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.
Vulkanische Erscheinungsformen wirken furchterregend und faszinierend zugleich (Keppler & Audétat 2008: 132). Bereits in der Antike versuchten Philosophen ihre Entstehung durch Mythen zu erklären und definierten sie als Ausdrücke einer abscheulichen, heißen Unterwelt (Grotzinger & Jordan 2017: 304). Heutzutage können Wissenschaftler mithilfe von wissenschaftlichen Fakten beweisen, dass die Entstehung dieser Feuerberge durch endogene Kräfte erfolgt und das Ergebnis der Wärmeproduktion im Erdinneren ist (Wörner 2011: 26).
Um die Geomorphometrie und die Entwicklung vulkanischer Reliefformen zu verstehen, ist es von großer Bedeutung die Prozesse von vulkanischen Aktivitäten und die Bedingungen an der Erdoberfläche zu kennen (Dikau et al. 2019: 146). Daher befasst sich die vorliegende Arbeit mit geologischen Prozessen und Erscheinungsformen, welche die Bildung von diversen Vulkantypen begünstigen. Dabei stehen besonders die plattentektonischen Prozesse im Fokus. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen den Plattenbewegungen und der geologischen Entwicklung des Vulkanismus zu schildern. Dieses Ziel wird durch die Erläuterung der Ursache-Wirkungskette erreicht.
Der Aufbau der Arbeit ergibt sich wie folgt: Zunächst werden unterschiedliche Typen des Vulkanismus und ihre Entstehungsprozesse erläutert. Daraufhin erfolgt eine Veranschaulichung der globalen Verteilung von Vulkanen und es werden zwei besonders wichtige vulkanische Reliefformen vorgestellt. Außerdem werden die Ursachen von Vulkaneruptionen erklärt, um anschließend die klimatischen Folgen zu beschreiben. In einem Fazit werden die wichtigsten Erkenntnisse schließlich zusammengetragen.
2. Typen des Vulkanismus und ihre Entstehung
Vulkane stellen natürliche Erscheinungsformen der tektonischen Entwicklung der Erdkruste dar und sind Reliefformen, welche durch endogene Prozesse erzeugt werden (Dikau et al. 2019: 146). Sie entstehen durch Magma, welches im Erdinneren mobilisiert wird und anschließend durch Spalten an die Erdoberfläche austritt (Dikau et al. 2019: 146). Im Folgenden werden unterschiedliche Typen des Vulkanismus und ihre Entstehungsprozesse vorgestellt.
2.1 Vulkanismus an Subduktionszonen
Die Subduktionszonenvulkane gehören zu den bedeutendsten Vulkangebieten der Erde und befinden sich hauptsächlich im pazifischen Ozean, welcher viele vulkanische Inselbögen und aktive Kontinentalränder aufweist (Dikau et al. 2019: 146). Sie entstehen durch das Konvergieren von Lithosphärenplatten und die Plattengrenzen dieser Subduktionszonen werden durch sogenannte Tiefseegräben markiert (Redfern 2014: 60). Bei dem Vorgang einer Subduktion taucht eine schwere ozeanische Platte durch ihre große Dichte in einem schrägen Winkel von ungefähr 30 Grad unter die leichte kontinentale Lithosphäre ab (Abb. 2; Redfern 2014: 60). Dabei enthält die absinkende ozeanische Lithosphärenplatte große Mengen an wasserhaltigen Mineralen, welche sich in zunehmender Tiefe durch die Temperaturzunahme instabil verhalten und ihr Wasser bedingt durch eine Mineralumwandlung abgeben (Wörner 2011: 27). Diese fluide Komponente steigt bis zum Mantelkeil auf, welcher sich zwischen der subduzierten und der darüberliegenden Platte befindet und beeinflusst dort die chemischen Reaktionen (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Als Konsequenz wird der Schmelzpunkt des Mantelgesteins reduziert und ein Schmelzvorgang beginnt, wodurch die Bildung von andesitischem Magma resultiert, welches besonders zähflüssig ist und Temperaturen zwischen 900°C und 1000°C erreicht (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Nachdem sich eine ausreichende Menge an Magma gebildet hat, steigt es nach oben und dringt bis zu der Erdkruste auf (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Es durchbrennt die kontinentale Lithosphäre und bricht über der Subduktionszone in zahlreichen Vulkanen aus (Redfern 2014: 61). Somit erfolgt die Entstehung von aktiven Kontinentalrändern und die Bildung von Kettengebirgen, welche mit Vulkanen durchsetzt sind (Schmicke 2013: 102). Die Vulkanketten entstehen parallel zur Tiefseerinne in einer Distanz von etwa 200 km (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Auf der gleichen Weise erfolgt ebenfalls die Formation von vulkanischen Inselbögen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hierbei eine ältere ozeanische Lithosphäre unter einer jüngeren ozeanischen Platte absinkt (Redfern 2014: 61). Des Weiteren herrscht durch die starke Kopplung der Platten miteinander, eine Kompression über den Subduktionszonen, die als Konsequenz etwa 80 Prozent aller großen Erdbeben verursacht (Schmincke 2013: 103).
Der Subduktionsprozess ist das Ergebnis der ozeanischen Krustenneubildung an divergenten Plattengrenzen (Redfern 2014: 60). Da die Erde ihr Volumen nicht vergrößern kann, entfernt sich die alte ozeanische Lithosphäre im Laufe der Zeit von der Ausbruchsöffnung und wird an diversen Subduktionszonen „entsorgt“, so dass der Zyklus der Mantelkonvektion fortgesetzt wird (Redfern 2014: 60). Die Subduktion erfolgt auf der Schnelligkeit, die für die Bildung neuer ozeanischer Kruste beansprucht wird und dies entspricht zwei bis zehn cm pro Jahr (Redfern 2014: 60).
2.2 Vulkanismus an Spreizungszentren
Spreizungszentren entstehen an Schwächezonen der Lithosphäre, die durch Dehnungsprozesse aufreißen und sich in zwei oder mehrere Teile trennen (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 221). Sie bewegen sich auseinander und erzeugen Grabenbruchsysteme wie den ostafrikanischen Rift Valley oder den mittelozeanischen Rücken (Abb. 3; Schwanke et al. 2009: 33). An den divergenten Plattengrenzen werden 60 Prozent des gesamten jährlichen Lavaausstoßes produziert und deshalb gehören sie zu den produktivsten Vulkanismusstandorten der Erde (Lutgens & Tarbuck 2006: 105). Das Magma bildet sich durch die Druckentlastung, die durch den Aufstieg des Mantelgesteins unter den Dehnungszentren verursacht wird (Wörner 2013: 27). Für die Erzeugung von Magma ist also keine zusätzliche Temperaturerhöhung notwendig (Lutgens & Tarbuck 2006: 108). Das basaltische Magma fließt aus den Zerrspalten aus und bildet neue Lithosphäre (Bauer 2005: 16).
Wenige dieser divergenten Plattengrenzen liegen auf der kontinentalen Lithosphäre, doch ein klassisches Beispiel hierfür ist der ostafrikanische Graben (Lutgens & Tarbuck 2006: 109). Dort wird die Platte durch die entgegengesetzten Bewegungsrichtungen in zwei Teile getrennt und daher ist der Scheitelpunkt der Dehnungszone mit diversen Rissen durchzogen, aus denen Lava ausdringt (Ring 2014: 132). Deshalb existieren dort zahlreiche Vulkane wie zum Beispiel der Kilimanjaro (Lutgens & Tarbuck 2006: 109). Zumeist befinden sich die Spreizungszentren jedoch auf ozeanischen Lithosphärenplatten und ein Beispiel hierfür ist der mittelozeanische Rücken (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 223). Die Lavaströme führen zur Bildung neuer Lithosphäre auf dem Ozeanboden und kühlen unter Wasser advektiv durch die Hydrothermalkreisläufe und konduktiv durch die Wärmeabgabe an die Erdoberfläche ab (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 223). Teilweise bilden sich unter Wasser ebenfalls Kissenlaven, die viele kleine Seamounts erzeugen (Lutgens & Tarbuck 2006: 108).
Durch den hohen Druck und den niedrigen Temperaturen im ozeanischen Untergrund, übt das Wasser einen großen Widerstand aus, so dass bei einer Eruption eine explosive Ausdehnung von Gasen verhindert wird (Jorzik et al. 2020: 98). Der hydrostatische Druck lässt die Volatile (gelöste flüchtige Bestandteile im Magma) nicht austreten und verhindert die Blasenbildung, da der Kontakt des heißen Magmas mit dem Meerwasser die Dampfbildung hemmt (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 326).
2.3 Intraplattenvulkanismus: Die Manteldiapir-Hypothese
Ein Großteil aktiver Vulkane bilden sich an divergierenden und konvergierenden Plattengrenzen. Nichtsdestotrotz existieren ebenfalls im Inneren der ozeanischen und kontinentalen Lithosphärenplatten bedeutsame Vulkane (Jorzik et al. 2020: 113). Die Formation dieser Vulkane kann durch die Hypothese der Manteldiapire erklärt werden (Abb. 4; Grotzinger & Jordan 2017: 324). Manteldiapire haben eine schmale schlauchförmige Form und fördern das Aufsteigen des heißen Magmas aus der Mantel-Kern Grenze bis in die Erdkruste (Bauer 2005: 17). Laut der Hypothese handelt es sich zunächst um aufsteigende Peridotite, die Mantelgesteine darstellen und bei geringen Manteltiefen durch die Dekompression schmelzen und basaltische Magma bilden (Jorzik et al. 2020: 114). Sobald diese Manteldiapire das ozeanische Plateau erreichen, entstehen unmittelbar unter der Lithosphärenplatte vereinzelte Flecken, die als Hotspots bezeichnet werden (Bauer 2005: 17). Diese Hotspots werden durch die Manteldiapire fixiert. Sie sind stationär und im Erdmantel verankert (Grotzinger & Jordan 2017: 324). Die Hotspots brennen sich durch die Lithosphäre und fließen schließlich aus, so dass auf lokalen Stellen der Erdoberfläche aktive vulkanische Erscheinungsformen entstehen (Grotzinger & Jordan 2017: 324).
Abb. 4: Entwicklung eines Manteldiapirs (Jorzik et al. 2020: 114)
Im Laufe der Zeit bilden sich durch den Intraplattenvulkanismus Vulkanketten, die eine Länge von mehreren Kilometern haben (Jorzik et al. 2020: 113). Besonders bekannt sind die altersprogressiven Intraplattenvulkane, welche durch die Bewegung der ozeanischen Lithosphäre über einen Hotspot entstehen (Jorzik et al. 2020: 114). Hierbei ist die Ursache für die Plattenbewegung das Wärmeungleichgewicht zwischen dem Erdkern und der Erdkruste, die Konvektionsströme auslösen (o.V. 2017: 24). Bedingt durch die kontinuierliche Plattenbewegung, verlieren die älteren Vulkane den Kontakt mit der Ausbruchsöffnung und es bilden sich neue Intraplattenvulkane an unterschiedlichen Stellen der Lithosphäre (Bauer 2005: 17).
Die Inseln von Hawaii, welche sich im Inneren der pazifischen Platte befinden, stellen ein klassisches Beispiel des altersprogressiven Intraplattenvulkanismus dar (Jorzik et al. 2020: 113). Am südöstlichen Ende der hawaiianischen Inselkette sind aktive Vulkane zu beobachten, wobei im nordwestlichen Teil der Insel ältere erloschene Vulkane und aseismische Rücken liegen (Grotzinger & Jordan 2017: 324). Durch die Bewegung der Lithosphärenplatten, wandern die zunehmend älteren Vulkane von den Hotspots hinweg und es bilden sich neue vulkanische Erscheinungen (Grotzinger & Jordan 2017: 324). Durch den anhaltenden Vulkanismus wird die Bildung von Vulkanketten fortgeführt (Bauer 2005: 17).
3. Globale Verteilung von Vulkanen
Weltweit existieren über 500 aktive Vulkane und jährlich brechen ungefähr 50 dieser Feuerberge aus (Dikau et al. 2019: 146). Allerdings sind diese Vulkane nicht auf beliebigen Standorten der Erde verteilt, denn ihr Auftreten ist an geologische Schwachstellen gebunden (Schwanke et al. 2009: 32). Bis in die 1960er Jahre gelang es den Geologen nicht die globale Verteilung der Vulkane zu erklären, doch heutzutage kann ihre Verteilung durch die Theorie der Plattentektonik erläutert werden (Lutgens & Tarbuck 2006: 104). Die globale Verteilung von Vulkanen weist ein bestimmtes Verbreitungsmuster auf, welches größtenteils den tektonischen Plattengrenzen der Erde folgt (Dikau et al. 2019: 146).
Ungefähr 80 Prozent aller Vulkane liegen an Subduktionszonen, an denen Lithosphärenplatten konvergieren (Schwanke et al. 2009: 32). Aufgrund der aktiven Kontinentalränder befinden sich dort die aktivsten Vulkane der Welt, die ungefähr 85 Prozent aller historischen Eruptionen repräsentieren (Schmincke 2013: 101). Besonders viele aktive Vulkane sind rund um den pazifischen Feuerring zu finden, welcher einen kreisförmigen Vulkangürtel darstellt, der nahezu den gesamten pazifischen Ozean umrahmt (Schwanke et al. 2009: 32). Ungefähr 65 Prozent aller subaerischen Vulkane liegen auf diesem Feuerring (Schmincke 2013: 101). Dazu gehören beispielsweise die Vulkane der Westküste Amerikas, die südamerikanischen Anden und die Vulkanketten Japans (Dikau 2019: 146).
Dahingegen befinden sich ungefähr 15 Prozent aller Vulkane an divergenten Plattenrändern (Schwanke et al. 2009: 33). Diese Plattengrenzen sind ebenfalls als ozeanische Axialzonen bekannt, die eine hohe Magmaproduktion aufweisen (Schmincke 2013: 18). An diesen Zonen existiert eine Großzahl submariner Vulkane, aus denen Magma herausdringt und an der Erdoberfläche erstarrt (Dikau et al. 2019: 146). Ein klassisches Beispiel ist der mittelozeanische Rücken, der durch den stetigen Magmaausfluss zur Erneuerung der Erdkruste beiträgt (Schmicke 2013: 102).
Nahezu fünf Prozent aller Vulkane liegen als Intraplattenvulkane vor und befinden sich auf dem ozeanischen oder kontinentalen Platteninneren (Schmicke 2013: 18). Die bekanntesten ozeanischen Intraplattenvulkane liegen auf Hawaii, den Kanaren und Samoa (Schmincke 2013: 63). Zu den typischen kontinentalen Intraplattenvulkanfeldern zählen die Eifelvulkangebiete in Mitteleuropa (Schmicke 2013: 90).
4. Vulkanische Reliefformen
Vulkanische Reliefformen entstehen durch effusive und explosive vulkanische Aktivitäten (Dikau 2019: 151). Für die Formbildung einzelner Vulkane sind der Magma- und Eruptionstyp verantwortlich (Dikau et al. 2019: 151). Allerdings können sich Vulkane allometrisch verhalten und durch die fortlaufende Magmaförderung ihre Reliefformen vergrößern und ihre Geomorphologie ändern (Dikau et al. 2019: 152). Im Folgenden werden zwei besonders wichtige vulkanische Reliefformen vorgestellt.
4.1 Schildvulkan
Schildvulkane gleichen einem großen, ausgedehnten Vulkankegel mit flachen Hängen und einer Höhe von über 2000 Metern (Grotzinger & Jordan 2017: 742). Sie sind besonders typisch für Hotspots und verfügen über eine enorme Lavaproduktionsrate (Jorzik et al. 2020: 12). Ihr Aufbau erfolgt aus niedrig-viskosen basaltischen Lavaströmen, die eine geringe Mächtigkeit haben und aus Kratern oder länglichen Riftzonen eruptieren (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 311). Die initialen Formen eines Schildvulkans werden als exogene Dome bezeichnet, die sich durch die fortlaufende Magmaförderung im Laufe der Zeit erhöhen und aufbauen (Dikau et al. 2019: 154). Besonders viele Schildvulkane existieren mitten im pazifischen und atlantischen Ozean und verbergen dabei nahezu 90 Prozent ihrer Vulkangesteine unter dem Meeresspiegel (Dikau et al. 2019: 154). Teilweise ragen Schildvulkane gar nicht aus dem Wasser heraus und daher werden solche vulkanischen Formen als Seamounts bezeichnet (Dikau et al. 2019: 154). Im Vergleich zu anderen vulkanischen Reliefformen haben Schildvulkane die größte Ausdehnung und dies wird an dem hawaiianischen Vulkan Mauna Loa besonders gut ersichtlich, da er mit einer Höhe von etwa 10.000 m und 86.000 km³ Lava der volumenreichste aktive Schildvulkan der Erde ist (Dikau et al. 2019: 154). Dieser Vulkan erhebt es sich bis zu einer Seehöhe von 4170 m und liegt knapp 5500 m unter dem Meeresspiegel (Pales & Prince 1963: 64).
4.2 Stratovulkan
Stratovulkane haben eine kegelförmige Form und verfügen über steile Hänge (Jorzik et al. 2020: 12). Die Form von Stratovulkanen erscheint häufig symmetrisch, doch ihre Hänge haben eine leichte Konkavität, da sie nach innen geneigt sind (Dikau et al. 2019: 156). Stratovulkane existieren hauptsächlich an Subduktionszonen und haben im Vergleich zu anderen Vulkantypen eine hohe Mächtigkeit (Wood 1978: 437). Während ihrer Entstehung treten intrusive und extrusive Prozesse in gemischter Form auf und es sind Laven und Tephren, also vulkanische Lockerstoffe, beteiligt (Dikau et al. 2019: 156). Durch die fortlaufenden Magmaeruptionen bilden sich im Laufe ihrer Entwicklung hangparallele Gesteinsschichten (Abb. 5; Dikau et al. 2019: 156). Die eruptierten Lavaströme fließen über bereits abgelagerte Lavaschichten und stabilisieren somit den Kegelbereich (Dikau et al. 2019: 157). Ebenfalls gibt es seitliche Eruptivgänge, in denen intrusive Gesteine aufsteigen und Staukuppen bzw. Seitenkrater bilden (Dikau et al. 2019: 157). Durch diese Intrusiva werden Stratovulkane felsmechanisch stabilisiert und können problemlos in die Höhe wachsen (Dikau et al. 2019: 157). Allerdings sind Einbrüche der Hänge durch den sogenannten Falkenkollaps möglich, doch der Wiederaufbau erfolgt durch weitere Eruptionen (Dikau et al. 2019: 159). Zudem können Stratovulkane besonders explosive Ausbrüche verursachen, wenn Wassermengen in Form von Schnee oder Eis in den Gipfelbereich eindringen (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 317).
