überqueren (Newton 2008).

In den letzten Jahren wird zunehmend das Volk der Sherpa untersucht, welches Anzeichen physiologischer Anpassungen an die Höhe zeigt (Bhandari & Cavalleri 2019: 2ff), die wahrscheinlich durch eine Genmutation zustande kommen (Gnecchi-Ruscone et al. 2018: 2927; Hanaoka et al. 2012: 2).

4 Abschließende Worte

Das Leben ist so vielschichtig wie die physisch-geographischen Gegebenheiten der Erde sowie die globalen Unterschiede, an die es auf verschiedene Weisen angepasst ist. Die Komplexität wird bereits durch die Vielfalt der unterschiedlichen Entstehungstheorien des Lebens deutlich. Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass das Geheimnis um die Entstehung des Lebens vermutlich niemals gelüftet werden wird (Krishnamurthy & Hud 2020: 4614). Die zwei beschriebenen Theorieansätze sind jedoch anerkannte Möglichkeiten, wie es passiert sein könnte. Auch wenn die Hypothesen schon lange existieren, werden sie auch heute noch fortwährend aktualisiert.

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Das globale Klimasystem

Graphical Abstract

Eigene Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema Klimasystem, angelehnt an Brönnimann (2018: 24) und weitere Quellen der folgenden Kapitel.


Gliederung

  1. Einleitung
  2. Klimazonen der Erde
  3. Ozeanische Zirkulation
  4. Atmosphärische Zirkulation
  5. Einfluss von natürlichen und anthropogenen Partikeln
  6. Forschungsprojekte
  7. Fazit

1. Einleitung

Das Klima der Erde wird als komplexes System bezeichnet, da es unterschiedliche Bereiche umfasst, welche miteinander in Wechselbeziehungen stehen (Brönnimann 2018: 22). Das Klimasystem wird in verschiedene Komponenten oder Teilsphären unterteilt, wie die Atmosphäre, die Hydrosphäre, die Kryosphäre, die Lithosphäre, die Biosphäre und die Anthroposphäre (Brönnimann 2018: 23). Die Atmosphäre ist die instabilste Komponente und kann sich am schnellsten verändern. Sie besteht aus Gasen wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Diese Gase haben nur eine eingeschränkte Möglichkeit, mit der einfallenden, solaren Strahlung zu interagieren und spielen bei der Abstrahlung der Erde keine Rolle. Dagegen können Gase wie Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon und Dickstoffmonoxid Strahlung absorbieren und emitieren, wodurch diese Treibhausgase eine wichtige Rolle im Energiebudget der Erde haben (Ahlonsou et al. 2001: 87). Zu der Hydrosphäre zählen Ozeane, Seen, Flüsse und das Grundwasser. Die Krysphäre beinhaltet Eisschilde, Gletscher und Meereis. Außerdem werden der Lithosphäre der Boden und die Geisteinsoberflächen zugeordnet. Die Anthroposphäre beschreibt den Teil, der durch den Menschen beeinflusst wird (Brönnimann 2018: 23). Das Klimasystem wird durch externe Faktoren beeinflusst. Der wichtigste Einflussfaktor ist die Sonne. Die Aktivitäten der Menschen werden auch als externe Faktoren bezeichnet, wenn sich diese direkt auf das Klimasystem auswirken (Ahlonsuo et al. 2001: 87). Zwischen den Teilsystemen und Elementen des globalen Klimasystems werden Eigenschaften ausgetauscht und gespeichert, wodurch das Klimasystem eine eigene Dynamik hat und nicht statisch ist. Die einzelnen Komponenten unterliegen physiochemischen Prozessen und sind durch diese untereinander verbunden. Wechselwirkungen umfassen Prozesse wie den Austausch und die Speicherung von Energie, in Form von Strahlung und Wärme, von Masse, in Form von Wasser, Gas oder Aerosolen und Impulsen wie bewegter Luft und Wasser (Brönnimann 2018: 24-26). Polare Regionen und die Krysphäre sind in beiden Hemisphären der Erde aktive Komponenten des globalen Klimasystems. Veränderungen in den Regionen nahe den Polen beeinflussen die Stärke und Wirksamkeit des thermischen Gradienten zwischen den Tropen und den Polen (Yuan et al. 2018: 5765). Das polare Klima wird stark von der Variabilität der tropischen Oberflächenwassertemperatur beeinflusst. Diese Variabilität wird vor Allem durch die El Nino Oszillation hervorgerufen, welche weitreichende Einflüsse auf das globale Klima hat. Tropische Variabilität auf einer intrasaisonalen Zeitskala, wie die Madden-Julian Oszillation, beeinflussen Regionen bis hin zur Arktis (Yuan et al. 5766). Rossby-Wellen aus den Tropen sind der Hauptmechanismus für die tropische und polare Fernverbindung (Yuan et al. 5783).     

2. Klimazonen der Erde

Die Klimazonen der Erde wurden erstmals von Wladimir Köppen um 1900 quantitativ klassifiziert und entwickelt. Die Ansätze, basierend auf Köppen, werden auch noch heutzutage benutzt (Belda et al. 2014: 1). Die Klassifikation basiert auf langjährigen Monatsmittelwerten von Temperatur und Niederschlag. Dadurch werden verschiedene Klimazonen anhand spezieller Indikatoren charakterisiert. Die Indikatoren sind an den Wachstumsbedingungen von Pflanzen ausgerichtet, wodurch sich die Klimazonen und Vegetationszonen stark ähneln (Brönnimann 2018: 217). Die erste klimatische Zone bildet das äquatoriale Klima (A). Dieses wird dadurch definiert, dass in dem kältesten Monat die Temperaturen über 18 Grad Celsius liegen müssen. Weiterhin gibt es das warm-gemäßigte Klima (C) mit Temperaturen zwischen -3 und 18 Grad Celsius. Das Schneeklima (D) herrscht in Regionen mit Temperaturen unter -3 Grad. Das polare Klima (E) beschreibt Regionen, in denen der wärmste Monat Temperaturen unter 10 Grad Celsius aufweist. Das aride Klima (B) wird aufgrund von vorherrschender Trockenheit definiert (Brönnimann 2018: 217).

Abb. 2: Klimazonen nach Köppen-Geiger (Kottek et al. 2006: 261)

Abbildung 2 zeigt die globale Verteilung der verschiedenen Klimazonen anhand der Klassifikationen nach Köppen-Geiger. Anhand der Abbildung lässt sich erkennen, dass die Hauptklimazonen anhand der Buchstaben (A) bis (E) unterschieden werden. Weiterhin lassen sich die Klimazonen durch den vorherrschenden Niederschlag weiter unterteilen. Durch diese Einteilung erhalten die Zonen einen zweiten Buchstaben von (W) für Wüste bis hin zu (m) für Monsun. Die dritte Unterteilung erfolgt über den Indikator der Temperatur, wodurch sich der dritte Buchstabe herleiten lässt (Kottek et al. 2006: 259). Die Klimazone der Tropen liegt zwischen den Wendekreisen mit ganzjährlichen hohen Temperaturen. Ein Großteil der Tropen liegt im Einflussbereich der innertropischen Konvergenzzone. Diese wandert im Jahresgang und führt dadurch zu ein- oder zweimaligen Regenzeiten. Charakteristisch dafür sind Niederschlagsereignisse am Nachmittag (Zenitalregen). Über den Tropen gibt es weitreichende Konvektion, wodurch sich große Niederschlagssysteme ausbilden können. Die Temperatur ist ganzjährig hoch mit einer geringen Jahresschwankung. Die Tagesschwankungen der Temperatur sind größer als die Jahresschwankungen. Weiterhin lässt sich die Klimazone in immerfeuchte Tropen, mit zwei Regenzeiten, und wechselfeuchten Tropen, mit einer ausgeprägten Regen- und Trockenzeit, einteilen (Brönnimann 2018: 218-220). An die Tropen schließen sich die rand- und subtropischen Klimazonen an. In diesen Zonen gibt es einen ausgeprägten Jahresgang der Temperaturen. Aride oder semiaride Subtropen werden durch die absteigende Luft in den Hochdruckgebieten der Subtropen beeinflusst. In diesen Regionen bilden sich große Wüstengebiete (Brönnimann 2018: 222). Außerdem gibt es die warmgemäßigten Klimazonen und die mediterranen Klimazonen. Diese sind durch Winterniederschläge charakterisiert. Diese Gebiete sind sommertrocken und haben im Bezug auf die Temperatur einen klaren Jahresgang. Im Winter werden die Regionen durch den Westwind beeinflusst, welcher einen Großteil des Niederschlags mit sich bringt (Brönnimann 2018: 223-224). An die warmgemäßigte Klimazone schließen sich die gemäßigten Breiten an. Dort mischen sich tropische und polare Luftmassen. Dadurch entstehen Wettersysteme, die zu starken Schwankungen von Tag zu Tag führen können. Die Niederschlagsverteilung hat im Sommer ihr Maximum, aufgrund der vorherrschenden Feuchte. In den gemäßigten Breiten gibt es einen starken Nord-Süd-Gradient und klimatische Unterschiede wegen der Kontinentalität und Maritimität (Brönnimann 2018: 225). Abschließend gibt es polare Klimazonen mit subpolaren und polaren Gebieten. Dort herrscht ein ausgeprägtes Jahreszeitenklima vor. Das Klima ist trocken und es ereignen sich kaum Niederschläge. Die Niederschläge ereignen sich in Form von Schnee und die Böden der Regionen stehen unter Permafrost (Brönnimann 2018: 227).

3. Ozeanische Zirkulation

Der Ozean spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem der Erde, besonders bei der Umverteilung von überschüssiger Wärme aus den äquatorialen Gebieten in die Richtung der polaren Regionen (Vernet et al. 2019: 633). Für die ozeanische Zirkulation gibt es zwei Antriebsfaktoren: Den Dichteunterschied im Ozeanwasser und den Wind an der Wasseroberfläche. Oberflächenströme sind primär vom Wind angetrieben. Hingegen ist die umwälzende Zirkulation der Ozeanbecken durch Dichteunterschiede bedingt. Die Dichte des Ozeanwassers wird durch die Temperatur und den Salzgehalt gebildet. Die Wasserdichte ändert sich durch Verdunstung, Niederschlag, Erwärmung, Abkühlung, Süßwasserzufluss, Eisbildung oder Eisschmelze (Brönnimann 2018: 191). An der Wasseroberfläche ist der Wind der wichtigste Antriebsfaktor. Durch den Wind entsteht eine Impulsübertragung an der Oberfläche, wodurch die Wassermassen in Richtung des Windes fließen (Brönnimann 2018: 194). Außerdem wird durch ein System von vertikal getrennten Meeresströmungen, bekannt als global umwälzende Zirkulation, der Transport von Wärme gewährleistet. Dieser Transport wird auch durch eine Reihe von großflächig windgetriebenen horizontalen Zirkulationen beeinflusst (Vernet et al. 2019: 633). Der südliche Ozean ist eine besonders wichtige Region für den Transport von Wärme, Nährstoffen und Kohlenstoff. Diese klimarelevanten Elemente werden zwischen dem Atlantik, dem Pazifik und dem Indischen Ozean ausgetauscht. Weiterhin ist der Südliche Ozean der Ort, an dem Tiefseewässer, welche seit hunderten bis tausenden Jahren von der Atmosphäre isoliert sind, an die Oberfläche fließen können. Somit sind bestimmte Regionen rund um den antarktischen Kontinent als Schlüsselstandorte für die Bildung und Modifikation von dichtem Ozeanwasser zu bezeichnen (Vernet et al. 2019: 633). Ein weiterer Aspekt ist der Einfluss der Corioliskraft. Durch diese entsteht eine Ablenkung der Wasserströmung gegenüber der Windrichtung (Brönnimann 2018: 195). In den Subtropen entsteht eine antizonale Verwirbelung, die ausgeglichen werden muss. Dieser Druckausgleich entsteht durch eine Reibung mit dem Rand des Ozeanbeckens auf der Westseite des Wirbels, wodurch sich starke Strömungen in Richtung des zunehmenden Coriolisparameters entwickeln. Diese Strömungen werden Western Boundary Currents genannt. Beispiele für diese Strömungen sind der Golfstrom und der Kuroshio (Brönnimann 2018: 197).  Außerdem spielen der Golfstrom im Nordatlantik und der Kuroshiro im Nordpazifik eine wichtige Rolle im Wärmetransport und in der Interaktion zwischen dem Ozean und der Atmosphäre. Die Strömungen transportieren erhebliche Mengen an Wasser, Wärme und Salz, wodurch weitreichende Auswirkungen auf das Wetter, Klima und Ökosysteme entstehen (Chen et al. 2019: 7437). Der Wärmetransport des Nordatlantikstroms führt dazu, dass in West- und Nordeuropa ein vergleichsweise mildes Klima herrscht mit höheren Temperaturen im Vergleich zu anderen Regionen mit gleicher geographischer Breite (Umwelt Bundesamt 2013).  