Abb. 5: Aufbau eines Stratovulkans (Dikau et al. 2019: 157)
5. Ursachen und Vorgang einer Vulkaneruption
Unter jedem aktiven Vulkan befindet sich eine Magmakammer, doch eine vulkanische Eruption ist nicht immer eine zu erwartende Konsequenz (Keppler & Audétat 2008: 134). Manche dieser Magmakammern kühlen nach einiger Zeit ab und kristallisieren aus, so dass Vulkanausbrüche vermieden werden (Keppler & Audétat 2008:134). Das Auftreten einer Vulkaneruption ist abhängig von dem Wassergehalt des Magmas, der Tiefe der Magmakammer und der Festigkeit ihrer Wände (Keppler & Audétat 2008: 134). Grundsätzlich gibt es zwei Mechanismen, die Vulkanausbrüche verursachen können. In dem ersten Verfahren erfolgt durch das Abkühlen des Magmas eine vollständige Kristallisation in dem Magmareservoir und die gebildeten Kristalle können kein Wasser in ihrer Struktur aufnehmen (Keppler & Audétat 2008: 134). Infolgedessen wird die Restschmelze mit dem ausgestoßenem Wasser angereichert, bis der Druck innerhalb der Magmakammer ungenügend erscheint und das Wasser in der Schmelze nicht gelöst gehalten werden kann. Es erfolgt die Bildung von Gasblasen und der Druckaufbau wird fortgeführt, bis der Vulkanschlot über der Magmakammer durch den Überdruck freigesprengt wird (Keppler & Audétat 2008: 134). Bei dem zweiten Mechanismus handelt es sich um eine Druckentlastung. Hierbei entsteht eine Aufwölbung der Lithosphäre, da sich eine große Menge an Magma unmittelbar unter der Erdoberfläche befindet und die Hänge dieser Aufwölbung verhalten sich sehr instabil (Keppler & Audétat 2008: 134). Ereignisse wie zum Beispiel Erdbeben können einen Hangrutsch verursachen, so dass sich der Druck auf die Magmakammer minimiert. Infolgedessen bilden sich innerhalb der Kammer allerdings Gasblasen, wodurch der Druck enorm zunimmt. Ein Ruckartiger Druckabfall, der beispielweise durch einen weiteren Hangrutsch verursacht wurde, kann eine Eruption auslösen (Keppler & Audétat 2008: 134).
6. Folgen auf das Klima
Vulkaneruptionen können einen direkten Einfluss auf das globale Klimageschehen haben, da die Gasemissionen die Treibhausgaszusammensetzung in der Atmosphäre beeinflussen (Ranke 2009: 32). Grundsätzlich sind vulkanische Gase aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und Schwefeldioxid zusammengesetzt (Swingedouw et al. 2017: 25). Der Anteil von Schwefeldioxid dominiert erheblich und ist hauptsächlich für die Beeinflussung des Klimageschehens verantwortlich (Thordarson & Larsen 2007: 132). Die kleinen Mengen an Gasblasen in der Gesteinsschmelze verursachen die Extraktion des gesamten Schwefels aus der Magmakammer, welches bei hochexplosiven Vulkanausbrüchen durch kilometerlange Eruptionssäulen bis in die Stratosphäre transportiert werden kann (Keppler & Audétat 2008: 137). Dort wird es zu Schwefeltrioxid aufoxidiert und reagiert mit Wasser zu Aerosolen von Schwefelsäure (Keppler & Andétat 2008: 137). Da diese Schwefelsäure-Aerosole sehr stabil sind und eine geringe Dichte aufweisen, können sie sich über mehrere Jahre in der Stratosphäre aufhalten (Lühr 2015: 259). Somit ist die Aerosolschicht in der Lage, die Sonneneinstrahlung zu reflektieren und als Konsequenz erfolgt die Abnahme der Globaltemperatur (Jorzik et al. 2020: 90). Um das Klima beeinflussen zu können, muss das Schwefeldioxid in die Stratosphäre gelangen, da es in der Troposphäre durch den Regen ausgewaschen wird und somit seine Wirkung verliert (Keppler & Andétat 2008: 138).
Der Vulkan Mount Pinatubo, welcher auf den Philippinen liegt, brach im Jahr 1991 aus und schleuderte 17 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Stratosphäre (Keppler & Andétat 2008: 137). Durch die große Menge an Aschepartikeln bildete sich in der Atmosphäre ein Dunstschleier, welcher nach über zwei Jahren weiterhin nachzuweisen war und die Sonneneinstrahlung reflektierte (Ranke 2019: 32). Die ausgedehnte Aschewolke verblieb mehrere Jahre in der Stratosphäre, da die vulkanischen Fragmente äolisch transportiert wurden (Bahlburg & Breitkreuz 2017: 309). Dadurch resultierte ein Temperatursturz und die Globaltemperatur nahm um mehr als 0,5° Celsius ab (Cole-Dai 2010: 834). Innerhalb von drei Wochen gelang es der Aschewolke den gesamten Globus zu umkreisen (Robock 2000: 193).
7. Fazit
Die Konvektionsströme im Erdinneren, welche durch die Temperaturunterschiede im oberen und unteren Mantelbereich resultieren, lösen die Plattenverschiebung aus. Die Kontinentalplatten bewegen sich unabhängig voneinander und fördern an Schwächezonen frische Lava an die Erdoberfläche, die aus Vulkanen eruptieren. Ein Großteil dieser Vulkane existiert an tektonischen Plattengrenzen, da ihre geologische Entwicklung durch die Plattenverschiebung erfolgt. An den Konvergenzzonen bilden sich im Laufe der Zeit durch die großem Mengen an andesitischen Laven mächtige Reliefformen wie zum Beispiel Stratovulkane. Dahingegen dringt an den Spreizungszentren basaltische Magma aus, die nach dem Ausfließen erstarrt und neue ozeanische Lithosphäre bildet. Bedingt durch die Manteldiapire kommt es ebenfalls über den Hotspots zu basaltischem Vulkanismus und in diesen Regionen dominieren die Schildvulkane.
Vulkaneruptionen erfolgen durch die Blasenbildung von Wasserdampf in der Magmakammer, die einen Innendruck aufbaut und den Vulkanschlot freisprengt. Sie sind Naturphänomene mit gefährlichen und zerstörerischen Auswirkungen und können durch kilometerlange Eruptionswolken und die Förderung von Aschepartikeln das globale Klima enorm beeinflussen. Einige vergangene explosive Vulkaneruptionen haben bewiesen, dass durch die Bildung von Aerosolen in der Stratosphäre, eine jahrelange Abkühlung des globalen Klimas verursacht werden kann.
Literaturverzeichnis
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Abb. 1: Graphical abstract zum Thema „Entstehung und Form der Erde“ (1) Lutgens, Tarbuck, Tasa 2016; 2) RheinlandPflaz Landesbibliothekszentrum (Hg.) (2017) ; 3) Leonello Calvetti, Shutterstock, zit. nach: Was ist Was (o.J.); 4) dkfindout! (o.J.); 5) Landesamt für Digitalisierung, Breitband und Vermessung (o.J.))
Einleitung
Entstehungstheoriender Erde
Religiöse Entstehungsgeschichte – Schöpfungstheorie im Christentum
Gegenüberstellung der beiden Entstehungsansätze
Form der Erde
Antike Vorstellung der Erdgestalt– Die Erde ist kugelförmig.
Die Erde ist keine perfekte Kugel –Modell des (Rotations-) Ellipsoids
Die Erde ist kein exaktes Ellipsoid– das Geoid.
Aktuelle Forschungsprojekte zur Entstehungstheorie der Erde
Ursprung der Erde: Ein Vorschlag des ABEL-Modells (2016)
StarPlan-Group 2020: Eisisotopenanalyse zur Untersuchung des Ursprungs und der Entwicklung von Planetensystemen
Eine scheinbar simple, aber auch höchst komplexe Frage zugleich zum Thema ‚Entstehung und Form der Erde‘ ist die Frage, wie die Erde entstanden ist? Dazu gibt es zwei unterschiedliche, theoretische Ansätze, die einerseits eine allgemein anerkannte wissenschaftliche Theorie sowie andererseits die Theorie aus der religiösen bzw. christlichen Perspektive beinhaltet. Anschließend werden beide Theorien einander gegenübergestellt, um festzustellen, ob es Gemeinsamkeiten bzw. Aspekte beider Theorien, die im Einklang stehen und Unterschiede bzw. Widersprüche gibt.
Im nächsten Schritt stellt sich die Frage nach der Form der Erde, dabei geht es um das Verständnis und die Entwicklung bezüglich der menschlichen Vorstellung der Erdgestalt im zeitlichen Verlauf, die skizziert wird, von der Antike bis in die heutige Zeit. Beim Erforschen der Erdgestalt wurde früh angenommen, die Erde sei eine Kugel, doch welche Form die Erde nun tatsächlich hat, wird erst durch eine Vielzahl von Untersuchungen ersichtlich. Außerdem stellt sich die Frage, welche Mechanismen und Prozesse für die Form der Erde verantwortlich sind.
Ein letzter inhaltlicher Schritt ist es, aktuelle Forschungsprojekte aus den Jahren 2016 und 2020 vorzustellen, die anhand von Gesteins-, Sauerstoff- und Eisenisotopenanalysen Rückschlüsse über die Bildung der Erde ziehen und damit als neue wissenschaftliche Erkenntnisse gelten.
2. Entstehungstheorien der Erde
Bezüglich der Entstehung der Erde gibt es unterschiedliche Ansichten von verschiedenen Disziplinen und Teilbereichen, doch die allgemein anerkannten Theorien stammen aus der Wissenschaft sowie aus dem menschlichen Glauben an die Religion. Deswegen wird es zunächst um die allgemein anerkannte Theorie des Urknalls gehen (vgl. Faust et al. 2017:1) und dann um die Sichtweise der christlichen Schöpfungsgeschichte durch Gott (vgl. National Academy of Science 1999: 7).
2.1.Wissenschaftliche Entstehungstheorie – Die Theorie des Urknalls
Mit dem Urknall vor 13,7 Mrd. Jahren resultiert aufgrund einer Explosion im Weltall die Entstehung des Universums, wobei sich Energie, Kräfte und Materie auf diesen Raum mit sehr hoher Dichte ballen, sodass dieses Ereignis als Anfang von Zeit, Raum und Materie bezeichnet wird (vgl. Faust et al. 2017: 1). Seitdem ist wissenschaftlich erforscht, dass sich das Universum gleichmäßig ausdehnt, dabei kommt es zum Verdichten von kosmischen Gasen, was zur Herausbildung von Galaxien und Sternen führt (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 216) (Abb. 2). Der wichtigste Zeitintervall im Bestehen des Universums in 13,7 Mrd. Jahren ist die Zeit um ca. 4,56 Mrd. Jahre vor heute, das Hadaikum (vgl. Rothe 2019: 98), als das Sonnensystem und seine um die Sonne kreisenden Planeten entstanden (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 216). Der Philosoph Immanuel Kant ist es, der mit seiner Nebular-Hypothese 1755 einen Entwurf zur Entstehung der Planeten des Sonnensystems aufstellt, wobei diese von anderen Wissenschaftlern ausgearbeitet und erweitert wird (vgl. Faust et al. 2017: 1). Diese Hypothese besagt, dass aufgrund einer kreisenden Staub- und Gaswolke das Sonnensystem entsteht (Abb. 2), wobei Astronomen viele solcher Wolken entdecken und als nebulae bezeichnen (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 216f.).
Diese sich kreisende, diffuse Staub- und Gaswolke zieht sich durch wechselseitige Massenanziehung zusammen (vgl. Ebd). Durch dieses Zusammenziehen entsteht eine Rotation, die immer schneller wird, sodass die nebulae immer mehr abflacht und eine scheibenförmige Gestalt annimmt (siehe Abb. 2), die als Sonnennebel bezeichnet wird (vgl. Ebd.: 217). Daraus bildet und reichert sich die Urform der Sonne an (vgl. Ebd.: 217). Das scheibenförmige Abflachen des Sonnennebels hat eine Temperaturzunahme in der Scheibenmitte zur Folge, sodass es dort zur größeren Materialansammlung kommt (vgl. Ebd.: 217f.). Die Scheibe kühlt sich nach ihrer Entstehung ab, wodurch die Gase ihren Aggregatzustand in flüssig oder fest ändern, was als Kondensation bezeichnet wird (vgl. Ebd.: 218). Aufgrund der Massenanziehung entstehen immer größere Aggregate bis kilometergroße Stoffklumpen oder auch sogenannte Planetesimale vorhanden sind (vgl. Ebd.: 218). Das Zusammenstoßen der Planetesimale untereinander führt zur Verknüpfung dieser miteinander, sodass Figuren, so groß wie der Mond, entstehen können (vgl. Ebd.: 2018). In der letzten Phase der extremen Kollisionen der Planetesimale, heften sich die größten Körper, die eine höhere Massenanziehung aufgrund ihrer Größe aufweisen, mit dem Rest der Planetesimale an, sodass am Ende nur noch 8 Planeten übrigblieben, die heute Teil des Sonnensystems sind, wobei ihre primäre Entstehung in nur 10 Mio. Jahren erfolgt ist, was aus geologischer Sicht kurz ist (vgl. Ebd.: 218). Die Planeten, die in der inneren Sonnenumlaufbahn liegen, wie Merkur, Venus, Erde und Mars bestehen überwiegend aus Silikatmineralien, die Voraussetzung für die Gesteinsbildung sind sowie aus Schwermetallen wie Nickel und Eisen, wobei die äußerem Planeten Saturn, Jupiter, Uranus und Neptun aus Gas bestehen (vgl. Ebd.: 218).
Die Erde ist in ihrem Anfangsstadium, 100 Mio. Jahre nach der Erdbildung (vgl. Grotzinger & Jordan 2017: 19), von heftigen Bombardierungen einer Vielzahl von Planetesimalen und Meteoriten betroffen (Abb. 2), die aus kleinen Bestandteilen von Asteroiden aus dem Asteroidengürtel stammen, wodurch beim Einschlagen dieser Himmelkörper viel kinetische Energie (Bewegungsenergie) freigesetzt wird, die in Wärme transformiert wird und zum Aufschmelzen der Erdoberfläche führt (Video 1), was als Magmaozean (Abb. 2) bezeichnet wird (vgl. Ebd.: 220) im Archaikum (vgl. Rothe 2019: 98) . Bei abnehmenden Temperaturen verfestigen sich diese Bereiche, sodass Kontinentbestandteile entstehen zwischen dem Proterozoikum bis ins Mesozoikum (vgl. Rothe 2019: 98), die durch Regen aus der Uratmosphäre abgetragen werden und sich so zu Sedimenten differenzieren (Video 1) (vgl. Ebd.: 99). Die Schmelzen zwischen den Kontinentteilen sind von Bewegung gekennzeichnet, die man als Deckeltektonik bezeichnet, diese drückten das neue granitähnliche Sediment mit Gesteinskörpern zusammen und verknüpften es, wodurch sich die heutige Erde zu formen beginnt (Video 1) (vgl. Ebd.). Die ersten Sedimente bzw. Schollen formen sich zu Urkontinenten, die im Laufe der Zeit immer wieder zerfallen und deren Bruchteile sich zu neuen Urkontinenten zusammensetzten (vgl. Ebd.). Aus den Bruchstücken des Urkontinent Pangäa (Video 1), der sich von 220 Mio. Jahren bildete, bestehen unsere heutigen Kontinente (vgl. Ebd.). Weitere Mechanismen ließen im Laufe der Jahrmillionen Wasserozeane (Abb. 2) und eine Atmosphäre entstehen, wie wir sie heute kennen, sodass die Voraussetzungen für Leben geschaffen wurde (vgl. Ebd.: 100).
Abb. 2: Die Entstehung der Erde (Lutgens, Tarbuck, Tasa 2016)
Video 1: Wie die Erde sich formte (Da Vinci TV 2019)
2.2.Religiöse Entstehungsgeschichte – Schöpfungstheorie im Christentum
Viele Menschen, auch manche Wissenschaftler gehen davon aus, dass die verschiedenen Prozesse, die zur Bildung von Universum, Galaxien, Sonnensystem und ihrer Planeten führen, durch eine höhere, göttliche Instanz geschaffen wurden (vgl. National Academy of Science 1999: 7). Dieser Glaube ist als Kreationismus oder Schöpfungswissenschaft zu bezeichnen und kann aus verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet werden (vgl. Ebd.). Vor allen wissenschaftlichen Theorien rund um die Entstehung der Erde gibt es die Schöpfungsgeschichte, auf Basis der ersten drei Genesiskapitel der Bibel und dem Buch der Offenbarung sowie kirchlichen Schriften (vgl. Stanford Encyclopedia of Philosophy Archive 2017). Dabei meint Kreationismus den Glauben, dass das Universum, die Erde, das Leben und die verschiedenen Lebensformen aus dem Nichts von Gott erschaffen wurden (vgl. Encylopaedia Britannica 2020).
Es gibt zwei verschiedene Ansichten bezüglich des Erdalters im Christentum, denn nach dem Young Earth Creationism (Schüler 2017: 328) nehmen dessen Befürworter an, die Erde wurde in sechs Tagen von Gott geschaffen und sehen die Bibel wortwörtlich als wahre Schöpfungsgeschichte an, sodass anhand von Datierungen des Alten Testaments und dem Verständnis wichtiger christlicher Personen die Erde ca. 6000-10000 Jahre alt ist (vgl. Schüler 2017: 328). Nach der Sichtweise der jungen Kreationisten wird die Erde mit festen Landmassen, ersten Pflanzenarten und Ozean am dritten Tag der sechstägigen Schöpfung geformt und erst am vierten Tag entsteht Sonne, Mond und Sterne (vgl. Musharraf 2017: 7). Diese Theorie steht dabei im Einklang mit der biblischen Schöpfungslehre (vgl. Stanford Encyclopedia of Philosphy Archive 2017), weil die Tagesdauer im Alten Testament mit dem Wort yom (Ham 1987) als ein Tag-Nacht-Zyklus zu betrachten ist, also dem heutigen Verständnis eines Tages entspricht (vgl. Ham 1987).
Andere Christen jedoch, versuchen das wissenschaftliche Alter der Erde mit der Schöpfungsgeschichte in Einklang zu bringen, sodass dieser Ansatz als Old Earth Creationism (Schüler 2017: 328) bezeichnet wird (vgl. Ebd.). Sie nehmen an, dass Gott alles erschafft, aber verstehen die Genesis aus der Bibel nicht wortwörtlich als Schöpfungsgeschichte der Erde, da sie Untersuchungen und Beweise für das Alter der Erde akzeptieren (vgl. Encylopaedia Britannica 2020). Ein zentraler Grund dafür, dass die Tagesdauer in der sechstägigen Schöpfungsgeschichte der Erde als eine unbestimmte lange Periode von den Befürwortern der alten Erde angesehen wird, ist, dass wissenschaftlich belegt wurde, dass die Erde 4,56 Mrd. Jahre alt ist (vgl. Ham 1987).
Weil die beiden Ansichten hinsichtlich des Erdalters so unterschiedlich sind, versucht die Theory of Intelligent Design (Breitbart 2005: 167) eine unbestimmte intelligente Instanz für die Mechanismen der Erdentstehung und Lebensentwicklung verantwortlich zu machen, sodass die wissenschaftliche Urknalltheorie und die Schöpfung durch einen Gott nicht widersprüchlich sind, wobei die unbestimmte Instanz nicht Gott im religiösen Sinne sein muss, sondern auch eine natürliche Kraft oder ein Mechanismus, der bis heute unbestimmt ist (vgl. Breitbart 2005: 167).
2.3. Gegenüberstellung der beiden Entstehungsansätze
Werden die beiden theoretischen Entstehungsansätze der verschiedenen Disziplinen einander gegenübergestellt, wird ersichtlich, dass sich in der religiösen Schöpfungsgeschichte schon die verschiedenen Ansichten der Christen hinsichtlich des Erdalters unterscheiden (vgl. Musharraf 2017: 3). Die jungen Kreationisten glauben an eine junge Erde, die auf mindestens 6000 und maximal 15000 Jahre geschätzt wird, wohingegen die alten Kreationisten die wissenschaftlichen Erkenntnisse hinsichtlich des Erdalters akzeptieren und ihr Verständnis an entsprechenden Stellen in der Bibel veranschaulichen (vgl. Ebd.: 4). Doch in den drei Genesiskapiteln der Bibel wird nur von einer sechstägigen Schöpfung berichtet und dem siebten heiligen Ruhetag (vgl. Ebd.), sie enthält aber keine Aufzeichnungen zur detaillierten Bildung, der Form oder dem Alter der Erde (vgl. Stanford Encyclopedia of Philosophy Archive 2017). Wie lange die Dauer eines Tages der sechstägigen Schöpfung ist, ist unterschiedlich interpretierbar, jedoch wird im Alten Testament das hebräische Wort yom für ‚Tag‘ verwendet, wobei junge Kreationisten es darin als ein Licht-Dunkelheit-Zyklus zeitlich skalieren, in dem Tag und Nacht gibt durch die Erdrotation um die eigene Achse (vgl. Ham 1987). Diese Interpretation widerspricht der, der Befürworter der alten Erde, da sie einen Tag der Schöpfung eine unbestimmte Dauer von Milliarden, Millionen oder Tausenden von Jahren zuschreiben, den Tag als symbolisch verstehen und somit die wissenschaftlichen Erkenntnisse bezüglich des Erdalters nicht ausschließen (vgl. Ebd.).