4. Atmosphärische Zirkulation

Im Klimasystem der Erde gibt es räumlich unterschiedliche Energiegehalte, die durch Umwandlungen und Transporte ausgeglichen werden. Die Umsetzung der Strahlungsenergie der Sonne erfolgt hauptsächlich am Erdboden, hingegen findet die Rückgabe von Energie an den Weltraum in allen Schichten der Atmosphäre statt. Aufgrund dieses Unterschiedes gibt es einen Ausgleich durch den Energietransport von der Erdoberfläche in die Troposphäre. Außerdem haben tropische Gebiete einen Energieüberschuss, wohingegen polare Regionen mehr Energie verlieren als eingestrahlt wird (Brönnimann 2018: 149). Über den Tropen befindet sich eine geschlossene Zirkulationszelle, die Hadleyzelle, welche Luft und Wärme polabwärts transportiert. Durch die Erdrotation werden die Luftmassen nach Osten abgelenkt, wodurch ein Westwind entsteht. Zwischen dem 40. und 60. Grad gibt es ein globales Westwindband. Die aufsteigende Luft aus den Tropen kann in diesen Bereich nicht eindringen und sinkt über den Subtropen ab, woraufhin die Luftmassen in Richtung des Äquators zurückströmen (Brönnimann 2018: 158-159). An die Hadleyzelle schließt sich polwärts die Ferrelzelle an. Diese umfasst den Teil der Luftmassen, die aus den Hochdruckgebieten in Richtung der subpolaren Tiefdruckgebiete zurückströmt. Dort steigen die Luftmassen wieder auf und strömen in der oberen Troposphäre zurück (Brönnimann 2018: 164). Die Ferrelzelle besteht aus zonalen, mittleren, vertikalen und meridionalen Winden in den mittleren Breiten. Der zonale Fluss der mittleren Breiten umfasst den Jetstream und die Ferrelzelle, welche sich aus dem Aufstieg der Luft in den hohen Breiten und dem Abstieg in den Subtropen zusammensetzt (Lachmy & Kaspi 2020: 1). Anschließend an die Ferrelzelle existieren die polaren Zellen circa vom 60. Grad bis hin zu den Polen (Qian et al. 2015: 1). Ein Teil der Luftmassen steigt in den Tiefdruckgebieten über den nördlichen Mittelbreiten auf und strömt in Richtung der Pole. Anschließend sinken die Luftmassen in den polaren Regionen ab und fließen als kalte Polarluft zurück in die Mittelbreiten (Brönnimann 2018: 165). Ein weiteres Merkmal der zonalen mittleren Atmosphäre ist der Jet in der oberen Troposphäre, welcher ein lokales Maximum des zonalen Windes darstellt. Der subtropische Jet ist in der oberen Troposphäre verbunden mit einer ausgeprägten vertikalen Scherung, die sich am Rand der Hadleyzelle befindet. Der subtropische Jet beeinflusst die klimatischen Verhältnisse beider Hemisphären im Winter (Lachmy & Harnik 2014: 1389). Außerdem sind die Westwinde prägende Faktoren für das Klima in den mittleren Breitengraden und somit für das variable Klima in Europa verantwortlich (Brönnimann 2018: 167).

Abb. 3: Globales Zirkulationssystem nach Brönnimann (2018: 158).

In Abbildung 3 sind die verschiedenen Zirkulationszellen vereinfacht dargestellt und bieten einen Überblick.

5. Einfluss von natürlichen und anthropogenen Partikeln

Zu den natürlichen Aerosolen zählen Partikel wie Mineralstaub, Salzkristalle, Pollen, Bakterien, Sporen oder vulkanische Sulfataerosole. Anthropogene Aerosole sind in erster Linie Partikel wie Russ, Sulfat- und Nitrataerosole (Brönnimann 2018: 58). Allgemein werden Aerosole als kolloidale Flüssigkeitssysteme oder feste Partikel, die in Gas suspendiert sind, definiert. Primäre Partikel werden direkt in die Atmosphäre abgegeben. Hingegen werden sekundäre Aerosole durch Kondensation in der Atmosphäre gebildet (Després et al. 2012: 3). Außerdem werden sowohl biologische als auch nichtbiologische Partikel in der Atmosphäre hauptsächlich mit Luftströmen transportiert. Weiterhin werden sie durch gravitative Sedimentation oder im Inneren von Eiskristallen und Wassertropfen nach unten transportiert. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Partikel, durch Sedimentation und Ablagerung auf dem Boden oder auf Pflanzen, aus der Luft entfernt werden. Diese Ablagerung kann auch durch Auswaschungen von Niederschlägen geschehen (Després et al. 2012: 29). Die Aerosolpartikel kommen besonders in der Troposphäre vor und haben wichtige Einflüsse auf das Klima und die Umgebung. Sie beeinflussen das Klima durch Streuung, Übertragung und Absorption von Strahlung. Außerdem fungieren diese als Kern zur Wolkenbildung (Buseck & Pösfai 1999: 3372). Anthropogen erzeugter Staub, wie in der Industrie oder Transportbranche, kann zu massiven Einträgen von Mineralien in die Atmosphäre führen (Buseck & Pösfai 1999: 3378). Unter anderem werden anthropogene Schadstoffe, einschließlich persistenter organischer Stoffe, primär über die Atmosphäre, Meeresströmungen und Flüsse transportiert (Huntington et al. 2020: 432). Ein weiterer Faktor sind große Vulkanausbrüche, welche ein episodisches Ereignis darstellen. Durch den Ausbruch werden Schwefelverbindungen in die Stratosphäre abgegeben. Sulphurhaltige Gasemissionen von Vulkanen, besonders Schwefeloxid, werden anschließend in sekundäre Sulfat-Aerosole umgewandelt. Diese Partikel haben aufgrund ihrer geringen Durchschnittsgröße eine lange Verweildauer in der Stratosphäre. Sie wirken sehr reflektierend und haben dadurch ein großes Potential, durch die Streuung von kurzen Wellenstrahlen, das Klimasystem der Erde abzukühlen (Kloss et al. 2020: 2).   

Abb. 4: Erklärvideo Aerosole. Eigene Darstellung, angelehnt an die Quellen aus Kapitel 5.

Abbildung 4 veranschaulicht die verschiedenen Typen von Aerosolen und die damit verbundenen Prozesse.

6. Forschungsprojekte

Das erste Forschungsprojekt, das in diesem Thema vorgestellt wird, ist das Photovoltaikprojekt „PV Extrem“ in extremen Klimazonen der Erde. Das Fraunhofer IMWS entwickelt zusammen mit Partnern Materialien für Photovoltaik unter extremen klimatischen Bedingungen. Dabei werden neuartige Kunststofffolien als Einkapselungsmaterial verwendet, die besonders hitze- und altersbeständig sind. Weiterhin geht es um die Entwicklung von Methoden bezüglich des Einsatzes von Solarmodulen in extremen Klimazonen (Fraunhofer CSP 2020). Das zweite Projekt ist das „CliC Ice Sheet Model Intercomparison Project“. Dabei geht es um die Modellierung der Evolution von Eisschollen auf Grönland und in der Antarktis. Es werden Rückkopplungen und Auswirkungen untersucht, die mit dynamischen Eisschollen verbunden sind. Weiterhin geht es darum, den Beitrag der Eisbedeckung zur Veränderung des Meeresspiegels zu erforschen (CliC 2020).

7. Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Klimasystem aus komplexen Beziehungen von unterschiedlichen Teilsphären besteht. Die unterschiedlichen Energiegehalte und Druckunterschiede werden durch die ozeanische und atmosphärische Zirkulation ausgeglichen. Durch die regionalen Unterschiede von Temperatur, Niederschlag und Sonneneinstrahlung gibt es unterschiedliche Klimazonen mit spezifischer Vegetation. Die verschiedenen globalen Zirkulationszellen lassen verschiedene Hoch- und Tiefdruckgebiete entstehen, welche zu den unterschiedlichen Windströmungen, wie beispielsweise dem Westwindgürtel in den mittleren Breiten, führen. Ein weiterer Schlüsselfaktor ist der Ozean, der Wärme aus den äquatorialen Gebieten in die polaren Zonen transportiert. Durch das Streben nach einem Druckausgleich, entstehen Strömungen wie der Golfstrom, die durch den Transport von Wärme und Wassermassen, das Klima maßgeblich beeinflussen. Außerdem beeinflussen natürliche und anthropogene Aerosole das Klimasystem, da diese die einfallende Strahlung der Sonne reflektieren, absorbieren oder übertragen können. Somit ist das Klimasystem als dynamisch zu bezeichnen, da die einzelnen Prozesse und Zusammenhänge miteinander verbunden sind und Auswirkungen aufeinander haben.

Literaturverzeichnis

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Unser Mond – der Erdtrabant

Gliederung

  1. Einleitung
  2. Charakteristika

2.1. Volumen  

2.2. Masse

2.3. Alter

  1. Entstehungstheorien

3.1. Geschwistertheorie

3.2. Einfangtheorie

3.3. Abspaltungstheorie

3.4. Kollisionstheorie

  1. Mond – spezifisch

4.1. Orbit

4.2. Mondphasen

4.3. Rotation

  1. Forschungsprojekt
  2. Fazit

Literatur

1. Einleitung

Seit Anbeginn der Zeit ist die Menschheit jeher von dem nächtlichen Himmelskörper fasziniert. Erstmals Galileo Galilei hat 1609 einen genaueren Blick auf den Mond geworfen und so bereits damals das Volksbild des Mondes verändert (Planet Wissen 2020). Durch ein Fernrohr stellte er fest, dass der Mond keine glatte Oberfläche hat, was der Volksglaube zu der Zeit war, sondern von Kratern übersäht ist und ein Relief zu erkennen ist. Er veränderte damit das wissenschaftliche Weltbild (Planet Wissen 2020). Bis der Mensch erstmals den Mond betrat vergingen ein paar Jahrhunderte. Zuerst gab es einige erfolgreiche bemannte Raumfahrtmissionen, um dem Mond Stück für Stück näher zu kommen. Am 20. Juli 1969 war es dann soweit, Neil Armstrong, Michael Collins und Edwin Aldrin gelang die erste erfolgreiche Mondlandung (Planet Wissen 2020). Sie sammelten 21 Kilogramm Mondgestein ein, welches die Forschung rund um den Mond auf ein neues Niveau brachte. Danach wurde sich zunehmend genauer mit dem Mond befasst und es wird versucht alles über den Mond mit den zugehörigen Hintergründen herauszufinden. Deswegen gilt es in dieser Abhandlung die Fragen: Warum sieht man nur eine Seite des Mondes? Gibt es Wasser auf der Oberfläche? und Welche Entstehungstheorien kursieren rund um dem Mond? zu klären und diese anschaulich darzustellen.

2. Charakteristika

Im folgenden Abschnitt werden die Charakteristika des Mondes bezüglich des Volumens, der Masse und des Alters dargestellt.