Geologisch konnte bestimmt werden, dass das Sonnensystem und die Erde sich vor 4,568 Mrd. Jahren bildeten (vgl. Wood 2011: 40). Es ist also deutlich, dass der Yonung earth creationism mit dieser Annahme nicht in Einklang gebracht werden kann und auch die sechstägige Schöpfung der Erde usw. durch Gott in beiden christlichen Ansichten, entspricht nicht der Millionenjährigen Formung der Erde, bis das Leben auf ihr möglich wurde, wie es aber wissenschaftlich nachgewiesen wurde (vgl. Musharraf 2017: 7ff.). Hier kann die Theory of Intelligent Design verwendet werden, um die religiöse und wissenschaftliche Ansicht auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen, indem eine undefinierte intelligente Instanz als Leiter der Mechanismen der Erdentstehung angesehen wird, dieser wird in der Schöpfungstheorie als Gott interpretiert und in der wissenschaftlichen Entstehungstheorie als Auslöser des Mechanismus für den Urknall, Solarnebel etc., sodass die Ansätze grob miteinander in Einklang gebracht werden können (vgl. Breitbart 2005: 167). Aber in der der USA z.B. führt diese Theorie nur zu einer größeren Kluft zwischen Kreationisten und Wissenschaftsbefürwortern (vgl. Breitbart 2005: 167).
Der Versuch die beiden theoretischen Ansätze auszusöhnen scheint mit jeder neuen wissenschaftlichen Erkenntnis zur Erdentstehung schwerer, doch trotz dem koexistieren beide Ansätze weiterhin nebeneinander, da die Wissenschaft laut Einstein nicht ohne Glauben an eine unpersönliche göttliche Instanz auskommt, weil es eben nicht für jede wissenschaftliche Erkenntnis über die Erdentstehung eine logische Erklärung gibt (vgl. Breitbart 2005: 169).
3.Form der Erde
Die Form der Erde war und ist umstritten, deswegen werden in den ersten drei Kapiteln der historische Verlauf und die Erkenntnisse über die Erdgestalt skizziert, um die Dauer der wissenschaftlichen Untersuchungen zur Form und den Erkenntnissen zu veranschaulichen. Im letzten Schritt soll es dann um die Prozesse und Mechanismen gehen, die der Erde ihre Form verleihen.
3.1.Antike Vorstellung der Erdgestalt– Die Erde ist kugelförmig.
Bereits in der griechischen Antike kommt es, wie heute unter Wissenschaftlern und Verschwörungstheoretikern, dazu, dass eine konfliktgeladene Diskussion unter den Kosmologen hinsichtlich der Form der Erde entfacht (vgl. Couprie 2018: 241). Viele griechische Berühmtheiten wie Thales, Diogenes, Laërtius, Hesiod, Anaximander und Pythagoras stellen die Annahme auf und versuchen zu belegen, dass die Erde eine kugelähnliche Form besitzt (Abb. 3) (vgl. Couprie 2018: 241). Jedoch gibt es auch Gegner hinsichtlich dieser Annahme wie Anaxagoras und Demokrit, die von einer flachen Erdgestalt (Abb. 3) ausgehen (vgl. Ebd.: 242). Diese argumentieren, dass beim Auf- und Untergehen der Sonne eine gerade anstatt eine gekrümmte Schattenlinie sichtbar ist, nämlich an der Position am Himmel, an der die Linie abgeschnitten ist, wenn die Erde aber kugelförmig wäre, müsste die Schnittlinie gekrümmt sein (vgl. Ebd.: 253). Aristoteles, einer der bekanntesten und anerkanntesten griechischen Philosophen, weiß von dieser Debatte und will sie beenden, indem er versucht Argumente für die Kugelform der Erde zu finden und einzubringen sowie damit gegen die vermeintlichen Beweise einer flachen Gestalt zu argumentieren (vgl. Ebd.: 242). Aristoteles versucht dabei theoretisch sowie empirisch zu argumentieren, wobei der Fokus stärker auf die empirischen Argumente liegt (vgl. Ebd.). Dafür bringt er überzeugende bis weniger überzeugende Argumente an wie, dass Mondfinsternisse ebenfalls eine Kugelform und einen kreisförmigen Schatten aufweisen bei genauster Beobachtung, wobei Aristoteles von dem Erdschatten ausgeht, jedoch wird eine Mondfinsternis erst durch das Licht der Sonne ausgelöst, sodass Phileas zur Erkenntnis kommt, dass nicht die Erde allein ein kugelförmiger Himmelskörper ist und sie außerdem nicht das Resultat von Finsternissen ist (vgl. Ebd. 243f.). Weiterhin wurde mit Sonnenfinsternissen und dem vermeintlichen Erdschatten, der durch die Zwischenschaltung eines transparenten Himmelskörpers entsteht, versucht die Kugelform der Erde empirisch zu belegen (vgl. Ebd.: 246ff.). Auch die Positionsänderung der Sterne, also wenn der Mensch durch Änderung seiner Lokalität nach Süden oder Norden nicht mehr dieselben Sterne sieht, wird als Argument für die Kugelform genannt, jedoch erkennt Aristotles nicht, dass die Sicht des Menschen auf den Himmel begrenzt ist (vgl. Ebd.: 246ff.). Weitere Argumente sind, dass bei Meeresschiffsfahrten nur der Schiffsmast sichtbar ist, nur bei Annäherung an eine Küste wird auch der Schiffsrumpf erkennbar, sodass Strabo, Aristoteles und viele andere Autoren und ähnliche Argumente nutzen, um die Kugelform der Erde zu belegen, wobei die Effektivität der optischen Perspektive dem entgegengesetzt werden könnte (vgl. Ebd.: 249). Die Zeitdifferenz als beobachtetes Phänomen zwischen Orten, die fast auf der gleichen geographischen Länge liegen, aber weit voneinander entfernt sind aufgrund anderer Breitenlagen, ist ein anderes Argument für die Kugelform, denn Cleomedes nennt beispielsweise, dass im östlichen Persien vier Stunden früher die Sonne untergeht als an der westlichen iberischen Halbinsel (vgl. Ebd.). Dem entgegen steht die Hauptthese bei Annahme einer flachen Erde, dass überall immer die gleiche Zeitzone herrscht (vgl. Ebd.). Ein weiteres empirisches Argument für die Kugelgestalt der Erde, dass in der Antike aber nicht weiter thematisiert wird, ist, dass es eine begrenzte Reichweite des Sonnenlichts gibt, außerdem leuchtet die Sonne in einer bestimmten Reihenfolge auf Teile der Erde in ihrem täglichen Umlauf um den Pol (vgl. Ebd.: 251). Es gibt noch eine Reihe weiterer, weniger überzeugender Argumente, die Aristoteles nennt, um die Kugelform der Erde zu untermauern, doch eins ist sicher, Aristoteles und viele Griechen haben bereits in der Antike recht mit ihren Annahmen, dass die Erde nicht flach, sondern kugelförmig sein muss, genau genommen ist die Erde ein abgeflachtes Rotationsellipsoid (vgl. Ebd.: 258). In der Antike und viele Jahrhunderte danach sind Aristoteles Argumente vernünftig und unwiderlegbar, obwohl viele seiner Argumente nicht ganz schlüssig sind (vgl. Ebd.). Er ist Eratosthenes, der schlussfolgert, dass die Erde kugelförmig ist mit dem Phänomen der unterschiedlichen Schattenlängen in den geographischen Breiten am Mittag, dass aus den im Boden zu astronomischen Zwecken eingesteckten Säulen hervorging, die Eratosthenes bei seiner bemerkenswerten und populären Berechnung des Erdumfangs nutzt, als er merkt, dass bei Sommersonnenwende in Alexandria mittags eine Säule einen Schatten wirft, während in Assuan die aufgestellte Säule (Gnom) gar keinen Schatten anzeigt (vgl. Ebd.: 247). So ermittelte er den Erdumfang mit einer Genauigkeit von 10% (vgl. Kirby 2018: 80).
Abb. 3: Flache oder runde Erde? (earth observatory, Weisberger 2019)
3.2.Die Erde ist keine perfekte Kugel – Modell des (Rotations-) Ellipsoids
Die Kugelform der Erde ist in den 1670er Jahren bereits umstritten, weil ältere Gradmessungen, die damals vorliegen, auf eine andere Form hinweisen (vgl. Rummel 2017: 19). Viele Forscher wie Eisenschmidt 1691, „Eratosthenes, Riccioli, Picard, Fernel und Snellius“ (Rummel 2017: 19) versuchen die Erweiterung der Achsen an den Polen anhand von Gradmessungen zu belegen (Abb. 4), doch erst die Physik liefert den entscheidenden Schritt, um von der kugelförmigen Erde zur Vorstellung eines Erdellipsoids (Abb. 4) zu kommen. Isaac Newton ist es, der auf Basis seiner Ergebnisse zur Hydrostatik sowie Gravitation ein physikalisches Modell der Erdgestalt aus seinem selbst aufgestellten Gravitationsgesetz entwickelt, sodass er 1687 durch Berechnungen ein Rotationsellipsoid erhält (vgl. Ebd.). Dieses kann als gleichwertiges Modell zur homogenen, liquiden sowie rotierenden Erdgestalt angesehen werden und vermerkt dazu eine zunehmende Beschleunigung der Schwerkraft vom Äquator aus zu den Polen (vgl. Ebd.). Verschiedene Berechnungen und Gradmessungen von Cassini, La Condamine etc. um 1740 zeigen an, dass ein an den Polen abgeflachtes Ellipsoid eine solide Annäherung an die Erdgestalt (Abb. 4) ist (vgl. Ebd.: 20). Im 18. Jahrhundert führen weitere Berechnungen und Gradmessungen an unterschiedlichen Orten der Welt zur ansteigenden Validierung und Präzision des Ellipsoids. Zu dieser Zeit und zukünftig wird dieser Vorgang auch Aufgabe der Landesvermessung (vgl. Ebd.: 22). In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts ist es so, dass Grad- und Meridianbogenmessungen zu streuenden Ergebnissen führen, sodass „über den gravitativen Einfluss von ober- und unterirdischen „Störmassen“ (vgl. Ebd.: 23) debattiert wurde. Diese Problematisierung wurde Anfang des 19. Jahrhunderts. durch eine neue Annahme über die Erdform aufgelöst (vgl. Ebd.). Diese Reihe von Gradmessung lassen sich als ellipsoidische Epoche bezeichnen, außerdem führte die letzte Erdvermessung im Kontext dieser Zeitspanne zur Einheit von Längenangaben und -einheiten zumindest in Europa (vgl. Ebd.: 25). Ab dem 19.-20. Jahrhunderts wird es zur Bestimmung eines neuen Modells hinsichtlich der physikalischen Erdgestalt kommen (vgl. Ebd.: 26). Die Erde aus dem Weltraum betrachtet, sieht aus wie eine Kugel, wobei dies Resultat der durch Erdmasse erzeugten Schwerekraft ist (vgl. Stern und Weltraum 2002: 25). Das Ellipsoid kann als erste Annäherung an die Erde gesehen werden als rotierende Kugel, die an den Polen abgeflacht ist im Gegensatz zum Äquator (vgl. Li & Götze 2001: 1661), sodass es einen geringen Unterschied von Pol zu Pol mit 40 km kürzeren Durchmesser als am Äquator gibt, wobei die Erdrotation Auslöser der Polabflachung ist (vgl. Leys 2020).
Abb. 4: Form der Erde als Rotationsellipsoid (dkfindout! (o.J.))
3.3.Die Erde ist kein exaktes Ellipsoid– das Geoid.
Am Anfang des 19. Jahrhundert wird die ellipsoidische Gestalt der Erde immer mehr bezweifelt, weil es immer abweichendere Ergebnisse bei Grad-, Pendel- und Meridianbogenmessungen gibt im Sinne der Abflachungswerte und diese nicht mehr mit Messungsfehlern erklärbar sind (vgl. Rummel 2017: 27). Aufgrund dessen findet sich bei Laplace 1799 die Bemerkung, „dass die Erde sich sehr merklich von einer elliptischen Gestalt entferne“ (Ebd.). Zur Lösung dieses Konflikts werden viele unterschiedliche Methoden vorgeschlagen wie z.B. Vermeiden von lokalen Anomalien beim Auswählen von Punkten auf dem Gradnetz und das Verbessern dieser (vgl. Ebd.). Durch die weiteren Messungen und Abweichungen wird der Zweifel an der Kontinuität der Abflachung der Meridiane und an den Polen nur verstärkt, sodass 1806 der Astronom von Zach die These aufstellt, dass die Erde kein Ellipsoid ist, sondern eine ganz ungleichmäßige Form besitzt (Abb. 5) , deswegen sollten weitere Gradmessungen erfolgen, um diese Annahme zu bestätigen (vgl. Ebd.: 28). Aufgrund der Vielzahl und der Besserung von globalen Gradmessungen können mehr Ellipsoidmodelle berechnet werden, wobei Gauß und Legendre in den 1820ern bei über zwei Datensätzen die kleinsten-Quadrate-Methode zum Ausgleich entwickeln und verwenden, sodass Gauß 1821 die Erdgestalt als Geoid beschreibt (vgl. Ebd.: 35f.). Er bezeichnet die Erdoberfläche der Erde aus geometrischer Sicht als Fläche, die als Teil der Meeresoberfläche angesehen werden kann und die, die Schwerekraft an jeder Stelle vertikal schneidet, sodass das Rotationsellipsoid als einfaches Modell und das Geoid (Abb. 5) als annäherndes Modell der Erde gesehen werden kann (vgl. Ebd.: 37). Durch das Aufweisen eines Schalenaufbau der Erde, die aus festem innerem Kern, liquiden äußeren Kern und festen, jedoch plastisch verformbaren Mantel besteht, herrschen Schwerkraftanomalien sowie große Höhenunterschiede zwischen Ozean und Landmassen, sodass die Erdoberfläche deformierbar ist und Dellen aufweist, die geowissenschaftlich auf die „Dichteverteilung im Erdinneren und die damit in Verbindung stehenden physikalischen Prozesse“ (Stern und Weltraum 2002: 25) zurückzuführen sind. Das Geoid stellt eine Referenzoberfläche und Gleichgewichtsgestalt der Erde dar (Abb. 5), wie wenn ihre Oberfläche mit stillem Wasser bedeckt wäre (vgl. Ebd.). Aufgrund dessen wird das Geoid in der Landesvermessung als Normal Null für die Bestimmung topographischer Höhe genutzt (vgl. Ebd.: 25).
Abb. 5: Die Erde als Geoid.(Landesamt für Digitalisierung, Breitband und Vermessung(o.J.))
3.4.Wodurch erhält die Erde ihre unregelmäßige Form?
Die Erde erhält ihre Form aus einer Vielzahl von Mechanismen und Prozessen, wie der natürlichen Schwer- bzw. Gravitationskraft, die auf der Erdoberfläche und in ihrem Inneren, die Erde prägen, außerdem weist die Erde eine unregelmäßige Form aufgrund der Höhenunterschiede im Relief auf (vgl. The european space agency o.J.). Die Erdrotation löst die Polabflachung aus, dazu ist die diskontinuierliche Dichteverteilung des Materials im endogenen Aufbau der Erde ebenfalls einen Grund für die Erdgestalt (vgl. Ebd.). Weitere Einflüsse, die aber geringfügiger sind, sind Grundwasser-, Erdöl-, und Mineralvorkommen sowie Meeresspiegelanstieg, topographische Veränderung im Relief wie z.B. Bewegung der Eiskappen, Vulkanausbrüche, Erdbeben etc. (vgl. Ebd.). Anhand von NASA-Satellitendaten wurde von Forschern festgestellt, dass die Form der Erde ebenfalls von großen und intensiven Klimaereignissen beeinflusst wird, wobei diese klimatischen Ereignisse die Veränderungen der Meere, Landmassen und veränderte Wassermengen, die in der Erdatmosphäre gespeichert sind, zum Resultat haben (vgl. NASA 2005). Vor allem Klimaereignisse wie der El Nino Southern Oscillation (ENSO) und Pacific Decadal Oscillation (PDO) wirken sich auf Wassermassen in Meer, Atmosphäre und Landmassen aus (vgl. Ebd.). Die Studie analysierte Neigung der Erde, die Abflachung an den Polen und die Erweiterung des Äquators mit einem SLR-Satelliten, wobei die daraus entnommen Daten anzeigen, dass es eine Umverteilung der Wassermassen in Meeren, Atmosphären und Landmassen gibt, die eine kleine Variation des Schwerefeldes auf der Erde zur Folge haben (vgl. Ebd.). Forscher der Vienna University of Technology haben die Auswirkungen der Atmosphäre auf die Form der Erde sowie Rotation und Schwerefeld der Erde untersucht und erkannt, dass der Luftdruck in der Atmosphäre bei Wetterereignissen mit Hochdruck die elastische Gestalt der Erde bis zu 2 cm variieren und beeinflussen kann, sodass sich so auch das Gravitationsfeld der Erde verändern könnte (vgl. Vienna University of Technology 2010). Letztendlich sind die größten Abweichungen von der Kugelform auf die Rotation sowie Schwankungen des Auftriebs der Erdoberflächen- und Innenschalen zurückzuführen (vgl. Anderson 2007: 62).
4.Aktuelle Forschungsprojekte zur Entstehungstheorie der Erde
Um einen Einblick in die aktuelle Forschung hinsichtlich der Erdentstehung zu erhalten (Abb. 6), werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die anhand von Gesteinsisotopenanalyse das ABEL-Modell (vgl. Ebisuzaki & Maruyama 2017: 253) sowie im Projekt der StarPlan-Group anhand von Eisenisotopen die Erdentstehung thematisieren (vgl. Bizzarro, Schiller, Siebert 2020: 1).