Einleitend besitzt der Mond einen Radius von circa 1.737,1 km (BR Wissen 2019). Die Circa-Angabe beruht darauf das die Formung des Mondes ähnlich zur Erde keine geometrisch korrekte Kugel ist, sondern eher elliptisch geformt ist. Diese Angabe dient dazu, um sich die anderen betrachteten charakteristischen Daten besser vorstellen zu können und es gegebenenfalls in den Kontext von anderen Planeten einzuordnen.

2.1 Volumen

Das Volumen des Mondes beträgt 2,2 x 1010 km³ (BR Wissen 2019), welches ein Volumen von 22 Milliarden km3 entspricht. Die Größe des Volumens erscheint verschwindend gering, wenn man dieses in Relation mit dem der Erde oder anderen Planeten setzt. Verglichen mit der Erde besitzt der Mond nur 2% des Erdvolumens und macht somit nur einen Bruchteil vom Erdvolumen aus.

2.2 Masse

Die Masse des Mondes beträgt rund 7,35 x 1022 kg (BR Wissen 2019), welches 73,5 Trillionen t entspricht. Dies ist lediglich 1,25% der Erdmasse und wirkt damit auch gering. Die Masse wird zudem von der Dichte beeinflusst. Diese ist beim Mond um ein Drittel geringer als bei der Erde, daher entsteht auch der geringe Anteil verglichen mit der Erde. 1m3 Mondgestein wiegt 3,3 t und dies entspricht Zement auf der Erde.

2.3 Alter

Das Alter des Mondes wird auf circa 4,5 Milliarden Jahre geschätzt (BR Wissen 2019). Dieses Alter wurde mithilfe von Gesteinsanalysen verschiedener geologischer Institute durchgeführt und damit wurden auch Theorien widerlegt die besagten, dass der Mond deutlich jünger sei. Mit dem Nachweis des Alters steht fest, das der Mond, geologisch gesehen, kurz nach der Erde entstanden ist. Wie und welche Theorien dahinter stecken werden im nächsten Kapitel behandelt.

3. Entstehungstheorien

Im folgenden Abschnitt werden die unterschiedlichen Theorien zur Entstehung des Mondes, die im Laufe der Erdgeschichte entstanden sind thematisiert. Lediglich werden jene Theorien behandelt, die auch einen wissenschaftlichen Hintergrund besitzen und nicht einzig und allein durch den Volksglauben entstanden.

3.1 Geschwistertheorie

Die Geschwistertheorie wurde 1944 von Carl Friedrich von Weizsäcker aufgestellt. Grundlage der Theorie bildet die Annahme, dass Erde und Mond einen gemeinsamen Ursprung haben und sich zeitgleich entwickelten (DLR e. V. o.J.). Allerdings weist die Theorie schon zu Beginn der Überlegungen Defizite auf. Zum einen kann widerlegt werden, dass beide Himmelskörper sowohl räumlich als auch zeitlich nah beieinander entstanden, da die Entwicklung beider unterschiedlich verlief. Der Unterschied in der Dichte und der Gehalt an leichtflüssigen Elementen ist zu groß als ,dass diese Theorie als plausibel gelten kann (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009).

3.2 Einfangtheorie

Die Einfangtheorie besagt, dass der Mond als Asteroid durch das All flog und mittels der Anziehungskraft der Erde „eingefangen“ wurde, daher stammt der Name der Theorie (DLR e. V. o.J). Anfang des 20. Jahrhunderts wurde diese Theorie zum Diskurs gestellt. Entstanden ist der Mond demnach aus einer solaren Ur-Wolke, die einen geringen Eisenanteil besessen haben soll. Durch die starke Anziehungskraft der Ur-Erde wurde der Asteroid zu einem Erdtrabanten. Eine plausible Erklärung für den hohen Drehimpuls des Erd-Mond-Systems liefert die Einfangtheorie, dennoch ist es problembehaftet, dass es zu keiner Kollision während des Prozesses des Einfangens kam. Laut wissenschaftlichen Berechnungen ist es ein unwahrscheinliches Ereignis, dass es keine Kollision gab und zudem wirkt sich die spezielle Flugbahn des Mondes negativ auf die Plausibilität der Theorie aus (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009).

3.3 Abspaltungstheorie

Die Abspaltungstheorie basiert auf der Annahme, dass aufgrund einer hohen Rotation der Ur-Erde sich der Mond als Art „Tropfen“ abgespalten hat (DLR e. V. o.J). Diese Theorie wurde durch den Sohn von Charles Darwin, Georg Darwin, im 19. Jahrhundert entwickelt. Die junge Ur-Erde rotierte demnach so schnell, dass sich am Äquator ein Tropfen des heißen Magmas ablöste durch die hohen Fliehkräfte. Dieser Tropfen wurde in die Umlaufbahn der Erde geschleudert und kühlte dort ab und es entstand der Mond. Plausibel wirken lässt die Theorie, dass die geringe Dichte des Mondes ähnlich ist wie die des Erdmantels (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009). Dann lässt sich, ebenfalls verglichen mit dem Erdmantelgestein, eine Gleichheit der Sauerstoffisotope feststellen. Außerdem ist mit dieser Theorie die Größe des Mondes gut begründbar. Kritik übt sich bereits an der hohen Rotation der Erde und der damit verbundenen Verlangsamung auf die heutige Geschwindigkeit. Wie die Erde so stark entschleunigt wurde ist fraglich. Außerdem würde der Mond, wenn er vom Äquator abgespalten worden wäre, sich demnach auch in der Äquatorebene um die Erde drehen (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009). Zudem wird mittels der Theorie nicht der hohe Unterschied im Gehalt von flüchtigen Elementen erläutert.