Abb. 6: Übersicht zu den Forschungsprojekte (Eigene Darstellung, zit. nach Bizzarro, Schiller, Siebert 2020: 1-7; Ebisuzaki & Maruyama 2017: 253-274)
4.1.Ursprung der Erde: Ein Vorschlag des ABEL-Modells (2016)
Das ABEL-Modell besagt, dass die Erde als Planet ohne Wasser geformt wurde bzw. als trockener Planet vor 4, 56 Milliarden Jahren aus Enstatit-Chondrit ähnlichem Material entstanden ist, ohne Ozean- und Atmosphärenvorkommen (Abb. 7) (vgl. Ebisuzaki & Maruyama 2017: 253). Nach der Erdentstehung kam es zu einer sekundären Akkumulation von biologisch-chemischen Elementen wie Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O), deren Konzentration vor 4,37-4,20 Mrd. Jahren ihren Höhepunkt erreichte (vgl. Ebd.). Es liegt hier ein zweistufiges Erdentstehungsmodell vor (Abb. 7), dass von den Forschern dieses Projekts als Bioelementmodell bzw. ABEL-Modell bezeichnet wird, diese zwei Stufen bestehen dabei aus der Formation einer vollständig trockenen Erde und dem Aufkommen und Anreichern oxidierter Bioelemente (Stoffe bzw. Wasserbestandteile) sowie dem daraus resultierenden ABEL-Angriffen bzw. Bombardierungen (Abb. 7) der Erde vor 4,37-4,20 Mrd. Jahren aus dem All, die eine Atmosphären und einen Ozean auf der Erde erzeugten (vgl. Ebd.: 261). Außerdem liefert das ABEL-Modell, was Advent of bio-elements bedeutet, mit der ABEL-Bombardierung eine Ursache für die Entwicklung der stagnierenden Deckeltektonik zur Plattentektonik (vgl. Ebd.) Die ABEL-Bombardierung kann dabei als über 170 Mio. Jahre anhaltender, explosiver Angriff auf die Erde bzw. Protoerde mit kohlenstoffhaltigem Chondrit während einer Gravitationsstreuung von drei großen Gasplaneten vor 4,37 Mrd. Jahren angesehen werden, wodurch die Bioelemente auf Erde gekommen sind (vgl. Ebd.: 2601) und Asteroidenmaterial tief in Erdinnere einarbeitete (vgl. Ebd.: 270).
Abb. 7: Die zweistufige Bildung der Erde. (Ebisuzaki & Maruyama 2017: 256)
4.2.StarPlan-Group 2020: Eisenisotopenanalyse zur Untersuchung der Planetenentwicklung
Der Forschungsschwerpunkt des dänischen Forschungsprojekts liegt auf den Ursprung und der Entwicklung terrestrischer Planeten sowie der zeitlichen Abfolge der Prozesse zur Planetenentstehung (vgl. Globe Institut Kopenhagen 2020). Die Dynamik der Mechanismen der Planetenbildung soll durch Eisenisotopenanalysen und ihren Ergebnissen dargestellt werden (vgl. Ebd.).
Die unterschiedlichen Isotope von Himmelskörpern des Sonnensystems skizzieren eine Vorstellung über die Entstehungsgeschichten der Planeten unserer Galaxie (vgl. Bizzarro, Schiller, Siebert 2020: 1). Es geht bei der Untersuchung des Forschungsprojekts hauptsächlich um die Zusammensetzung von nukleosynthetischen Eisenisotopen unterschiedlicher Meteorite, sodass ersichtlich wird, dass nur kohlenstoffhaltiges Cl-Chondrit Material als Hauptbestandteil terrestrischer Planeten zu charakterisieren ist (vgl. Ebd.). Die Forschungsgruppe nimmt an, dass die Formation der Planeten in Intervallen stattfindet, von der Bildung fester Planeten in Marsgröße bis hin zur Differenzierung des inneren Aufbaus dieser, sodass es auf der Erde zum Vorkommen von Wasser kam (vgl. Ebd.). Die Kollision von Planetesimalen wird von den Forschern dabei als Mechanismus der Planetenbildung und des -wachstums angesehen, wobei anhand von Eisenisotopenanalyse eine Eisensignatur der untersuchten Art nur im Erdmantel zu finden ist, die für die Untersuchung von StarPlan von Bedeutung ist (vgl. Ebd.: 5). Es werden 70% dieses Eisenvorkommens aufgrund eines Cl-Chondrit-Meteoriten vermutet, der auf die Urform der Erde eingeschlagen ist (vgl. Ebd.).
5.Fazit
Zusammenfassend und abschließend kann die Entstehung der Erde mit dem Urknall erklärt werden, denn durch diesen ist das Universum entstanden und hat den Prozess der Erdentstehung Milliarden Jahre später eingeleitet. Diese wissenschaftliche Theorie ist allgemein anerkannt und wissenschaftlich fundiert, sodass sie mehr Aussagekraft als die religiöse Schöpfungstheorie besitzt, denn von einer sechstägigen Schöpfung im Sinne von den 24h-Zyklus eines Tages, die wir kennen, ist nicht auszugehen. Die theory of Intelligent Design ist eine Option, die Schöpfungstheorie und wissenschaftliche Theorie aufeinander abstimmen und gegenüberstellen zu können, ohne einen vollkommenen Widerspruch aufzustellen, doch sie verschärft auch die Kluft zwischen religiösen und wissenschaftlichen Befürwortern. Die Form der Erde entspricht grob gesehen einer Kugel, wie bereits in der Antike schon festgestellt und versucht wurde, zu belegen. Die Vielzahl der Gradmessungen führt im zeitlichen Verlauf zur Feststellung einer ellipsoidischen Form der der Erde, da erkannt wurde das der Polradius kürzer ist als der Radius der Erde am Äquator. Beim Versuch verschiedener Wissenschaftler den Abflachungswert der Erde auf einen Standardwert zu bringen, kommt es immer wieder zu streuenden Ergebnissen, sodass die Erkenntnis aufkommt, die Erde hat eine unregelmäßige Form, die man mit dem Geoid näherungsweise versucht zu beschreiben und visualisieren. Die zwei Forschungsprojekte zeigen anhand von verschiedenen Isotopenanalysen an, wie die Erde genau entstanden ist, wobei die einzelnen Schritte der Entstehung durch die Untersuchungen von Isotopen versucht werden zu belegen. Das vorliegende Themenkonzept beantwortet die in der Einleitung und Motivation aufgestellten Fragen.
6. Literaturverzeichnis
Anderson, D.L. (2007): The shape of the Earth. In: Cambridge Press (Hg.): New Theory of the Earth. New York: 62-72.
Bizzarro, M.; Schiller; Siebert, J. (2020): Iron isotope evidence for very rapid accretion and differentiation of the proto-Earth. In: Science Advances 6: 1-7. doi: 10.1126 / sciadv.aay7604 [14.12.2020]
Musharraf, M. N. (2017): Age of earth and evolution – Can religion and science reconcile? In: Australian Journal of Humanities and Islamic studies research (AJHISR) 3 (2): 1-12. https://www.researchgate.net/publication/319234577 [16.12.2020]
National Academy of Science (1999): Science and Creationism: A View from the NationalAcademy of Sciences. 2. Aufl., Washington DC.http://www.nap.edu/catalog/6024.html [17.12.2020]
Rothe, P. (2019): Unsere Erde, Von ihrer Entstehung bis zur Plattentektonik. In: Klempt, E. (Hg.): Explodierende Vielfalt. Wie entsteht Komplexität. Bonn: 97-107.
Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema Zeit und Zeitrechnung auf der Erde [1]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zzcdi [2]: https://de.wikipedia.org/wiki/Wasseruhr [3]: http://saarland.digicult-museen.net/objekte/8432 [4]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zsekz [5]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zkacc [6]: https://www.pngwing.com/de/free-png-zjubt [7]: https://www.pngwing.com/de/free-png-bztcw [8]: https://www.pngwing.com/de/free-png-bdknt [9]: https://www.pngwing.com/de/free-png-yjkuk)
1. Einleitung
Die Erde ist ca. 4,55 ± 0,05 Milliarden Jahre alt (Staubach 2017: 18). Diese Erkenntnis haben Forscher über Jahrhunderte rausgefunden. Die Zeitrechnung hat eine lange Geschichte und ist als erstes auf religiöse Bücher zurückzuführen, wie zum Beispiel die Bibel, die Schöpfungsgeschichten nachweisen (Staubach 2017: 15). Die Zeitrechnung hat uns also eine lange Zeit beschäftigt. Sie hat ihren Ursprung nicht an einem bestimmten Punkt, aber in religiösen Überlieferungen wird meist ein genauer Punkt genannt, wie beim jüdischen Kalender: 6. Oktober 3761, um 23 Uhr, 11 Minuten und 20 Sekunden (Staubach 2017: 15). Die Zeit, wie wir sie kennen mit Stunden, Minuten und Sekunden ist heute nicht mehr wegzudenken. Es ist wichtig auch den Kalender zu kennen, denn er beeinflusst das Leben des Menschen erheblich. Mit der Natur hängt er zusammen, denn Kalender sind abhängig von Sonne und Mond, wie viele andere Dinge auch. In dieser Arbeit wird der Kalender genauer untersucht. Es werden drei verschiedene Kalenderformen beschrieben (Lunar-, Solar- und Lunisolarkalender) und drei verschiedene, von Menschen genutzte Kalender. In diesem Fall sind es der gregorianische Kalender, der islamische Kalender und der chinesische Kalender. Es wird auf ihre Geschichte eingegangen und erläutert, inwiefern Mond- und Sonnenphasen in Verbindung damit stehen. Besonders wird betrachtet, wie die Natur unseren Kalender bestimmt und auch, welcher Kalender wie genutzt wird und ob sogar ein anderer Kalender eine bessere Alternative als der gregorianische Kalender ist.
Im Folgenden ist hier ein Video von Terra X , das einen ersten Überblick über das Thema Zeit gibt.
Video: Terra X – Wie Wir Zeit messen
2. Theoretische Grundlagen
Um auf die verschiedenen Kalenderarten eingehen zu können, muss man erstmal verstehen, wie man überhaupt dazu gekommen ist die Zeit zu hinterfragen. Die Grundlagen dafür sind notwendig und diese werden im Folgenden behandelt. An welchem Punkt haben sich die Menschen gefragt, wie viel Uhr es ist? Unter Punkt 2 werden nun die Grundlagen der Zeitrechnung erklärt und die Geschichte des Kalenders.
2.1. Die Grundlagen der Zeitrechnung
Zeitrechnung ist etwas, was die Menschen schon eine lange Zeit beschäftigt hat. Darunter gehören auch Entstehungstheorien der Erde. Wie alt ist die Erde wirklich? Auch das ist eine Zeitrechnung. Mit der Frage der Uhrzeit und des Datums kam auch die Frage zum wahren Alter der Erde vor der Menschheit auf.
Eine Entstehungstheorie ist zum Beispiel die Urknalltheorie (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Die Theorie besagt, dass „[…] unser Universum vor etwa 13,7 Mrd. Jahren mit einer kosmischen „Explosion“ begonnen hat.“ (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Zuvor waren alle Materie und Energie auf einen einzigen Punkt unvorstellbar hoher Dichte konzentriert (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Die Zeitrechnung bezieht sich also nicht nur auf die Kalender, sondern auch um die Zeit vor der Menschheit selbst. Heute wissen wir mit verschiedensten Forschungen, wie z.B. Gesteinsanalysen und Analysen Radioaktiver Stoffe, dass die Erde ca. 4,5 Milliarden Jahre alt ist (Staubach 2017: 16-18).
Das ist nur eine von vielen anderen Theorien, die die Entstehung unseres Universums betreffen. Es gibt auch die Nebular-Hypothese, die besagt „[…], dass unser Sonnensystem aus einer rotierenden Wolke aus Gas und Staub hervorgegangen sei […].“ (Grotzinger & Jordan 2017: 216). Die eigentliche Frage ist aber, wie die Menschen selbst eine Zeitrechnung gefunden haben.
Früher war der Tag- und Nachtwechsel, der Wechsel der Jahreszeiten und die Mondphasen maßgeblich für den Lebensrhythmus der Menschen (Meyer 2008: 91). „In der Urzeit zählte der Mensch die Tage, seit denen er nichts gegessen hatte, wie viele Winter er gefroren oder Ernten er eingebracht hatte. Den Tag teilte die Sonne auf natürliche Weise in Morgen, Mittag, den Abend und die Nacht“ (Meyer 2008: 91). Die Menschen haben also keine genauen Uhrzeiten oder Kalender gehabt, um die Zeit zu messen.
Um die Zeit genauer messen zu können, hat man den eigenen Schatten gemessen, die man durch die Sonne gekriegt hat (Meyer 2008: 91). Daraus entwickelten sich auch verschiedenste Sonnenuhren, die einem die genaue Zeit sagte. Die Ägypter haben so eine Sonnenuhr gebaut, die den Tag von Sonnenaufgang bis Untergang in zwölf Stunden aufgeteilt hat (Hense 2017: 20). So gab es zum Beispiel die altrömische Hohlsonnenuhr (Meyer 2008: 95). Man konnte aber diese Uhren bei Dunkelheit oder dichter Bewölkung nicht ablesen (Hense 2017: 20). Als Ausweg dafür haben die Ägypter Wasseruhren genutzt: „Sie bestand im Wesentlichen aus einem wassergefüllten Gefäß, durch dessen Boden das Wasser heraustropfte. Mithilfe von Markierungen an der Gefäßwand ließ sich dann ablesen, um wie viel der Wasserspiegel gesunken und damit wie viel Zeit vergangen war.“ (Hense 2017: 20). Es gab auch Kerzen, die man an dem Verlust des Materials beim Abbrennen zur Zeitmessung genutzt hat (Hense 2017: 20).
Sonnenuhren waren aber sehr teuer und die römische Bevölkerung rief drei Mal am Tag die Zeit auf: hora tertia (Mitte des Vormittags), sexta (Mittagszeit) und nona (Mitte des Nachmittags) (Meyer 2008: 95). Zudem wurden der natürliche Sonnenaufgang und Sonnenunterfang auch berücksichtigt und so konnte man sich den Tag aufteilen (Meyer 2008: 95).
Die Uhr entwickelte sich somit immer weiter und das Verlangen nach genaueren Zeiten wurde immer größer (Hense 2017: 21). Heute werden Quarz-Funkuhren besonders oft genutzt und auch Atomuhren werden für die gesetzliche Zeit genutzt (Hense 2017: 21). Die Uhr, die wir heute kennen wurde maßgeblich von dem Verlangen nach einem geordneten Alltag geprägt und wurde so im Laufe der Zeit erfunden.
2.2. Geschichte des Kalenders
Laut Büntgen und Oppenheimer (2020: 1) sind Kalender durch die Signifikanz von Landwirtschaft, Jagen und Sammeln und Navigation hervorgekommen. Zusammen mit der Uhr sind Kalender maßgebend für den Alltag und somit auch ein wichtiger Punkt der Zeitrechnung. Das Wort Kalender kommt aus dem lateinischen (Kalandae) und ist das Wort für den ersten Tag des Monats (Lazar 2020: 2). Das aktuelle Kalendersystem leitet sich von verschiedenen Systemen und Kulturen ab (Lazar 2020: 2). Dass die Stunde in Minuten und Sekunden aufgeteilt wurde kam vom Sexagesimalsystem der Mesopotamier und der 24-Stunden-Tag entstand durch die Ägypter (Lazar 2020: 2). Die 7-Tage-Woche entstand laut Lazar aus dem alten Nahen Osten (Lazar 2020: 2). Man kann also keinen genauen Ort benennen, der den Kalender zu dem gemacht hat, den wir heute kennen. Es gab viele Einflüsse.
Im Folgenden wird über die julianischen Kalender und seine Geschichte berichtet, da der julianische Kalender der Vorgänger des gregorianischen Kalenders ist (Lazar 2020: 1). Dieser Kalender wurde von Julius Caesar 45 v. Chr. eingeführt und wurde bis in die 1500er Jahre genutzt und wird heute teilweise immer noch in manchen Ländern genutzt, sowie von der Orthodoxen Kirche (Lazar 2020: 1).
Vor dem Julianischen Kalender reformierte Numa Pompilius, der zweite König Roms, ca. 713 v. Chr. den bestehenden Kalender damit man auf eine bessere Einigung zwischen den Monaten und den Jahreszeiten kam (Sparavigna 2019: 2). Jedoch musste man bei diesem Kalender einen Schalttag einplanen, was von Priestern, die eine hohe Stellung hatten, durchgeführt wurde (Sparavigna 2019: 2). Jedoch wurde dies oft ausgenutzt: “Because a Roman magistrate’s term of office corresponded with a calendar year, “the power of intercalation was prone to abuse: the priests could lengthen a year in order to keep an ally in office, or shorten it when an opponent was in power.” (Sparavigna 2019: 2). Man konnte also den Kalender so umstellen, dass man das Jahr verlängern oder verkürzen konnte, je nach dem wer die Macht hatte in dem Jahr. Deshalb hat Julius Caesar seinen Kalender eingeführt, der 365 Tage und keine Verwirrung verbreitet hat (Sparavigna 2019: 2). „Unter Rückgriff auf das 283 v.Chr. durch das Dekret von Canopus reformierte äg. Sonnenjahr wurde das Julianische Jahr mit 365 Tagen angesetzt, dem alle vier Jahre ein Schaltjahr mit 366 Tagen folgte.“ (Mohn et al. 2011).
Wie man also sehen kann, hat der Kalender eine lange Geschichte, die man kurz gar nicht zusammenfassen kann. Die Zeitrechnung ist für den Alltag der Menschen heute wichtiger denn je und man fragt sich immer wieder, wo die genauen Wurzeln der Zeitrechnung liegen. Es gibt keinen genauen Punkt, denn die heutige Zeitrechnung kommt aus verschiedensten Kulturen.
3. Kalenderarten
Wie wir bereits festgestellt haben, richten sich die Menschen ihr Leben stark nach der Sonne und dem Mond. Auch die Kalender richten sich nach ihnen. Kalender werden aus den Einheiten Tag, Monat und Jahr gebildet (Xin & Aslaksen 2001: 3). Im Folgenden werden die drei verschiedenen Kalenderarten und ihre Unterschiede vorgestellt.
3.1. Solarkalender
Der Solarkalender ist, wie der Name schon sagt, abhängig von der Sonnenbewegung und ignoriert somit komplett die Mondbewegung (Xin & Aslaksen 2001: 8). Außerdem soll sichergestellt werden, dass die Jahreszeiten sich nicht verschieben und deswegen werden Schalttage genutzt (Xin & Aslaksen 2001: 8). Ein Beispiel für einen Solarkalender ist der gregorianische Kalender (Xin & Aslaksen 2001: 8). Die Standardeinheit für den Solarkalender sind Tage (Xin & Aslaksen 2001: 8). Die Einzelheiten für den gregorianischen Kalender werden noch genauer erläutert.
3.1. Lunarkalender
Der Lunarkalender folgt den Mondzyklen und ignoriert somit die Sonnenbewegung (Xin & Aslaksen 2001: 8). Lunarkalender stellen sicher, dass Konjuktion, die Sichtbarkeit des Halbmonds oder des Vollmonds den Monatsanfang bestimmen (Xin & Aslaksen 2001: 8). Das Mondlicht, das auf der Erde gesehen wird, ist Sonnenlicht, das von der grauen Oberfläche des Mondes reflektiert wird (NASA Solar System Exploration 2019).
Die Mondphasen ändern sich über den Monat hinweg, da der Mond die Erde umkreist und die Erde umkreist die Sonne (NASA Solar System Exploration 2019). Die NASA definiert den Neumond wie folgt: „Wenn Sonnenlicht von der anderen Seite des Mondes fällt – der Seite, die wir ohne die Hilfe eines Raumfahrzeugs nicht von der Erde aus sehen können – wird es Neumond genannt“ (NASA Solar System Exploration 2019). Wenn das Sonnenlicht von der nahen Seite reflektiert wird es ein Vollmond (NASA Solar System Exploration 2019). Der Mondzyklus hat eine bestimme Reihenfolge, der sich alle 29,5 Tage wiederholt: Neumond, Zunehmender Sichelmond, Zunehmender Halbmond (Erstes Viertel), Zunehmender Dreiviertelmond, Vollmond, Abnehmender Dreiviertelmond, Abnehmender Halbmond (Letztes Viertel) und Abnehmender Sichelmond (NASA Solar System Exploration 2019). In der heutigen Zeit benutzt der islamische Kalender den Mondkalender (Mohn et al. 2011).