3.4 Kollisionstheorie

Die Kollisionstheorie ist die bis heute als am plausibelsten angesehene Theorie. Demnach war ein enormer Asteroid auf Kollisionskurs mit der sich gerade gebildeten Ur-Erde (DLR e. V. o.J). Der Zusammenstoß glich einem Streifschuss bei dem große Mengen an Material von der Erde aus dem Erdmantel sowie des Asteroiden in den Erdorbit befördert wurden (Hanslmeier 2015: S. 75). Hier bestätigt sich ebenfalls der Teil der Abspaltungstheorie, dass der Mond ein Teil des Erdmantels sein könnte. Der heutige Mond formte sich laut führenden Astrophysikern innerhalb einer kurzen astronomischen Zeitspanne aus den Trümmerteilen (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009). Mittels einer Simulation wurde das Szenario nachgestellt und die Größe des Asteroiden auf etwa die Größe des Mars festgelegt. Bei der Kollision wurde ein Teil der kinetischen Aufprallenergie in Wärme umgesetzt, sodass Erde und Asteroid kurzzeitig ähnlich hell wie die Sonne leuchteten. Teilweise verschmolzen Bestandteile des Impaktors und der Erde miteinander. Plausibel kann der Drehimpuls von Erde und Mond erklärt werden, da durch den Einschlag beides in Rotation gebracht wurde. Außerdem lässt sich die Größe des Mondes in Relation zur Erde erklären, da aus den entstandenen Trümmern sich der Mond bildete (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009). Des Weiteren wird der Orbit des Mondes durch diese Theorie nachgewiesen und erklärt, dass der Mond nicht in Äquatorebene die Erde umkreist. Kritik an dieser Theorie ist soweit nicht vorhanden, da sie in sämtlichen Bereichen logisch und schlüssig ist (Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. 2009). Aus diesen Gründen wird sie auch heutzutage als plausibelste Theorie zur Entstehungsgeschichte des Mondes angesehen.

4. Mond – spezifisch

Im folgenden Abschnitt wird genauer auf den Orbit des Mondes, die verschiedenen Mondphasen sowie die Eigenrotation eingegangen und die Frage geklärt, warum man nur eine Seite des Mondes sehen kann.

4.1 Orbit

Orbit oder auch Ekliptik wird die Umlaufbahn des Mondes um die Erde genannt. Es ist eine elliptische Bahn, die stark durch die Gravitationskräfte der Erde beeinflusst wird. Die Mondbahn verläuft um 18 Grad versetzt zur Äquatorebene und zudem ist diese um 5 Grad gegenüber der Bahn der Erde geneigt (De Boer, K.S. 2018) (Hanslmeier 2015: S. 52). Aufgrund des elliptischen Verlaufs ist der Mond mal nah und mal weiter von der Erde entfernt und erscheint dem Betrachter mal größer und mal kleiner. Dieses Phänomen wird bei Vollmond (s. Mondphasen) am stärksten verdeutlicht. Hierzu lässt sich eine Verbildlichung als didaktisches Mittel anbringen, zur verbesserten Vorstellung des Mondorbits.

4.2 Mondphasen

Video 1: Animation der Mondphasen.

Als Mondphasen wird die Änderung der Gestalt des Mondes am Nachthimmel bezeichnet (Planetarium Wolfsburg 2020). Wie auch die Erde, hat der Mond die Sonne als einzige Lichtquelle. Die Reflektion des Lichtes an der Mondoberfläche ist wahrzunehmen indem der Mond in unterschiedlichen Phasen erkennbar (Hanslmeier 2016: S.125f.). Die Mondphasen sind jeden Monat des Jahres verschieden, da der Mondmonat, die Dauer, die der Mond für eine Umrundung um die Erde braucht bei circa 29,53 Tagen liegt (Reichert 2020: S.28). Demnach wird kein Vollmond am beispielsweise 1.7 und 1.8 zu sehen sein.

Abb.2: Mondphasen. (eigene Darstellung nach Planetarium Wolfsburg 2020)

Die verschiedenen Mondphasen sind zum einen der zunehmende Mond, bei dem die beleuchtete Fläche von Nacht zu Nacht zunimmt (s. Abb. 2). Danach folgt der Vollmond, bei dem die beleuchtete Fläche maximal ist und eine komplette Hälfte des Mondes am Nachthimmel zu sehen ist (s. Abb. 2) (Planetarium Wolfsburg 2020). Danach folgt der abnehmende Mond, bei dem der umgekehrte Prozess verglichen mit dem abnehmenden Mond abläuft (s. Abb. 2). Darauf folgt der Neumond, die Phase, in der der Mond nicht zu erkennen ist, da die Rückseite angestrahlt wird, da er sich zwischen Erde und Sonne befindet (Planetarium Wolfsburg 2020). Der Neumond wird auch als Sonnenfinsternis, meist partiell, bezeichnet (Hanslmeier 2015: S. 52). Der Blick von der Erde aus richtet sich auf die selbe Seite, aber diese wird nicht durch die Sonne angestrahlt. Der Zeitdauer von einem Neumond bis zum nächsten wird Lunation genannt (Reichert 2020: S.29). Sonderfälle sind der Superneumond oder der bekanntere Supervollmond. Diese Phasen entstehen, wenn der Mond sich bei Neumond oder Vollmond an der erdnächsten Stelle in seiner Umlaufbahn befindet. Der Supervollmond erscheint als „vergrößerter“ Vollmond (Planetarium Wolfsburg 2020). Das Gegenteil dieser Phasen wird Minineumond oder Minivollmond genannt. Hier ist der Mond an seiner erdfernsten Stelle in seiner Umlaufbahn während der Neumond- oder Vollmondphase. An dieser Stelle lässt sich ein didaktisches Mittel der visuellen Darstellung einbinden, um die Mondphasen noch zu veranschaulichen und eine genaue Vorstellung zu geben. Durch scannen des QR-Codes wird eine animierte Darstellung der Mondphasen sichtbar. 

(eigene Darstellung. Idee von: Reichert 2020: S.30)

4.3 Rotation

Video 2: Die gebundene Rotation.

Das Mysterium der „dunklen Seite des Mondes“ beschäftigt die Menschheit bis heute, obwohl die Frage durch Astronomen durchaus schon geklärt wurde und eine Erklärung naheliegend ist. Als der Mond entstand rotierte er um seine eigene Achse und dies schneller als es die Ur-Erde tat (Welt der Physik 2015) . Aufgrund von Gravitationskräften an den verschiedenen Punkten des unförmigen Mondes und der schnellen Eigenrotation kam es zur Entstehung von zwei „Beulen“, da der Mond zu Beginn aus flüssigem Gestein bestand. Dann erstarrte das Magma, bevor sich diese Beulen zurückbilden konnten.