3.3. Lunisolarkalender
Der Lunisolarkalender folgt sowohl dem Mond als auch der Sonne. Der Kalender soll dem tropischen Jahr oder auch Sonnenjahr genannt sich annähern in dem er Schaltmonate hinzufügt (Xin & Aslaksen 2001: 9). Laut Lazar ist das tropische Jahr die Zeit, die die Erde braucht, um die Sonne einmal zu umkreisen und somit hat man einen vollen Zyklus von einer Sommersonnenwende zur nächsten (2020: 3). Die Standardeinheit der Lunisolarkalender ist der Mondmonat, der 12 Monate geht (Xin & Aslaksen 2001: 9). Ein 13. Monat wird als Schaltmonat ca. alle drei Jahre hinzugefügt, damit der Kalender den Jahreszeiten entspricht (Xin & Aslaksen 2001: 9). Ein Beispiel für den Lunisolarkalender wäre der chinesische Kalender (Ben-Dov et al. 2012: 349).
4. Kalender
Im Folgenden werden Beispiele für die drei oben beschriebenen Kalender vorgestellt. Diese drei sind recht häufig genutzte Kalender unserer Zeit.
4.1. Gregorianischer Kalender
Der gregorianische Kalender, auch bekannt als der christliche Kalender, ist ein international akzeptierter gesetzlicher Kalender, der sich aus Tagen, Monaten und Jahren zusammensetzt (Lazar 2020: 1). Wie schon erwähnt ist der gregorianische Kalender ein Solarkalender und richtet sich nach der Sonnenbewegung (Lazar 2020: 2). Ein Jahr hat 365 Tage und insgesamt 97 Schalttage alle 400 Jahre (Lazar 2020: 1). Jedes Jahr, das durch vier teilbar ist, ist ein Schaltjahr, aber jedes Jahr, das durch 100 teilbar ist, ist kein Schaltjahr (Lazar 2020: 1). Jedes Jahr, das durch 400 teilbar ist, ist ein Schaltjahr (Lazar 2020: 1). Demnach sind beispielsweise Jahre, wie 1700 oder 1800 kein Schaltjahr, aber die Jahre 1600 oder 2000 ein Schaltjahr (Lazar 2020: 1). Ein Schaltjahr ist es dann, wenn der Februar 29 statt 28 Tage hat (Wahyuni et al. 2019: 1).
Der Kalender wurde vom Physiker Aloisius Lilius vorgeschlagen und von Papst Gregor XIII im Februar 1582 eingeführt bzw. reformiert (und nach ihm benannt), denn der gregorianische Kalender ist der Nachfolger des julianischen Kalenders (Lazar 2020: 1). Einheitlich wurde der Kalender im späten 18. Jahrhundert in Europa verbreitet und genutzt (Lazar 2020: 1). Die letzten Länder, die den Kalender eingeführt haben, sind: Türkei (1917), Russland (1918), Jugoslawien, Rumänien (1919) und Griechenland (1923) (Cohen 2000: 6). Manche Länder benutzen für religiöse Feiertage immer noch den julianischen Kalender (Lazar 2020: 4). Beispielsweise in Griechenland, Russland, Serbien und Bulgarien ist Weihnachten und Ostern ungefähr 2 Wochen früher als in der westlichen Welt (Lazar 2020: 4). In der Physik, Astronomie und Navigation wird das tropische Jahr genutzt und nicht der gregorianische Kalender (Lazar 2020: 3).
4.2. Islamischer Kalender
Der islamische Kalender ist ein Lunarkalender und folgt den Mondzyklen und Mondphasen (Wahyuni et al. 2019: 1). Der islamische Kalender ist auf das Jahr (im gregorianischen Kalender) 622 zurückzuführen (Mohn et al. 2011). Vorher wurde ein Lunisolarkalender genutzt und ein 13. Schaltmonat, doch der Prophet Mohammad hat vor seinem Tod angekündigt nur noch den Mondkalender zu nutzen und somit galt der Mondkalender für alle Muslime (Mohn et al. 2011). Der 14. Januar 2021 wäre im islamischen Kalender 30. Dshumada ‚l-Ula 1442 – also im islamischen Kalender wären wir im Jahr 1442.
Der islamische Kalender hat 12 Monate und ein Jahr hat 354 oder 355 Tage (Wahyuni et al. 2019: 1). Demnach verschiebt sich der islamische Kalender immer ca. 11 Tage jedes Jahr im Vergleich zum gregorianischen Kalender (Mohn et al. 2011). Die 12 Kalendermonate im islamischen Kalender heißen wie folgt: Safar, Rabiul awal, Rabiul akhir, Jumadil awal, Jumadil akhir, Rajab, Sya’ban, Ramadan, Syawal, Dzulkaidah und Dzulhijjah (Wahyuni et al. 2019: 1). Jeder Monat fängt ab dem Zeitpunkt an, an dem der Mond auf einer geraden Linie zwischen Sonne und Erde liegt (Wahyuni et al. 2019: 1). Somit haben die Monate 29 oder 30 Tage und es gibt keine bestimmte Reihenfolge, wann der Monat wie viele Tage hat (Wahyuni et al. 2019: 1). Der islamische Tag beginnt bei Sonnenaufgang und ein neuer Monat beginnt im islamischen Kalender bei der Sichtung des Hilals, der Mondsichel, kurz nach Sonnenuntergang (Wahyuni et al. 2019: 1). Wenn die Mondsichel nicht direkt nach Sonnenuntergang des 29. Tages gesichtet wird, dann fängt nicht der neue Monat an, sondern der aktuelle Monat hat 30 Tage statt 29 (Wahyuni et al. 2019: 1).
Also weiß man, dass die Sichtung der Mondsichel besonders wichtig ist für den Kalender, da er bestimmt, ob der nächste Monat nun anfängt oder nicht. Dies ist besonders wichtig, da so muslimische Feste jedes Jahr auf ein neues Datum fallen. Besonders wichtig ist der 9. Monat Ramadan, da die muslimische Bevölkerung genau wissen muss, wann sie mit dem Fastenmonat beginnen müssen und wann er endet (Xin & Aslaksen 2001: 9). Somit eignet sich der islamische Kalender nicht für Zwecke, wie Landwirtschaft, da er nicht mit den Jahreszeiten vereinbar ist und ca. 11 Tage kürzer ist als unser Kalender (Mohn et al. 2011). Er ist eher für religiöse Zwecke gedacht.
4.3. Chinesischer Kalender
Der chinesische Kalender ist ein Lunisolarkalender und hat eine über 3000 Jahre alte Geschichte (Ben-Dov et al. 2012: 349). Der Monatsanfang wird beim chinesischen Kalender, wie beim normalen Lunarkalender, von der Mondphase bestimmt (Ben-Dov et al. 2012: 349). Der Jahresanfang wird jedoch vom tropischen bzw. vom Solarjahr bestimmt (Ben-Dov et al. 2012: 349). Der chinesische Kalender beinhaltet 12 Mondmonate und jeweils ein Schaltmonat ca. alle 3 Jahre (Aslaksen 2010: 11). Es ist auch wichtig anzumerken, dass der Kalender eine Kombination von Solarkalender und Lunisolarkalender ist (Aslaksen 2010: 19).
Der chinesische Solarkalender ist in 24 Hauptabschnitte (jiéqì) aufgeteilt und wird auch Bauernkalender genannt (Aslaksen 2010: 19). Der Solarkalender des chinesischen Kalenders fängt immer an der Sonnenwende im Dezember an (Aslaksen 2010: 19). Die 24 Teile des Bauernkalenders geben an, wann die Jahreszeiten ungefähr sind und sie geben auch an, wie das Wetter zu den bestimmten Zeiten wird (Aslaksen 2010: 14). Als Beispiel von einem der 24 Aufteilungen J2: Jīngzhé: Erwachen der Insekten am 6. März (Aslaksen 2010: 14). Der Solarkalender folgt dem tropischen Jahr und eignet sich somit auch für Agrarwirtschaft, der Lunisolarkalender jedoch nicht (Aslaksen 2010: 19).
Abb. 2: Die 24 Hauptabschnitte (Jiéqì) (Aslaksen 2010: 14)
Der Lunisolarkalender beginnt am chinesischen Neujahr und hat 12 oder 13 Monate, je nach Jahr (Aslaksen 2010: 19). Somit gibt es laut dem Kalender zwei verschiedene Jahre, die sich suì und nián nennen (Aslaksen 2010: 19). Suì bezeichnet das Solarjahr, das von einer Dezember Sonnenwende zur nächsten geht und nián bezeichnet das Jahr, das beim chinesischen Neujahr beginnt bis zum nächsten Neujahr (Aslaksen 2010: 19).
Da ein chinesisches Jahr 12 oder 13 Mondmonate haben kann, haben sie entweder 29 oder 30 Tage (Aslaksen 2010: 19). Die Länge von einem nián kann deshalb 353, 354 oder 355 Tage haben, wenn es ein normales Jahr ist und 383, 384 oder 385 Tage, wenn es ein Schaltjahr ist (Aslaksen 2010: 19). Aufgrund des Schaltmonats fällt das chinesische Neujahr immer zwischen dem 21. Januar und dem 20. Februar (Aslaksen 2010: 29).
5. Fazit
Es gibt viele weitere Kalender auf der Welt und hier wurden nur drei Stück vorgestellt. Zusammenfassend kann man sagen, dass der gregorianische Kalender für unsere Nutzung am meisten Sinn ergibt. Der islamische Kalender wird beispielsweise eher für religiöse Zwecke genutzt als für den Alltag. Alle Kalender haben eine lange Geschichte und auch seinen eigenen Zweck. Für die Chinesen hat Neujahr eine große Bedeutung und das Datum wird anhand ihres Kalenders berechnet.
An der Zeitrechnung erkennt man auch, wie sehr der Mensch an die Natur und vor allem an Sonne und Mond gebunden ist. Ein geordneter Alltag wäre nicht möglich ohne unsere Uhren und Kalender. Nicht jeder Kalender ist besonders funktionell, jedoch haben Kalender, wie der islamische Kalender kulturell und religiöse Hintergründe. Unser Kalender und unsere Erde hat alle eine lange Geschichte, die uns zu Erkenntnissen der Vergangenheit führen. Mit der Geschichte können wir uns vorstellen, wie die Menschen früher gelebt haben. Es gibt bestimmt noch vieles, dass wir nicht wissen, aber mit Studien über unsere Vergangenheit lernt man noch eine Menge dazu.
6. Literaturverzeichnis
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Ben-Dov, J.; Horowitz, W.; Steele, J. (2012): Living the lunar calendar.
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Grotzinger, J.; Jordan, T. (2017): Die Entwicklung der terrestrischen Planeten. In: Press, F.; Siever, R.; Grotzinger, J.; Jordan, T. (Hg.): Press/Siever Allgemeine Geologie. 7. Aufl., Berlin, Heidelberg: 215–241.
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Polarlichter oder auch aurora borealis (Nordhemisphäre), aurora australis (Südhemisphäre) (vgl. article aurora) faszinieren die Menschen schon seit Jahrhunderten und ihre Erklärungsversuche gehen weit in die Vergangenheit über verschiedene Ansätze zurück. Um bis zur heutigen physikalischen Erklärung zu gelangen hat es etliche Theorien und Forschungsansätze gebraucht. Heute weiß man, dass das Polarlicht aus Ionen und Elektronen besteht, die zu leuchten beginnen und somit wie ein bunter Nebel an den Polen sichtbar sind. Sie sind dabei das Ergebnis von Sonnenwinden und deren Strahlungsauswirkung auf das Erdmagnetfeld. Was das genau bedeutet, wie ein solcher physikalischer Prozess abläuft und was das für Auswirkungen hat, wird im Folgenden erklärt.
2. Das Polarlicht – ein Beispiel der astronomischen Strahlungseinflüsse auf die Erde
Es gab über die Jahrhunderte verschiedenste Ansätze zur Erklärung des Polarlichts. Alles fing mit Mythen, Sagen und dem angeblichen Beweis göttlicher Existenz an. Viele vage Theorien entstanden im Laufe der Zeit, insbesondere physikalische Ansätze entwickelten sich. Einer dieser Ansätze bestand darin, dass das Polarlicht im Zusammenhang mit Elektrizität stehen könnte – obwohl man zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht wusste, was Elektrizität überhaupt war. Ende des 19. Jahrhunderts verstand man jedoch, dass Elektrizität mit der Existenz von Ionen und Elektronen zusammenhängt und ein Strom von Ladungsträgern darstellt. Diese Ladungsträger können Gas zum Leuchten anregen, was ein Meilenstein in der Erklärung des Polarlichts darstellte (Schlegel 2011: 111). Weitere Fortschritte zur Erklärung des Polarlichts lieferte der norwegische Forscher Kristian Birkeland Anfang des 20. Jarhunderts. Er bewies mit einem Experiment, in dem er eine magnetisierte Kugel mit fluoreszierender Farbe beschoss, dass die Pole unter bestimmten Umständen zu leuchten beginnen und elektrisch geladene Teilchen der Grund dafür sind. Lediglich die Annahme Birkelands, dass die Teilchen von der Sonne kämen, wurde später revidiert (Birkeland 1913: 667).
In der Geschichte der Polarlichter hingegen geht es um besonders auffällige Polarlichtereignisse oder welche, die in historischen Quellen zu finden sind, wie in der Bibel oder antiken Schriften (Schlegel 2011: 33ff.). Auffällig bei egal welchen Geschichten ist, dass die Polarlichter oft als Feuer im Himmel angesehen werden und teilweise mit dem Erscheinen von Murmel- oder Trommellauten verbunden sind. Die Erklärung des Feuers am Himmel lässt sich leicht mit den verschiedenen Formen und Farben des Polarlichts deuten, das Dasein von Geräuschen wird jedoch bis heute von Naturwissenschaftlichen angezweifelt und in neuen Projekten genauer untersucht.
Die Formen und Farben von Polarlichtern können variieren. Eine der häufigsten Formen, aus der sich teilweise auch andere ergeben, ist die des ruhigen Bogens, der grünlich am Himmel steht. Dieser Bogen kann sich je nach Strahlungseinfluss in verschiedene Formen und Farben wandeln. Weitere häufige Formen sind spiralähnliche Gebilde oder der so genannte Polarlichtvorhang (Schlegel 2011: 21 ff.). Dabei sind neben der grünlichen Farbe auch noch rote oder violette changierende Farbverläufe möglich. Die extremen Farb- und Formverläufe finden sich dabei in der Regel erst ab dem 60 Breitengrad wieder. Neben dem Stand des Betrachters spielt aber auch die Höhe der sich bewegenden Teilchen eine Rolle. Je nach Höhe verändert sich hierbei die Farbe. Grüne und Violette Farbtöne finden sich überwiegend in einer Höhe von 100-250 km über NN – rote Farbtöne liegen bei weitem höher in etwa 150-400 km Höhe (Schlegel 2011: 138ff.)
3. Das Erdmagnetfeld
Das Erdmagnetfeld umgibt die Erde ähnlich wie es bei einem Stabmagneten der Fall ist – in der Forschung spricht man wegen der zwei Pole von einem Dipolfeld. Wichtig ist dabei, dass es sich bei der weiteren Nutzung des Begriffs „Pol“ nicht um die beiden geographischen Pole (Nord- und Südpol) handelt, sondern um die erdmagnetischen Pole (Liebenstein 2016: 336). Innerhalb dieses großen Magnetfeldes gibt es auch noch ein schwächeres, das durch Ströme der Ionons- und Magnetosphäre ausgelöst wird und für das Polarlicht verantwortlich ist (Schlegel 2011: 104f.). Die Existenz der Ionosphäre wurde 1902 durch Arthur Kennelly und Oliver Heaviside nachgewiesen. Es handelt sich in erster Linie dabei um eine in der oberen Atmosphäre liegenden leitenden Schicht und wurde, ohne es zu wissen, als Übertragungsmedium von Nachrichten von den Kontinenten Europa und Nordamerika genutzt. Diese so genannte Kennelly-Heaviside-Layer wurde erst 1947 von Sir Edward Appleton mithilfe von Radiowellen tatsächlich nachgewiesen (Schlegel 2011: 115).
Die Sonne besitzt ebenso wie die Erde ein Magnetfeld (interplanetares Magnetfeld), was jedoch im Vergleich zu dem der Erde sehr schwach ist. Außerdem herrschen auf der Sonne durch die Kraft der Kernfusion im Inneren verschiedene Winde, die wir als Sonnenwinde bezeichnen. Diese Sonnenwinde verteilen sich durch den Weltraum und treffen somit auch die Erde, welche jedoch durch das Erdmagnetfeld stark vor den Sonnenwinden geschützt ist. Durch den Effekt, wie es bei einem Stabmagneten der Fall ist (Lorentzkraft), werden die Sonnenwinde in Richtung der Pole abgewandt. Dabei ist es möglich, dass über die Feldlinienverschmelzung Elektronen aus dem Sonnenwind in die Magnetosphäre der Erde eindringen.
Innerhalb dieses Magnetfelds bilden diese Elektronen dann mit den vorhandenen Ionen ein Teilchenreservoir. An dem Punkt, wo es zu der Feldlinienverschmelzung kommt, treten daher besonders häufig Polarlichter auf. Man muss sich das ganze wie eine Art Dynamo vorstellen, weil durch das Eintreten der Elektronen in die Magnetosphäre die Teilchen beschleunigt werden und durch die Hitze beginne zu leuchten. Deutlich wird dieser beschriebene Prozess in Abbildung 1 (Schlegel 2011: 155ff.)
Abb. 3: (Schlegel 2011: 156)
Besondere Polarlichtereignisse treten daher dann auf, wenn sich auf der Sonne besondere Ereignisse z.B. Sonnenstürme. Sonnenstürme sind explosionsartige Eruptionen, die Gasblasen in den Weltraum freisetzen. Wir erkennen diese als seltsame Flecken auf der Sonne und bereits im 19. Jahrhundert wurde ein Zusammenhang der Flecken mit dem Polarlicht festgestellt (Schlegel 2011: S. 108). Die Sonnenstürme verursachen beim Auftreffen auf das Erdmagnetfeld so starke Verformung des Erdmagnetfeldes, dass es sogar möglich wird, Polarlichter in unseren geographischen Breiten (z.B. in Mitteleuropa) zu beobachten. Das letzte Polarlicht, dass wir hier in Deutschland mit dem bloßen Auge sehen konnten, ereignete sich in der Nacht vom 3. auf den 04. August 2010 (Schlegel 2011: 164 ff.).
5. Weitere Auswirkungen anderer Strahlungseinflüsse
Auch andere Teilchen und Strahlungen gehen von der Sonne aus, nicht nur die Sonnenwinde. Diese Strahlungen nennt man: Wärmestrahlung, Licht, Ultraviolettstrahlen und Röntgenstrahlen (siehe Abb. 2). Unser irdisches Wetter wird dabei insbesondere von der Wärmestrahlung und dem sichtbaren Licht beeinflusst, die durch die Absorption in der Troposphäre Temperatur- und Druckunterschiede entstehen lassen. Man könnte also sagen, ohne Strahlungseinflüsse hätten wir hier unten auf der Erde große Schwierigkeiten zu überleben (Völkle 2011: 77).
Abb. 4: (Schlegel 2011:172)
Das Polarlicht bildet jedoch nicht den einzigen nachweislichen Weltraumwettereffekt, den wir kennen. Unsere Erde umgibt z.B. ein Stromsystem in der Magnetosphäre, den polaren Elektrojet. Dieser ist u.a. die Primärspule für unseren Wechselstrom dar. Damit kann das Weltraumwetter einen enormen Einfluss auf unsere Elektrogeräte auslösen und diese theoretisch sogar unbrauchbar machen (siehe Abb. 3). Ein Beispiel dafür ist der Sonnensturm im März 1989, der das komplette Stromnetz der Province Quebec in Kanada unterbrach (Schlegel 2000: 222-226).