Abb. 3: gebundene Rotation (Welt der Physik 2015)

Die Gravitationskraft der Erde zog, ähnlich zur Hebelwirkung, an diesen Beulen und bremste damit seine Rotation ab. Dieser Prozess ging so lange bis das heutige Ergebnis eintrat (Welt der Physik 2015). Der Mond dreht sich genauso schnell um sich selbst wie um die Erde (Hanslmeier 2015: S.60). Diese Form der Rotation wird gebundene Rotation genannt und führt dazu, dass nur eine Seite des Mondes von der Erde aus sichtbar ist (Welt der Physik 2015). Der Prozess der Kräfte kann mittels von Pfeilen verdeutlicht werden (s. Abb. 3).

5. Forschungsprojekt

Als Beispiel für ein aktuelles Forschungsprojekt ist das „Artemis program“ der NASA. Hintergrund für diese Mission ist die lange Zeit von 50 Jahren, die es her ist, dass ein Mensch den Mond betreten hat (NASA 2020: S.9f.). In den Folgejahren wurde mittels technischer Ausrüstung die Mondforschung weiter betrieben. Konkret soll hierbei die erste Frau sowie ein weiterer Mann zum Mond geschickt werden. Durch die amerikanische Regierung wurde festgesetzt, dass dies in den nächsten fünf Jahren geschehen soll. Somit ist der Plan der NASA dieses Vorhaben frühstens 2024 umzusetzen unter hinnehmbaren technischen Risiken. Es wird eher mit einem späteren Start in den späten 2020ern gerechnet. Diese Mission soll auch vorbereitend für eine bemannte Marslandung, die anschließend ablaufen soll. Diesbezüglich wird auch ein Lager auf dem Mond aufgeschlagen werden, wo die Astronauten dann einige Zeit leben werden. Das Forschungsprojekt soll der Wissenschaft einige weitere Erkenntnisse bringen, die dann eventuell auf andere Bestandteile des Sonnensystems übertragen werden (NASA 2020: S.33). Ziele, die für die Wissenschaft erreicht werden sollen, sind das Verstehen von planetaren Prozessen und damit verbundene Zyklen. Die Interpretation der Einschlagsgeschichte durch Meteoriten des Erde-Mond-Systems. Das Universum von einem einzigartigen Platz aus zu beobachten. Außerdem soll von der Mondoberfläche die historische Sonne erforscht werden. Dann sollen zahlreiche experimentelle Versuche in der lunaren Umgebung stattfinden (NASA 2020: S. 33). Mittels dieser gesetzten Ziele soll nicht nur der Mond weiter erforscht werden, sondern auch die Forschung rund um das Sonnensystem insbesondere für bevorstehende Marsmissionen vorangetrieben werden.

6. Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Thema des Erdtrabanten, unseres Mondes, durchaus sein „Forschungshoch“ hatte und vor allem im 20. Jahrhundert mit großem Interesse an dem Mond geforscht wurde, sodass sich Alter, Masse, Volumen und andere Charakteristika feststellen ließen. Zudem wurden von vielen Astrowissenschaftlern diverse Theorien zur Entstehungsgeschichte aufgestellt, die die unterschiedlichsten Ansätze aufwiesen. Von einem gemeinsamen Ursprung, eine Art ähnlicher Himmelskörper, über einen durch die Gravitation der Erde eingefangenen Asteroiden oder das der Mond ein „Tropfen“ der Erde sei bis hin zur heutig plausibelsten Theorie, die Kollisionstheorie. Der Mond weist einen individuellen Orbit um die Erde auf, der zu unterschiedlichen Mondphasen, von Neumond bis Vollmond führt. Außerdem wurden Fragen rund um die Rotation und die „dunkle Seite des Mondes“ geklärt.

Literatur

Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema “Unser Mond – der Erdtrabant“. (Quellen: s.u. mit Hilfe der Kurzverweise. Zusätzlich: Charakteristika (o.A. o.J. https://www.pngegg.com/es/png-pcfka).

Abb. 2: Mondphasen. (eigene Darstellung nach Planetarium Wolfsburg (2020): Mondphasen. Im aktuellen Quartal.

https://planetarium-wolfsburg.de/de/astronomie-entdecken/mondphasen/)

Abb.3: gebundene Rotation (Welt der Physik (2015): Warum wir immer nur eine Seite des Mondes sehen.

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/gebundene-rotation-des-mondes/)

Aldenhoff, K. (2020): Der Mond: Wie beeinflusst er die Erde und was passiert, wenn er verschwindet? https://www.galileo.tv/weltall/brauchen-wir-den-mond-zum-ueberleben/ [letzter Zugriff: 09.03.2021].

Astronomiefreunde 2000 Waghäusel e.V. (2009): Wie entstand unser Mond?

http://www.afw2000.de/Elemente/2009_12.pdf [letzter Zugriff: 05.01.2021].

BR Wissen (2019): Der Mond. Die wichtigsten Daten des Mondes. https://www.br.de/mond/dossier-mond-zahlen-fakten-100.html [letzter Zugriff: 05.01.2021].

De Boer, K.S. (2018): Bewegungen von Erde und Mond: Zeit, Kalender, Mondphasen, Finsternisse, Gezeiten. Sternwarte Univ. Bonn.

https://astro.uni-bonn.de/~deboer/eida/erdemond.html#mondbahn [letzter Zugriff: 06.01.2021].

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (o.J.): Der Mond bei null Grad Pha­sen­win­kel

https://www.dlr.de/content/de/bilder/2019/4/mond-bei-0-grad-phasenwinkel.html [letzter Zugriff: 06.01.2021].

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (o.J.): Wie entstand der Mond?

https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6573/10789_read-24353/ [letzter Zugriff: 05.01.2021].

Freistetter, F. (2012): Warum der Mond manchmal auf dem Rücken liegt.

https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/02/15/warum-der-mond-manchmal-auf-dem-rucken-liegt/ [letzter Zugriff: 06.01.2021].