Abb. 5: (Schlegel 2011: 178)
Neben Einflüssen der Sonne auf das Weltraumwetter, gibt es jedoch auch noch viele weitere wie den Einfluss der UV-, Röntgen- und Gammastrahlung der Milchstraße auf unser Leben auf der Erde. Auch von der Milchstraße gehen diese Wellen aus und bedingen damit ebenfalls das Erdmagnetfeld (Schlegel 2011: 184). Leider kann man all diese Ereignisse des Weltraumwetters bisher noch nicht zuverlässig vorhersagen, auch wenn in den letzten Jahren enorme Fortschritte erreicht wurden.
6. Forschungsprojekte
6.1. Forschungsprojekt 1: Polarlichter und Geräusche
Immer wieder berichten Augenzeugen von Geräuschen während des Betrachtens der Polarlichter. Diese reichen von einem Knall über Trommelwirbel bis hin zu einem Rauschen. Bisher wurde davon ausgegangen, dass es sich bei den Geräuschen um Täuschungen handelt, jetzt wurden und werden diese jedoch genauer untersucht (Lenz 2013).
Mittlerweile gehen Forscher davon aus, dass es für das Wahrnehmen der Geräusche verschiedene Voraussetzungen wie die Intensität des Sonnenwindes und der aktuellen Wetterlage bedarf. So wie der bisherige Stand der Forschung ist, sieht es so aus, als würde kurz vor dem Auftreten der Geräusche eine Art elektrische Entladung, mit einem Gewitter vergleichbar, auftreten (Meyer 2020).
6.2. Forschungsprojekt 2: Die Gefahr durch Sonnenstürme für unsere Erde
Mittlerweile ist bekannt, dass Sonnenstürme insbesondere unsere Elektronik stark beeinflussen können. Ein Beispiel dafür wurde bereits erwähnt, der Stromausfall 1989 in Kanada. Ziel der heutigen Forschung ist es herauszufinden, wie man solche enormen Wetterereignisse im Weltraum vorhersagen kann, um uns bestmöglich dagegen zu schützen – soweit dies überhaupt möglich ist. Was wir bisher über die Sonnenstürme wissen ist nicht viel: Sie lösen in erster Linie keine drastischen Gesundheitsschäden aus, unsere Telekommunikation und Elektronik wird stark beeinflusst und alle 100 bis 200 Jahre tritt ein besonders starker Sonnensturm auf. Grund dafür ist stets eine große Eruption auf der Sonne, die den sonst normalen Sonnenwind in einen Sturm verwandelt (mdr 2019).
7. Fazit
Festzuhalten bleibt, dass die Strahlung innerhalb des Weltraums, insbesondere ausgehend von der Sonne, einen großen Einfluss auf unser Leben nimmt. Zum Glück können wir sagen, dass wir durch verschiedene physikalische Mechanismen der Atmosphäre gut gegen diese Einflüsse geschützt sind, da ein Leben auf der Erde sonst nicht möglich wäre. Ein für den Menschen mit bloßen Augen sichtbares physikalisches Ereignis ist das Polarlicht. Dieses hängt mit verschiedenen physikalischen Einflüssen im Weltraumgeschehen zusammen und veranschaulicht diesen Prozesse daher sehr gut, weshalb ich meinen Fokus der Arbeit daraufgelegt habe.
Schlegel, Birgit; Schlegel, Kristian (2011): Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit. Kulturgeschichte und Physik einer Himmelserscheinung. Heidelberg.
Schlegel, K.: Wenn die Sonne verrückt spielt. Physik in unserer Zeit, 5, 222–226, 2000. von Liebenstein, Reinhard (2016): Das magnetische Feld. In: Plaßmann, W.; Schulz, D: Handbuch Elektrotechnik. Wiesbaden.
Völkle, H. (2011): Die kosmische Strahlung. In: Bulletin der Naturforschenden Gesellschaft Freiburg. Band 100. S. 75-109.
Augsburger Allgemeine (2014): Was ist ein Sonnensturm – wie gefährlich ist er?: https://www.augsburger-allgemeine.de/wissenschaft/Was-ist-ein-Sonnensturm-wiegefaehrlich-ist-er-id31309822.html.
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Meyer, G. (2020): So entstehen die Klänge des Nordlichts: https://www.welt.de/wissenschaft/article178259152/Polarlichter-Warum-erzeugensie-manchmal-Klaenge.html.
Simpleclub (2014): Die Lorentzkraft & Die Linke-Hand-Regel: https://www.youtube.com/watch?v=snM3g4zWeNw.
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Zgrzendek, D. (2020): Können Polarlichter gefährlich werden?: https://sonnensturm.info/koennen-polarlichter-gefaehrlich-werden-6142.
Die Atmosphäre der Erde ist eine Hülle aus Gasen und suspendierenden Partikeln und lässt sich als Schutzhülle unseres Erdballs verstehen (Klose 2008: 10). Diese Hülle ist das Resultat eines Gleichgewichts zwischen der Schwerkraft und einer Eigenbewegung der Atome (Klose 2008: 9).
Dabei lässt sich die Atmosphäre beim Aufbau auf zwei Arten betrachten: einmal den vertikalen Aufbau und einmal die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre selbst.
1.1 Der Ursprung der Atmosphäre
Über den Ursprung der Atmosphäre lässt sich, genauso wie über den Ursprung der Erde selbst, nur spekulieren. Laut Kosmologen war die Erde nach dem Urknall ein feuriger Ball, der mit einer heißen Gashülle um die Sonne kreiste (Saha 2008: 9). Diese Gashülle wird auch als Urnebel angesehen (Kappas 2009: 71). Danach geht man davon aus, dass eine rasche Abkühlung erfolgte, was dazu führte, dass sich einerseits durch Kondensation die Ozeane und Wasserflächen bildeten, andererseits Stoffe in Gestein eingeschlossen wurden. Der Rest blieb als Gashülle zurück und ermöglichte ein Leben auf der Erde (Saha, 2008: 9). Die Atmosphäre der Erde ist also das Produkt einer langen Entwicklung.
1.2 Der vertikale Aufbau
Die Atmosphäre kann man sich bildlich als einen Kuchen mit mehreren Etagen und Füllungen dazwischen vorstellen. Insgesamt gibt es 5 Schichten in der Atmosphäre (Kappas 2009: 72ff.).
Vom Erdboden aus kommt als erstes die Troposphäre, an den Polen reicht sie nur fünf Kilometer in die Höhe, am Äquator wächst die Höhe auf bis zu 17 Kilometer an (Kappas 2009: 73). In der Troposphäre spielt sich das gesamte pflanzliche und tierische Leben, sowie das Wetter ab (Kappas 2009: 73). Sie ist von der Höhe her gesehen die dünnste der Schichten, hat jedoch die höchste Dichte. In ihr befinden sich 90% der gesamten Erdluftmasse (Kappas 2009: 73). Die Grenze zur nächsten Schicht bildet die Tropopause (Kappas 2009:73). Auf die Troposphäre folgt die Stratosphäre. Sie bildet mit der Mesosphäre die mittlere Atmosphäre (Kappas 2009: 73). Die Stratosphäre reicht bis zu 50 Kilometer über den Erdboden (Saha 2008: 20) und ist somit ca. 35 Kilometer mächtig. Die auf die Stratosphäre mit ihrer Stratopause folgende Mesosphäre reicht bis etwa 80 Kilometer in die Höhe und hat somit eine Mächtigkeit von gut 30 Kilometern (Saha 2008: 20). Nach der Mesopause folgt die letzte Schicht, die Thermosphäre (Saha 2008: 20). Darüber folgt der Übergang in das Weltall (Kappas 2009: 73).
Abbildung 1
1.3 Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Stickstoff mit 78,09%, Sauerstoff mit 20,95%, Agron mit 0,93% und Kohlendioxid mit 0,035% (Kappas 2009: 71). Die restlichen Bestandteile werden als Spurenelemente zusammengefasst, da ihr Anteil sehr gering ist; zu nennen sind hier aber Neon, Helium und Ozon (Kappas 2009: 71). Interessant ist, dass ca. 99% der gesamten Masse in der Troposphäre zu finden sin (Klose 2008: 10).
Abbildung 2
Um die jeweiligen Anteile der einzelnen Stoffe besser und anschaulicher darzustellen, gibt es die sogenannte Säulenhöhe. Diese gibt an, wie hoch ein komprimiertes Gas unter Normalbedingungen wäre, Normalbedingungen sind dabei 0°C und 1013hPa (Wagner, Walter 2017: 16). Das nebenstehende Diagramm zeigt, dass Stickstoff 6250 Meter hoch wäre und Sauerstoff 1670 Meter. Zu Argon liegt schon ein gigantischer Sprung auf nur 74 Meter, gefolgt vom Wasserstoff mit 35 Metern. Der Anteil des Ozons ist so gering, dass es eine Säulenhöhe von gerade mal 0,035 Metern erreicht (Wagner, Walter 2017: 16). Da der Anteil des Ozons so gering ist, wird es meistens in der Einheit Dubson Unit (DU) angegeben, da es trotzdem sehr wichtig ist (Kappas 2009: 72). 1000 Du entsprechen dabei einem Zentimeter der Ozonsäulenhöhe. Das Ozon hat somit eine DU von ca. 300 DU (Kappas 2009: 72).
2. Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
Für den Strahlungshaushalt der Atmosphäre sind zwei Größen von besonderer Bedeutung, einmal die solare Einstrahlung der Sonne, auch Solarstrahlung genannt, und die thermische Strahlung von der Erde selbst.
2.1 Thermische Strahlung
Bei der Atmosphäre handelt es sich um ein Kollektiv an Atomen und Molekülen, die miteinander in Wechselwirkung aber auch einem thermischen Gleichgewicht stehen und so thermische Strahlung emittieren. (Wagner, Walter 2017: 5)
Die thermische Strahlung geht von der Erdoberfläche und der Atmosphäre selbst aus und hat eine Wellelenlänge von ca. 10 Nanometer oder kurz nm (Wagner, Walter 2017: 1). Die thermische Strahlung wird entweder von der Erde und Atmosphäre selbst wieder absorbiert oder in das Weltall ausgestrahlt. Dabei gilt, dass ein Gas nur so viel Strahlung absorbieren kann, wie es auch aufnehmen kann (Wagner, Walter 2017: 5).
2.2 Solare Einstrahlung
Die solare Einstrahlung ist eine der wichtigsten Komponenten des auf der Erde möglichen Lebens, da sie die Voraussetzung für die Temperaturverteilung in der Atmosphäre ist (Kappas 2009: 74).
Bei der solaren Einstrahlung, kurz Solarstrahlung, handelt es sich um die von der Sonne kommende Strahlung. Die mittlere solare Einstrahlung liegt bei ca. 342 Watt pro Quadratmeter (Kappas 2009: 74). Da die Umlaufbahn der Erde elliptisch und nicht kreisförmig ist, besitzt die Solarstrahlung einen Jahresgang und einen Korrekturwert von 1,033 zum Perihel (sonnennächster Punkt) und 0,967 zum Aphel (sonnenfernster Punkt) (Kappas 2009: 74).
Da die Solarstrahlung bis in die Stratosphäre vordringen kann, ist sie ein wichtiger Baustein bei der Ozonproduktion, da sie diese anregt (Kappas 2009: 74; Klose 2008: 14).
2.3 Absorption und Streuung von Strahlung
In der Atmosphäre sind vor allem Ozon und Wasserdampf für die Absorption verantwortlich. Während der Wasserdampf und strahlungsaktive Gase die langwellige thermische Strahlung absorbieren, streuen und absorbieren das Ozon und die anderen Aerosole 18 % der solaren Strahlung als auch der UV-Strahlung (Kappas 2009: 78). Da die strahlungsaktiven Gase und das Ozon die Strahlung auch wieder abgeben, wird ein Teil ins Weltall abgegeben und der andere Teil als Himmels- und Gegenstrahlung zurück zur Erde gestrahlt. Diese Rückstrahlung wird auch Treibhauseffekt genannt (Kappas 2009: 78). Die Atmosphäre schütz somit vor der UV-Strahlung und sorgt dafür, dass genug der eigenen thermischen Strahlung innerhalb der Atmosphäre bleibt und zu globalen Temperaturen führt, die das Leben auf der Erde begünstigt.
3. Der Wärmehaushalt der Atmosphäre
Jede Schicht der Atmosphäre hat eine eigene Temperaturverteilung.
In der Troposphäre nimmt die Lufttemperatur proportional mit der Höhe ab, die tiefste Temperatur liegt hier bei -80°C (Wagner, Walter 2017: 73). Bei einer mittleren Temperatur von ca. 15°C an der Erdoberfläche, nimmt die Temperatur um 6,5°C pro Kilometer ab (Saha 2008: 20). Die Tropopause, also der Punkt der tiefsten Temperatur in ca. 15 Kilometern Höhe, bildet die Grenzschicht zur Stratosphäre (Wagner, Walter 2017: 85). Die Tropopause ist zeitgleich die Grenze der Wasserdampfsphäre (Saha 2008: 20). In der Stratosphäre steigt die Temperatur wieder auf bis zu 0°C (Saha 2008: 20). Grund für diesen Anstieg ist das in der Stratosphäre vorkommende Ozon, das die UV-Strahlung absorbiert, welche somit als Wärmequelle dient (Saha 2008: 20). Bei der Temperaturzunahme in der Stratosphäre muss man in die untere und obere Stratosphäre unterteilen, da in der unteren die Temperatur um ca. 0,5 Kelvin pro 100 Meter ansteigt und in der oberen um 2 Kelvin pro 100 Meter (Wagner, Walter 2017: 87). In der darüber folgenden Mesosphäre fällt die Temperatur auf bis zu -100°C und ca. 80 Kilometern Höhe. In der letzten Schicht, der Thermosphäre, erfolgt abermals ein Temperaturanstieg, da hier die ungefilterte Solar- und UV-Strahlung abgefangen wird (Saha 2008: 20).
Abbildung 3
4. Forschungsprojekte
4.1 Forschungsprojekt StratoClim
Bei dem Forschungsprojekt StratoClim handelt es sich um ein von der europäischen Kommission gefördertes Programm. Das Hauptziel von StratoClim ist die Verbesserung des Verständnisses der Schlüsselprozesse in der oberen Troposphäre und Stratosphäre, um zuverlässigere Projektionen des Klimawandels und des stratosphärischen Ozons zu erstellen. Grund dafür ist, dass es unzureichende Darstellungen der von komplexen Wechselwirkungen und Rückkopplungen gibt (Rex. 2020: o.S). Dazu gehören die natürlichen und anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen, Aerosolvorläufern, die atmosphärische Dynamik und chemische, sowie mikrophysikalische Prozesse (Abalos, Legras, Shuckburgh 2016: 1ff). Dazu sollen Prozesse, sowie deren Auswirkungen auf den Klimawandel besser verstanden werden.
Schlüsselkampagnen waren dabei Höhenflüge über den asiatischen Monsumgebieten mit innovativer und umfassender Nutzungslast (Unter Nutzungslast versteht man hier die Lasten, die die genutzten Transportmittel aufnehmen können) (Li, et al.2020: 1ff.), die Messung der Intensivität des tropischen stratosphärischen Ozons (Bossay, et al. 2015: 96 ff.), sowie neu entwickelte Satellitenprogramme.
4.2 Forschungsprojekt Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP)
Das SHARP Projekt befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen der Atmosphärenchemie und dem Klimawandel und möchte das Verständnis und die Fähigkeit zur Vorhersage des Klimawandels mit der Wechselwirkung mit der Stratosphäre verbessern. Dazu wurde der Fokus auf die quantitative Erkennung, Zuordnung und Vorhersage von Veränderungen in der Stratosphärendynamik gelegt (Kircher. 2020: o.S.).
5. Fazit
Die Atmosphäre ist mehr als nur Luft. Ohne sie wäre jegliche Art von Leben auf der Erde nicht möglich: Einmal, weil sie buchstäblich unsere Luft zum Atmen ist, aber auch weil sie uns durch ihre Streuung und Absorption vor der solaren und UV- Strahlung schützt. Und obwohl schon sehr viel von ihr erforscht ist, gibt es immer wieder neue Ansätze für Forschungsprojekte und so ist die Faszination für die Atmosphäre und ihre Eigenschaften bis heute ungebrochen. Der Mensch möchte sie bis ins kleinste Detail verstehen und ihre Veränderungen vorhersagen können, nicht nur was das Wetter betrifft, denn schon eine kleine Veränderung kann vielleicht großen Schaden folgen lassen.
Kirchner, I. (2020): SHARP – Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction https://www.geo.fu-berlin.de/en/met/sharp/index.html [08.01.2021]
Klose, B. (2008): Meteorologie. Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre. Berlin, Heidelberg.
Abbildung 2 selbst erstellt mit daten von Kappas, M. (2009): Klimatologie. Klimaforschung im 21.Jahrhundert – Herausforderung für Natur- und Sozialwissenschaften. Heidelberg.
Abbildung 3 Wagner, T.; Walter, R. (2017): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 5. Aufl., Berlin, Heidelberg.
Abbildung 1 Das elektromagnetische Strahlungsspektrum
Einleitung in die Thematik Strahlung im Alltag und Relevanz des Themas für Mensch und Erde
Theoretische Grundlagen
Strahlungsspektrum der Sonne
Entstehung von Strahlung
Forschungsprojekt
Fazit
Literaturverzeichnis
1. Relevanz für die Menschen und die Erde
Die Sonne ist ein essenzieller Baustein für das Leben auf der Erde. Wenn es die Sonne nicht geben würde, dann würde es auch kein Licht, keine Wärme und kein Leben auf dem Planeten Erde geben. Es wäre nicht mal klar, ob es überhaupt die Erde als Planeten geben würde. Aber wenn ja, dann würden sie keineswegs so aussehen, wie sie heute ausschaut (Hanslmeier 2016: 141). Unsere Sonn produziert eine gewaltige Energiemenge von 1,5 x 10⁹ kWh im Jahr. Diese Menge an Energie kann den Energiebedarf der Erde 10.000-mal decken. Solare Energie wird in Form von Wellen aus der Sonne abgesandt und erreicht die Erde. Der Grund, weshalb die Strahlungsenergie die Erde erreicht liegt am Medium Weltall. Der luftleere Weltraum ermöglicht der Strahlung sich ungehindert zu verbreiten und eine weite Entfernung problemlos zurückzulegen (Malberg 1997: 36). Trotzdem spielen weitere Faktoren, wie zum Beispiel die Tageszeit oder der Eintrittswinkel der Strahlen eine wichtige Rolle. Das hat zur Folge, dass bestimmte Bereiche unserer Erde mehr Sonnenenergie ausgesetzt sind als andere. Ein bekanntes Beispiel ist die Sahara-Wüste, die mehr als doppelt so viel Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, als Mitteleuropa. Das macht die Sahara zu einem guten Standort für Photovoltaikanlagen, die in Europa weniger effektiv sind. Die Sonne spielt eine wichtige Rolle für unsere Strom- und Energiegewinnung sowohl in der heutigen Zeit als auch in der Zukunft. Sonnenenergie wird immer relevanter, da sie eine erneuerbare und nachhaltige Energiegewinnung ermöglicht. Vor allem zur Zeit des Klimawandels und der Energiewende spielt die Sonne eine essenzielle Rolle für die Menschen, aber auch für die Natur und die Erde an sich (Zapreva, Stadler, Hammerling 2015: 524f).
FWU – Das elektromagnetische Spektrum – Trailer https://www.youtube.com/watch?v=KrgD7FmFUnE
2. Theoretische Grundlagen
Strahlung unterscheidet sich im wesentlich in Wellenlänge und Frequenz. Radiowellen und Mikrowellen haben eine relativ große Wellenlänge, die mehrere Centimeter oder auch hundert Meter lang sein können. Diese Arten von Strahlung kann der Mensch weder spüren oder in irgendeiner Weise wahrnehmen. Die Frequenz ist einfach zu niedrig, um den menschlichen Körper beeinflussen zu können. Nur bestimmte Wellenlängen kann der menschliche Körper Wärme auf der Haut spüren, jedoch nicht mit dem Auge wahrnehmen. Die einzigen Strahlen, die Menschen mit dem Auge wahrnehmen können, befinden sich im Bereich des sichtbaren Lichts. Es ist nur ein sehr winziger Bereich im elektromagnetischen Spektrum, der zwischen einer Wellenlänge von 0,4µm und 0,76µm liegt. Alle Wellenlängen, die unter oder oberhalb dieser Grenze liegen, können mit dem menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden. UV- Strahlung, Röntgenstrahlung und Gamma-Strahlung haben eine kleinere Wellenlänge als das sichtbare Licht und eine höhere Frequenz. Diese Arten von Strahlung nennt man auch „ionisierende Strahlung“, da sie die Fähigkeit haben Atome zu verändern. Sie haben so viel Energie, dass sie Atome und Moleküle zerlegen können und den menschlichen Körper damit stark beeinflussen. Diese Beeinflussung reicht vom leichten Sonnenbrand bis hin zu der Krankheit Krebs (Lauterbach 2020: 14f.). Doch solare Strahlung ist nicht die einzige Strahlung, die unseren Planeten beeinflusst. Neben der solaren Strahlung gibt es noch kosmische Strahlung, von der unsere Erde ebenfalls bestrahlt wird. Kosmische Strahlung besteht aus ca. 98% ionisierender Strahlung, die wiederrum zum größten Teil aus Gamma-Strahlung besteht. Die Quelle der kosmischen Strahlung ist jedoch nicht genau bekannt. Man geht davon aus, dass der größte Teil aus unserer Galaxie stammt. Es gibt aber auch extragalaktische Quellen, wie zum Beispiel andere Galaxien oder Sternenansammlungen. (Spatschek 2018: 131).
3. Strahlungsspektrum der Sonne
Abbildung 1 Das Strahlungsspektrum der Sonne (Nach Kraus 2004)
Die Energie, welche in der Sonne freigesetzt wird, sind elektromagnetische Wellen. Dabei entstehen mehrere Arten von Wellen, die von Gamma-Strahlung bis hin zu den Radiowellen reichen. Die Strahlung differenziert sich durch die Wellenlänge und die Frequenz der Wellen. Langwellige Strahlung, wie zum Beispiel die Radiowellen oder die Mikrowellen, haben eine relativ niedrige Frequenz. Kurzwellige Strahlung, wie zu Beispiel die Gamma-Strahlung oder die Röntgenstrahlung, hat jedoch eine relativ hohe Frequenz (Malberg 1997: 36). Die GammaStrahlung hat mit <10−4 µm die kleinste Wellenlänge im gesamten Strahlungsspektrum und gleichzeitig die höchste Frequenz. Die Röntgenstrahlung hat mit 10−5 µm bis 10−1 µm eine etwas längere Wellenlänge aber auch eine geringere Frequenz. Die UV-Strahlung hat eine Wellenlänge von 0,1 µm bis 0,4 µm. Gamma-Strahlung, Röntgenstrahlung und UV-Strahlung gehören zu den ionisierenden Strahlen. Durch ihre Fähigkeit, Moleküle in ihre Bestandteile zu zerlegen, sind diese Arten für den Menschen besonders gefährlich. Aber auch für andere Lebewesen ist ionisierende Strahlung gefährlich, denn durch die Strahlung können Zellen beschädigt werden. Je nach Eindringtiefe der Strahlung kann der Zellkern beschädigt werden und die Erbinformation verändert werden (Schneider, Burkart 1998: 720f.). Im Bereich von 0,4 µm bis 0,76 µm liegen die Wellen, die wir Menschen mit unseren Augen wahrnehmen können. Aus diesem Grund wird dieser Bereich sichtbares Licht genannt. Je nach Wellenlänge können wir unterschiedliche Farben wahrnehmen. So hat zum Beispiel die Farbe violett die kleinste Wellenlänge und die Farbe rot die größte Wellenlänge. Betrachtet man das komplette Strahlungsspektrum erkennt man, dass der Bereich des sichtbaren Lichts sehr schmal ist. Ab einer Wellenlänge von 0,76 µm bis 1000 µm liegt der Bereich der Infrarot-Strahlung. Liegt die Wellenlänge zwischen 1cm und 1m spricht man von Mikrowellen. Alle Wellen, die eine Wellenlänge von über 1m haben, werden Radiowellen genannt. Die Radiowellen haben die größte Wellenlänge und die niedrigsten Frequenzen im Strahlungsspektrum (Kraus 2004: 96).
4. Entstehung von Solarer Strahlung
Strahlung entsteht nicht einfach aus dem Nichts, sondern hat wie alles einen Ursprung. Die solare Strahlung hat ihren Ursprung in der Sonne. Im inneren der Sonne entsteht Strahlung durch das Kollidieren von Atomen. Diesen Prozess bezeichnet man als Kernfusion, welche die Quelle der Solaren Strahlung ist (Hanslmeier 2016: 157). Im Inneren der Sonne verschmelzen mehrere Wasserstoffatome miteinander, die jeweils aus einem Proton bestehen. Verschmelzen zwei Wasserstoffatome miteinander, nennt man es ein Deuteron. Bei der Verschmelzung von drei Wasserstoffatomen, nennt man es ein Tritium. Fusionieren jetzt das Deuteron und das Tritium, entsteht ein Helium-4 Atom und es wird Neutron freigegeben. Zudem wird Energie in Form von elektromagnetsicher Strahlung freigesetzt. Diese elektromagnetische Strahlung wird in Form von Wellen von der Sonne ausgesandt und erreicht unter anderem auch unseren Planeten. Durch den Prozess der Kernfusion wandelt die Sonne Wasserstoffatome in Heliumatome um, und setzt dabei Energie frei. Durch das Abgeben von Neutronen und Energie verliert die Sonne an Masse, weshalb sie dauerhaft schrumpft (Lemmer B., Bahr B., Piccolo R. 2017: 179f.).
Kernfusion – Wie funktioniert die Sonne? https://www.youtube.com/watch?v=RrtmeUU_piM
5. Forschungsprojekt „Strahlentherapie“
Seit mehreren Jahrzehnten ist uns bewusst, dass Strahlung sehr gesundheitsgefährdend ist und Krebs verursachen kann. Paradoxerweise wird bei einer Strahlungstherapie ionisierende Strahlung verwendet, um Krebs zu bekämpfen. Die Strahlungstherapie gehört zu den wichtigsten Heilmethoden gegen Krebs. Die Strahlungstherapie begrenzt sich dabei aber auf lokalen Krebs, während die Chemotherapie systematisch im Körper vorgeht. Oft wird auch die Strahlungstherapie zusammen mit der Chemotherapie angewendet, um Krebsarten zu bekämpfen. Bei einer Strahlungstherapie werden Krebszellen mit ionisierender Strahlung bestrahlt, wobei die Erbsubstanz zerstört wird. Wenn die Erbsubstanz der Krebszellen nicht mehr vorhanden ist, kann sich der Krebs auch nicht mehr verbreiten. Der Nachteil an der Strahlungstherapie ist, dass auch gesunde Zellen von der ionisierenden Strahlung beschädigt werden können. Die gesunden Zellen können sich aber nach einer gewissen Zeit wieder regenerieren. Aus diesem Grund werden mehrere Einzelsitzungen durchgeführt und die gesamte Strahlungsdosis nicht in einer einzigen Sitzung abgegeben. Je nach Krebsart und Tumorstadium werden unterschiedliche Strahlungstherapien durchgeführt. (Die Strahlentherapie bei Krebs | DKG (krebsgesellschaft.de)
6. Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die verschiedenen Arten der Strahlung viele positive und negative Aspekte für den Menschen mitbringen. Auch wenn wir den größten Teil des Strahlungsspektrum nicht wahrnehmen können, ziehen wir uns trotzdem einen Nutzen aus ihr. Die meisten elektronischen Geräte würden nie ohne Strahlung funktionieren. Der Fernseher, das Telefon, die Mikrowelle und viele weitere Sachen, die mit Strahlung funktionieren, würden ohne sie nicht möglich sein. Aber auch die Farben, die wir täglich sehen, würden wir ohne Strahlung nicht wahrnehmen können. Strahlung hat aber auch lebensgefährliche Eigenschaften, die für uns Menschen sogar tödlich sein können. Je nach Intensität der Strahlung, können unterschiedliche Krankheiten bei Menschen und anderen Lebewesen ausgelöst werden. Unsere Atmosphäre filtert glücklicherweise Strahlung, die für den Menschen gefährlich ist. Durch den technologischen Fortschritt ist es für uns Menschen möglich geworden, mehr über Strahlung herauszufinden und sie zu nutzen. Trotzdem darf die Strahlung vom Menschen nicht unterschätzt werden, da wir sie nicht vollkommen kontrollieren können.
7. Literaturverzeichnis
➢ Bundesamt für Strahlenschutz: https://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/wirkung/langfristig/langfristig.html
➢ Hanslmeier, A (2016): Faszination Astronomie. Ein topaktueller Einstieg für alle naturwissenschaftlich Interessierten, Graz, S.141
➢ Kraus, H (2004): Die Atmosphäre der Erde S.96
➢ Lauterbach, T (2020): Radioastronomie. Grundlagen, Technik und Beobachtungsmöglichkeiten kleiner Radioteleskope, Wiesbaden, S.14f.
➢ Lemmer B., Bahr B., Piccolo R. (2017) Kernfusion. In: Quirky Quarks. Springer, Berlin, Heidelberg.
➢ Malberg, H (1997): Meteorologie und Klimatologie, Berlin, S.36f.
Klimaphänomene, wie die Jahreszeiten oder auch der Tag- und Nachtwechsel gehören für uns Menschen zum alltäglichen Leben. Sie werden als selbstverständlich wahrgenommen, jedoch in den seltensten Fällen weiter hinterfragt. Dennoch beeinflussen sie maßgeblich das Leben auf der Erde. So steuern die natürlich bedingten Zyklen unser Leben. Der Mensch, aber auch Pflanzen und Tiere passen sich an das Leben mit wechselnden Bedingungen an. Sowohl der Tag- und Nachtwechsel, als kürzeste immer wiederkehrende Periode, aber auch die Entstehung von Eiszeiten lassen sich hierbei vor allem mit der Veränderung der Erdbahnparameter, also der Veränderung der Lage von der Erde zur Sonne, erklären (Uhlig 2020: 9 ff.). Um sich dem Thema anzunähern, soll zunächst ein kurzer Einblick in die Erforschung der Klimageschichte und der Erdbahnparameter gegeben werden. Damit die Auswirkungen der Erdbahnparameter greifbarer werden, wird zunächst die allgemeine Strahlungsbilanz der Erde oberflächlich erläutert. Anschließend werden die Erdbewegungen und ihre Auswirkung auf die Strahlungsbilanz dargelegt. Infolgedessen lassen sich die klimatischen, für den Menschen spürbaren Auswirkungen dieser herleiten und genauer umschreiben und erklären. Abschließend wird ein kurzes Fazit gezogen und ein Ausblick auf weitere im Zusammenhang stehende Themenfelder gegeben.
2 Erforschung der Auswirkungen der Erdbahnbewegungen
Klimaveränderungen, die unser zukünftiges Leben beeinflussen, beschäftigen die Menschheit schon seit langem. Um Klimaprognosen treffen zu können, stellt sich zunächst die Frage, ob der aktuelle Klimawandel anthropogen bedingt ist oder natürlichen Klimaschwankungen unterliegt. Dies ist die Kernfrage, die zur Erforschung der Klimageschichte führt. Nur das Wissen über die bisherige Klimaentwicklung kann Auskunft darüber geben, ob es zyklische klimatische Schwankungen gibt, die den aktuellen Klimawandel erklären. Weiterhin ermöglicht dies Prognosen für die Zukunft zu treffen und das Klima zu modellieren. In Folge der Forschungen von Alfred Wegener, gelang es Milutin Milankovitch bereits in den 1930er Jahren bahnbrechende Fortschritte zum Klimaverständnis der Erdgeschichte zu erzielen (Thiede 2000: 9). So konnten Veränderungen der Erdbahnparameter festgestellt werden, die heute als Milankovitch-Zyklen bezeichnet werden. Die Milankovitch-Zyklen umschreiben drei, sich in Zyklen verändernde, Erdbahnparameter. So kommt es zur Veränderung der Erdbahn um die Sonne (Exzentrität), der Ausrichtung der Erdachse (Präzession) und der Erdachsenneigung (Nutation). Mit Hilfe dieser Bewegungen versucht Milankovitch die Schwankungen von Kalt- und Warmzeiten der Erde zu erklären. Aus natürlichen Klimaarchiven, wie beispielsweise Tiefseesedimenten oder Eisbohrkernen, lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf die Klimageschichte ziehen. Bei Analyse dieser, kann aufgrund der sich wandelnden Ablagerungsbedingungen, die durch Klimaveränderungen ausgelöst wurden, der Klimawandel rekonstruiert werden. Die Milankovitch-Zyklen decken sich hierbei weitestgehend mit den Analysen der Klimaarchive, wodurch sie zu einem Teil zu der Erklärung des natürlichen Klimawandels beitragen (Thiede 2000: 15f).
3 Änderung globaler Strahlungsbilanz durch Erdbewegungen
Um in diesem Kapitel in weiteren Unterpunkten auf die Beeinflussung des Strahlungshaushaltes der Erde als Folge der Erdbahnparameter eingehen zu können, soll zunächst einleitend die Energiezufuhr der Erde erklärt werden. Die Energiezufuhr der Erde erfolgt durch die von der Sonne abgegebenen elektromagnetischen Wellen. Im globalen Mittel beträgt diese am äußeren Rand der Erdatmosphäre 340 Watt pro Quadratmeter. Jedoch gelangt nur ein Teil dieser Energie auch bis zur Erdoberfläche. Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre wird ein großer Anteil der einfallenden Strahlung reflektiert und ein Teil auch absorbiert. Die Reflexion erfolgt hierbei sowohl zurück ins Weltall, aber auch weiter in Richtung Erde in Form von diffuser Himmelsstrahlung. Bei der Absorption der Strahlung kommt es zur Erwärmung der absorbierenden Teilchen und somit zu Erwärmung der Erdatmosphäre. Durch die stattfindenden Prozesse erreichen von den ursprünglichen 340 Watt pro Quadratmeter im globalen Mittel noch 185 Watt pro Quadratmeter die Erdoberfläche, wovon wieder ein Teil durch die Erdoberfläche reflektiert wird. So führen die durchschnittlich übrigen 161 W pro m2 zur Erwärmung der Erdoberfläche Die genannten Werte stellen jedoch nur den globalen Durchschnitt dar (maribus gGmbh 2019: 29). Aufgrund der annährend kugelförmigen Gestalt der Erde, nimmt die einfallende Sonnenenergie pro Flächeneinheit zu den Polen hin jedoch ab. Dies hängt im Zusammenhang mit dem Einfallwinkel der Strahlung. Je flacher der Winkel ist, mit dem die Solarstrahlung auf die Erde trifft, auf desto mehr Fläche verteilt sich die Strahlung. Pro Flächeneinheit trifft somit weniger Strahlung auf die Erdoberfläche. Sie kann sich hier also nicht so stark erwärmen (maribus gGmbh 2019: 60).
Abb. 2: Auswirkungen des Einfallwinkels auf den Strahlungsgenuss (Sachweh 2019)
In Abbildung 2 ist dieser Effekt deutlich zu erkennen. Die Strahlenbündel, die in den verschiedenen Regionen auf die Erde treffen, sind identisch und transportieren somit die gleiche Energie. Zu erkennen ist jedoch, dass sich diese Energie bei dem oberen Lichtkegel auf eine viel größere Fläche verteilen muss als bei dem unteren Lichtkegel. Hierdurch kann sich die Äquatornahe Region stärker erwärmen als die in Polnähe.
3.1 Beeinflussung durch die Exzentrität
Die Erde bewegt sich auf der Erdumlaufbahn, nahezu kreisrund um die Sonne. Sie ist in Abb.1 als durchgängige hellgraue Linie dargestellt. Die Umlaufzeit der Erde beträgt hierbei ungefähr 365,25 Tage. Durch Beeinflussung der Gravitationsfelder anderer Planeten kommt es jedoch dazu, dass sich die Erdbahn in bestimmten Zyklen ändert. Diese Bewegung der Erdbahn wird Exzentrität genannt. Sie umschreibt hierbei die Abweichung der Erdbahn von der kreisrunden Form und ist in Abb. 1 mit einer hellblau gestrichelten Linie dargestellt. Die Exzentrität kann hierbei theoretisch Werte von 0, welches einer perfekten Kreisform entspricht, bis zu einem Wert von unter 1 annehmen, was eine Ellipsenform darstellt. Aktuell ist die Erdbahn nahezu kreisrund und ihre Exzentrität beträgt einen Wert von 0,017. Im Perihel, also der Stellung, die der Sonne am nächsten ist, beträgt der aktuelle Abstand zur Sonne 147,1 Mio. km. Die sonnenfernste Stellung wird Aphel genannt und beträgt momentan 152,1 Mio. km. Im Zyklus von 100.000 Jahren kommt es jedoch zur Änderung der Exzentrität. So kann diese auch höhere Werte bis zu 0,06 annehmen (Uhlig 2020: 9f). In diesem Fall ist die Differenz der Sonnenentfernung, also von Perihel zu Aphel aufgrund der stärkeren ellipsenform, höher, welches ebenfalls Einfluss auf die einfallende Strahlungsenergie der Sonne hat. Das Abstandsquadratgesetz besagt, dass die Strahlungsenergie einer punktförmigen Strahlungsquelle, in dem Fall der Sonne, proportional zum Quadrat des Abstands abnimmt. Das bedeutet, dass die Strahlungsunterschiede zwischen innerhalb eines Jahres bei höherer Exzentrität deutlicher als bei geringerer Exzentrität sind (Uhlig 2020: 10 f.). Doch nicht nur die Erdbahn selbst ändert sich, sondern auch die Geschwindigkeit der Erde auf dieser. Als Folge der Konstanz des Bahndrehimpulses bewegt sich die Erde in Perihelnähe etwas schneller. Dies hat zur Folge, dass der aktuelle Nordwinter/Südsommer, mit 179 Tagen sieben Tage kürzer ist als der Nordsommer/Südwinter, was jedoch nicht entscheidend für die Entstehung der Jahreszeiten ist (Roedel 2000: 2).