Hanslmeier, A. (2015): Der Mond – Begleiter der Erde. In: Hanslmeier, A. (2015): Den Nachthimmel erleben. Springer Spektrum. Berlin, Heidelberg. S.51-81.

Hanslmeier, A. (2016): Die Mechanik des Himmels. In: Hanslmeier, A. (2016): Faszination Astronomie. 2 Aufl. Springer Spektrum. Berlin, Heidelberg. S. 125-139.

NASA (Hrsg.) (2020): Artemis Plan. NASA´s Lunar Exploration Program Overview.

Planet Wissen (2020): Die Geschichte der bemannten Raumfahrt.

https://www.planet-wissen.de/technik/weltraumforschung/bemannte_raumfahrt/index.html [letzter Zugriff: 06.01.2021].

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QR-Code: eigene Entwicklung. Hinleitung zu: https://de.m.wikipedia.org/wiki/Monddurchmesser#/media/Datei%3ALunar_libration_with_phase_Oct_2007.gif

Reichert, U. (2020): Das Supermond-Phänomen. Wie ein Begriff den Blick auf das Faszinierende verstellt. In: Urban, K. (Hrsg.) (2020): Der Mond. Von lunaren Dörfern, Schrammen und Lichtblitzen. Springer Verlag. Berlin. S.25-30.

Video 1: Animation der Mondphasen. https://www.youtube.com/watch?v=a_AoWNacyXE

Video 2: Die gebundene Rotation. https://www.youtube.com/watch?v=SlYRoFoQCfs

Welt der Physik (2015): Warum wir immer nur eine Seite des Mondes sehen.

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/gebundene-rotation-des-mondes/ [letzter Zugriff: 05.01.2021].

Aufbau des Erdinneren – Vergangene und aktuelle Forschung zum Schalenbau des Erdkörpers

Abb.1: Graphical Abstract zum Thema „Aufbau des Erdinneren – Vergangene und aktuelle Forschung zum Schalenbau des Erdkörpers“ (vulkane.net, Bearbeitet)

Gliederung

1 Einführung – Historische Erforschung des Erdinneren

2 Innerer Aufbau der Erde – Schalensystem

2.1 Kruste

2.2 Mantel

2.3 Kern

3 Aktuelle Relevanz des Themengebietes

3.1 Aktuelles Forschungsprojekt: Experiment „GeoFlow“ auf der ISS

3.2 Aktuelles Forschungsprojekt: Untersuchung des Erdmantels im Bereich der Antarktis

4 Fazit

Literaturverzeichnis

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]


Grotzinger, J.; Jordan, T. (2017): Press/Siever Allgemeine Geologie. 7. Aufl., Berlin, Heidelberg.


Harms, U. (2014): Bohrungen ein Instrument der Wissenschaft. https://gfzpublic.gfz-potsdam.de/rest/items/item_423892_4/component/file_450923/content [10.01.2021]


Jarchow, C.; Thompson, G. (1989): The Nature of the Mohorovicic Discontinuity. In: Annual Review of Earth and Planetary Sciences 17 (1): 475–506.


Lloyd, A.; Wiens, D.; Zhu, H.; Tromp, J.; Nyblade, A.; Aster, R.; Hansen, S.; Dalziel, I.; Wilson, T.; Ivins, E.; O’Donnell, J. (2020): Seismic Structure of the Antarctic Upper Mantle Imaged with Adjoint Tomography. In: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 125 (3): 144.


Schröder, W. (1982): Emil Wiechert und seine Bedeutung für die Entwicklung der Geophysik zur exakten Wissenschaft. In: Archive for History of Exact Sciences 27. (369-389)


Torchio, R.; Boccato, S.; Miozzi, F.; Rosa, A.; Ishimatsu, N.; Kantor, I.; Sévelin‐Radiguet, N.; Briggs, R.; Meneghini, C.; Irifune, T.; Morard, G. (2020): Melting Curve and Phase Relations of Fe‐Ni Alloys: Implications for the Earth’s Core Composition. In: Geophysical Research Letters 47 (14): 1.


Untiedt, J. (1973): Das Magnetfeld der Erde. In: Physik in unserer Zeit 4 (5): 145–155.

Zaussinger, F.; Haun, P.; Szabo, P.; Travnikov, V.; Al Kawwas, M.; Egbers, C. (2020): Rotating spherical gap convection in the GeoFlow International Space Station (ISS) experiment. In: Physical Review Fluids 5 (6).

Abb.1: http://www.vulkane.net/lernwelten/schueler/images/erde.jpg [17.03.2021]

Abb.2: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/Seismograph_recording.jpg [17.03.2021]

Abb.3: https://airbus-h.assetsadobe2.com/is/image/content/dam/products-and-solutions/space/space-equipment/14517060493_ae7d0ef657_o_final.jpg?wid=1280&fit=fit,1&qlt=85,0&fmt=png-alpha [17.03.2021]

Abb.4: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/reader/content/17679defbde/10.1029/2019JB017823/format/pdf/OEBPS/pages/bg4.png [17.03.2021]

Die Sonne, unser Stern

Da zu diesem Thema keine Ausarbeitung zur Verfügung steht, die Inhalte aber für das Verständnis der Themen-übergreifenden Inhalte sinnvoll sind, sei an dieser  Stelle auf Inhalte anderer Medienbeiträge hingewiesen.

https://solarsystem.nasa.gov/solar-system/sun/overview/

https://solarsystem.nasa.gov/solar-system/sun/in-depth/

https://spaceplace.nasa.gov/menu/sun/

https://www.mpg.de/4687717/Sonnenflecken_Ursache

https://www.ardmediathek.de/alpha/video/alpha-centauri/was-sind-sonnenflecken-und-sonnenstuerme/ard-alpha/Y3JpZDovL2JyLmRlL3ZpZGVvL2M4YTE3ZTcwLWRmOTItNDEwOS1hMjU2LWM5NmFiNDYxZjgzMA/

https://www.geo.de/geolino/forschung-und-technik/14570-thma-sonnensystem