Abb. 3: Die Exzentritätsbewegung (NASA 2020)
3.2 Beeinflussung durch die Nutation
Auch die Neigung der Erdachse führt mit der Zeit zu Veränderungen im Strahlungshaushalt. In Abb. 1 ist die Erdachse im aktuellen Zustand durch die durchgängige schwarze Linie dargestellt. Die Achsenneigung beträgt aktuell 23,4° (Uhlig 2020: 11). Sie bedingt, dass sich der Einfallwinkel der Sonne, auf einen Punkt auf der Erde, im Verlaufe eines Jahres durch die Erdbewegung um die Sonne ändert. Zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis, wo der Einfallwinkel generell hoch ist, hat dies geringere Auswirkungen. Je weiter man sich jedoch den Polen nähert, desto stärker wird der Effekt, im Jahresverlauf. Mit dem Einfallwinkel der Sonnenstrahlung ändert sich auch die einfallende Energie pro Flächeneinheit, wodurch sich die Erdoberfläche besonders polwärts im Winterhalbjahr nicht mehr so stark erwärmen kann (Roedel 2000: 3f). Auch die Erdachse steht nicht starr, sondern bewegt sich in zwei verschieden Zyklen. Die Nutation beschreibt hierbei die Änderung des Achsenwinkels. In Abbildung 1 ist die Nutation durch den grünen Pfeil dargestellt. Im Zyklus von etwa 41.000 Jahren schwankt dieser von 22° bis 24,5° zur senkrechten der Bahnebene (Herterich 2002: 118). Je höher der Neigungswinkel der Erdachse ist, desto höher ist die Differenz der minimalen bzw. maximalen Solarstrahlung, die im Aphel bzw. Perihel erreicht werden. Dies bedeutet, dass bei einem hohen Achsenwinkel sowohl eine stärkere Erwärmung begünstigt wird, jedoch auch eine höhere Abkühlung im Winterhalbjahr stattfinden kann. Gegenteiliges gilt für eine geringe Achsenneigung (Uhlig 2000: 11).
Abb. 4: Nutationsbewegung (NASA 2020)
3.3 Beeinflussung durch die Präzession
Eine weitere Bewegungsrichtung der Erdachse ist die Präzession. Die Präzession umschreibt das Taumeln der Erdachse um die gedachte Mittelsenkrechte. Die Mittelsenkrechte wird in Abb. 1 durch die hellgrau gestrichelte Linie dargestellt und die Präzessionsbewegung wird durch die braunen Pfeile dargestellt. Um sich die Bewegung besser veranschaulichen zu können, lässt sich die Präzession mit einem taumelnden Kreisel vergleichen. Setzt man diesen schräg auf eine Oberfläche beginnt die Achse sich ebenfalls um den Auflagepunkt zu rotieren. Im Zyklus von 19.000 bis 23.000 Jahren ändert sich durch die Präzession die Ausrichtung der Erdachse zur Sonne. Somit ändert sich auch der Bereich der Erde, der bei Erreichen des Aphels, beziehungsweise Perihels, der Sonne zugewandt ist. Dies hat zur Folge, dass sich der Zeitpunkt, zu dem der höchste Strahlungsgenuss herrscht, verschiebt. Somit auch die Periode, in der sich die Erdoberfläche in Folge des Strahlungsgenusses, am meisten erwärmen kann. Aufgrund des höheren Festland Anteils auf der Nordhalbkugel, zeigen sich hier die Unterschiede deutlicher als auf der Südhalbkugel (Uhlig 2020: 12).
Abb. 5: Präzessionsbewegung (NASA 2020)
4 Folgen der Erdbewegungen
Aus den bereits beschriebenen Erdbewegungen, welche Änderungen des Strahlungshaushaltes zur Folge haben, lassen sich nun im Weiteren die für den Menschen spürbaren Effekte herleiten. Eine Bewegungsrichtung, auf die bisher nicht eingegangen wurde, ist die Erdrotation. Durch die annährend runde Form der Erde und den Fakt, dass diese nur von einer Seite beschienen wird, herrscht auf der sonnenzugewandten Seite Tag und auf der abgewandten Seite Nacht (siehe Abb.1). Die Tageslänge der irdischen Zeitrechnung beträgt, aufgrund der Rotationsdauer, 24 Stunden. Am Tag kann es so zum Strahlungsgenuss und somit zur Erwärmung kommen, wohingegen sich die Erdoberfläche mit eintreten der Nacht, aufgrund fehlender Einstrahlung abkühlt (Uhlig 2020: 11).
Abb. 6: Achsenneigung der Erde heute und vor 10.000 Jahren (Herterich 2002: 118)
Einen längeren natürlich bedingten Zyklus stellen die Jahreszeiten dar. Sie entstehen durch die Schiefstellung der Erdachse zur Bahn um die Sonne. Abbildung 6a zeigt die Erde im Nordsommer. Die Nordhalbkugel ist der Sonne zugewandt und kann sich hier stärker erwärmen als auf der Südhalbkugel, wo nun Winter herrscht. Ein halbes Jahr später zeigt sich gegenteiliges. Nun ist die Südhalbkugel zugewandter, wodurch nun hier Sommer und auf der Nordhalbkugel Winter herrscht (Abb. 6b). Jedoch ist nicht immer eine Erdhälfte der Sonne zugewandter als die andere. Im Frühling oder Herbst werden beide Erdhälften gleich stark beschienen. In Äquatornähe zeigt sich der jahreszeitliche Wandel eher gering. Je weiter man sich jedoch den Polen annähert, desto stärker werden die Auswirkungen. So kommt es hier aufgrund der Achsenneigung zur Ausprägung von Polartag und Polarnacht (Roedel 2000: 2ff). Bedingt durch die Nutation ändert sich auch die Ausprägung der Jahreszeiten. Je höher die Achsenneigung ist, desto stärker ist eine Erdhälfte der Sonne zu- oder abgewandt. Die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter zeigen sich bei einer höheren Erdachsenneigung umso deutlicher (Uhlig 2020: 11).
In Folge des Präzessionszyklusses kann es jedoch dazu kommen, dass sich Sommer- und Winterhalbjahr der Erdhälften vertauschen. Vor 10.000 Jahren war dies der Fall. Die Erdachse hatte ihre Ausrichtung maximal geändert, sodass der Nordsommer/Südwinter nahe des Perihels herrschte (Abb. 6d). Es ist davon auszugehen, dass die Sommer der Nordhalbkugel, aufgrund der näheren Stellung zur Sonne wärmer waren als heute. Die, im Vergleich zu heute, sonnenfernere Stellung im Winter führt hingegen zu einer höheren Abkühlung. Die Exzentrität war jedoch ähnlich zur heutigen (Herterich 2002: 118 f). Blickt man zeitlich etwas weiter zurück, so war die Exzentrität deutlich höher als heute. So erreichte diese während der letzten Eiszeiten Werte bis zu 0,06, was letztendlich aufgrund der höheren Differenz zwischen Perihel und Aphel zu größeren Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter führt (Uhlig 2020: 11). Ein weiterer Effekt, der zur Ausprägung der Eiszeiten geführt hat, ist der Neigungswinkel der Erde. Es zeigt sich, dass hierbei ein flacherer Neigungswinkel die Ausbildung von kontinentalen Eisschilden begünstigt. Zwar sind die Winter nicht so extrem, jedoch kalt genug, um Niederschlag in Form von Schnee zu bilden. Aufgrund der höheren winterlichen Temperatur findet über den Meeren eine höhere Verdunstung statt, sodass, im Vergleich zu kälteren Temperaturen, mehr Niederschlag fallen kann. Die Sommer hingegen werden nicht so warm wie bei einem höheren Neigungswinkel. Dies begünstigt das Bestehen der gebildeten Schnee- und Eismassen, da die Ablation, also das Abschmelzen des Niederschlages, aufgrund der geringeren Temperaturen nicht so schnell erfolgt (Uhlig 2020: 12).
5 Fazit
Es lässt sich festhalten, dass die Erdbahnparameter einen großen Einfluss auf das Klima der Erde haben. Die Erdrotation sorgt für den Tag- und Nachtwechsel, die Achsenneigung ist für die Entstehung der Jahreszeiten verantwortlich und die Exzentrität steuert die Menge der einfallenden Energie. Das Zusammenspiel aller Faktoren gleichzeitig steuert das Klima der Erde und reguliert so in langen Zeiträumen den Wechsel von Warm- und Kaltzeiten. Der Klimawandel unterliegt jedoch nicht nur den Bedingungen der Erdabahnparameter. Auch andere astronomische Prozesse, wie beispielsweise die Sonnenaktivität, können Einfluss auf das Klima haben. Neben den astronomischen Einflüssen finden auch innerhalb der Erdatmosphäre natürliche Prozesse statt, die das Klima beeinflussen. Globale Meeres-oder Windströme haben maßgeblichen Einfluss auf das Klima. Eine weitere Rolle können hierbei in längeren Zeiträumen auch die Verteilung von Land- und Wassermassen spielen, die durch plattentektonische Prozesse verändert werden. Einhergehend mit den tektonischen Prozessen kann auch Vulkanismus einen Einflussfaktor des Klimas darstellen (LANUV o. J.). Neben den natürlichen Einflussgrößen auf das Klima, lassen sich jedoch auch anthropogene Einflüsse feststellen. Die Menschheit verändert mit ihrer Existenz die natürlichen Gegebenheiten. So wirken Emissionen auf die Erdatmosphäre ein, wodurch sich ihre Zusammensetzung ändert. Ein verstärkter Treibhauseffekt und somit eine anthropogen geschaffene Erderwärmung ist die Folge. Diese lässt sich besonders seit dem 20. Jahrhundert beobachten. So hat sich das Klima im 20. Jh. Global um ca. 0,6 °C erwärmt. Prognosen des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gehen von einer Klimaerwärmung von bis zu vier Grad Celsius bis zum Ende des Jahrhunderts aus (BMU 2008: 10).
Thiede J. (2000): Paläoklimaänderungen der jüngsten geologischen Vergangenheit – Raten und Maße natürlicher Klimawechsel. In: Wolfrum J., Wittig S. (Hg.): Energie und Umwelt. Wo liegen optimale Lösungen?, Heidelberg: 9-23
Uhlig S. (2020): Natürlicher Klimawandel-Fakten aus geologischer, archäologischer und astrophysischer Sicht. Karlsruhe.
Abbildung 1: Eigene Abb., verändert nach NASA: Natürliche Zyklen auf der Erde und ihr Einfluss auf den Menschen (Hartjes 2020)
Inhaltsverzeichnis
Einleitung und Einordnung in das Oberthema
Alltägliche Zyklen
Tag und Nacht
Gezeiten
Zyklen mit extremen Folgen
Tornados als Beispiel für Zyklen mit verheerenden Auswirkungen auf den Menschen
Forschungsprojekt: Tornados
Hochwasser
Hochwasser am Nil als Beispiel eines Zyklus mit positiven Auswirkungen auf den Menschen
Forschungsprojekt: Hochwasser
Fazit
Literaturverzeichnis
1. Einleitung und Einordnung in das Oberthema
Der Mensch passt seinen Alltag und das Leben immer wieder an die Erde an, da die Menschen sich an der Natur der Erde orientieren und somit bilden sich gewisse Strukturen für den Menschen aus. Dazu gehören zum Beispiel die Navigation, die Zeitrechnung, verschiedene Betrachtungsweisen der Erde und natürliche Zyklen. Natürliche Zyklen sind Ereignisse auf der Erde, die wiederholt auftauchen und keinen anthropogen Ursprung haben. Sie geben uns Strukturen vor, an die wir uns anpassen müssen. Es gibt eine große Anzahl an natürlichen Zyklen mit den unterschiedlichsten Ursachen und Folgen. Dabei entstehen, zum Beispiel durch die Erdrotation oder dem Umlauf der Erde um die Sonne, der Tageszeitenzyklus und der Jahreszeitenzyklus (Haack 2008: 196). Auch weitere astronomische Parameter sorgen dafür, dass auf unserer Erde gewisse Zyklen, wie der Gezeitenzyklus, stattfinden (Malcherek 2010: 13). Teilweise haben wir uns schon so gut an diese Zyklen angepasst, dass wir unseren Alltag nach diesen Zyklen ausrichten. Warum stehen wir immer morgens auf, wenn die Sonne aufgeht? Warum kann man an der Nordsee nicht den ganzen Tag im Meer baden? All diese Fragen finden ihre Antwort, wenn man sich mit entsprechenden Zyklen beschäftigt, die diese Aspekte beeinflussen. Ziel dieser Arbeit ist es einige natürliche Zyklen der Erde genauer zu erläutern und dabei besonders die Folgen für den Menschen herauszuarbeiten.
2. Alltägliche Zyklen
Einige Zyklen erscheinen für den Menschen als alltäglich, da der Mensch sich bereits gut an diese angepasst hat. Dazu gehören zum Beispiel der Tageszeitenrhythmus, der Jahreszeitenrhythmus, die Gezeiten, die Regen- und Trockenzeiten und der Wasserkreislauf.
2.1. Tag und Nacht
Aufgrund der Erdrotation um die eigene Achse ist immer nur eine Seite des Planeten der Sonne zugewandt. Auf der Seite, die der Sonne zugewandt und somit beleuchtet ist, herrscht somit Tag und auf der anderen Seite Nacht. Eine Umdrehung dauert dabei 23 h, 56 min und 4 sek und die Erde bewegt sich 30 m pro Sekunde. Die Rotationsachse verläuft vom Nordpol bis zum Südpol durch den Erdkörper und die Erde dreht sich Richtung Osten (Abb. 1). Da die Erde rund ist, unterscheidet sich die Tageslänge hinsichtlich der unterschiedlichen Standorte. Entlang des Äquators dauern die Nacht und der Tag jeweils genau 12 h. Am Nordpol und Südpol hingegen dauert der Tag 186 Tage und die Nacht 179 Tage. Das hat den Grund, dass die Erdachse 23,44° gegen die Ekliptik geneigt ist und somit ein Pol immer mehr der Sonne zugeneigt ist. Außerdem variiert die Tageslänge hinsichtlich der Jahreszeit (Weltkugel-Globus.de 2020). Auch dieser Zyklus hat Auswirkungen auf den Menschen, da der Mensch seinen Tagesablauf an diesen Zyklus angepasst hat (merken Sie selbst im Alltag, dass die Erdrotation und der infolgedessen entstehende Tages- und Nachtzyklus Ihr Leben auf der Erde beeinflusst oder strukturiert?). Früher musste der Mensch am Tag körperliche Leistung während der Jagd erbringen und nachts sollte der Körper sich ausruhen und erholen. Auch heute ist dieser Rhythmus zu erkennen, denn der menschliche Körper orientiert sich an der Helligkeit am Tag und der Dunkelheit in der Nacht und lebt somit in einem Wechsel zwischen Wach- und Schlafphasen (licht.de 2018). Außerdem erhalten wir durch das Sonnenlicht Vitamin D, welches ein wichtiges Vitamin für den Körper darstellt, da es zum Beispiel für die Knochengesundheit verantwortlich ist (Muscogiuri, G. et al. 2019: 262.265).
Abbildung 2: Tag und Nacht (Geographie Infothek 2012)
2.2 Gezeiten
Ebenso stellen die Gezeiten einen natürlichen Zyklus der Erde dar. Ebbe und Flut entstehen durch ein geophysikalisches Kräftesystem. Die Gezeiten haben sich ausgebildet, da die Rotation der Erde um die eigene Achse von den Gravitatonskräften der Sonne und vom Mond beeinflusst wird. Die Gravitationskräfte werden dabei größtenteils durch die Zentrifugalkraft ausgeglichen. Jedoch bleibt ein Teil der Kräfte über, der dabei nicht ausgeglichen wird, sodass Ebbe und Flut entstehen (Malcherek 2010: 13). Der Mond sorgt mit seiner Anziehungskraft dafür, dass auf der Seite der Erde, die zum Mond geneigt ist, ein Wasserberg entsteht, da das Wasser sich dem Mond entgegen wölbt. Dieser wandert aufgrund der Erdrotation und der Bewegung des Mondes um die Erde, über die Meere der Erde. Wenn dieser an den Küsten ankommt, dann herrscht dort Flut und wenn der Wasserberg sich weiterbewegt herrscht an den Küsten wieder Ebbe. Auf der anderen Seite hingegen überlagert eine Fliehkraft, welche durch die Rotation der Erde entsteht, die Gravitationskraft des Mondes und es kommt dort ebenfalls zur Flut (Abb. 2) (hier gibt es einen Verschnitt zum Themenfeld astronomische Einflüsse auf die Erde und dem Unterthema Die Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne). An den Küsten macht der Anstieg und Abstieg des Wassers ungefähr eine Höhe von 5 m aus (Wissenschaft im Dialog 2008). Da das Wasser somit an den Küsten mal vortritt und mal zurücktritt, muss der Mensch sich diesem Zyklus anpassen. Besonders die Strandtouristen müssen ihre Urlaubsplanung an die Gezeiten anpassen. Aber auch für den Fischfang und den Schiffsverkehr sind die Gezeiten von großer Bedeutung. Der natürliche Zyklus der Gezeiten beeinflusst somit das Leben der Menschen an den Küsten und muss in verschiedenen Bereichen immer wieder beachtet werden (Stapel, H. & Maier, Y. 2019).
Abbildung 3: Entstehung von Gezeiten (KlasseWasser.de o.J.)
3. Zyklen mit extremen Folgen
Es gibt Zyklen, die von den Menschen viel Vorbereitung erfordern, da diese nicht regelmäßig auftreten, oder negative Folgen mit sich bringen. So kann zum Beispiel ein Tornado, Hurrikane oder Hochwasser die ganze Stadt zerstören. Für weitere Zyklen, wie das El-Niño- oder La Niña-Phänomen und den Monsun müssen ebenfalls Vorkehrungen getroffen werden, um die negativen Folgen möglichst zu minimieren. Außerdem gibt es Zyklen, wie den Wilson-Zyklus oder das Eintreten von Eiszeiten, die sich über Millionen von Jahren erstrecken (Zingg, E. 2017).
3.1. Tornados als Beispiel für Zyklen mit verheerenden Auswirkungen auf den Menschen
Tornados gehören unter anderem zu den gefährlichsten meteorologischen Phänomenen weltweit (Bryukhan, & Potapov 2014: 346). Da Tornados sehr klein sind, eine sehr kurze Lebensdauer haben und eine sehr hohe Geschwindigkeit, ist es sehr schwer, sie vorherzusagen (Novitski et al. 2016: 683). Die Regionen der Erde erleben immer wieder zyklische Tornadosaisons. Besonders häufig treten Tornados zum Beispiel im Südosten der USA auf (Ash 2016: 1). Außerdem kann man feststellen, dass die Anzahl an Tornados pro Jahr immer weiter ansteigt (Elsner et al. 2014: 651-659). Die Hauptsaison geht von März bis Mai. Dabei schiebt sich kalte Luft aus dem Norden Amerikas über die heiß-feuchte Luft aus dem Golf von Mexiko. Jedoch hat warme Luft eine geringere Dichte und steigt nach oben und es bilden sich durch Kondensation Gewitterfronten. Sobald die Kaltluft die Luftmassengrenze durchbricht, fällt sie sturzartig, in Form eines Strudels nach unten. Ein trichterförmiger Wolkenschlauch wird somit sichtbar. Diese Trichterform wächst immer weiter, bis sie die Erde erreicht. Außerdem wird die Kaltluft am Rande vom Strudel durch Warmluft ersetzt. Der Raum der angesaugten Luft wird somit immer kleiner, sodass sich die Drehgeschwindigkeiten immer weiter erhöhen. Der Seitenwind sorgt dafür, dass die warmen Luftmassen beginnen zu rotieren. Der Tornado dreht sich um seine eigene Achse, die senkrecht verläuft. Außerdem liegen hohe vertikale Temperaturgegensätze vor (Lohmann & Kretschmer 2014: 161). Aufgrund der Coriolis-Kraft, drehen sich Tornados auf der Nordhemisphäre gegen den Uhrzeigersinn und auf der Südhemispähre mit dem Uhrzeigersinn (Stewart et al. 2020). Die Drehgeschwindigkeit liegt bei 50-60 km pro Stunde, kann aber in extremen Fällen auch auf bis zu 500 km pro Stunde ansteigen (1999 wütete ein Tornado in Oklahoma mit der höchsten gemessenen Windgeschwindigkeit von 510 Kilometern pro Stunde. Er verursachte einen Schaden von 1,1 Milliarden US-Dollar und 48 Menschen kamen dabei ums Leben (Wissen.de 2020)). Der Durchmesser kann zwischen ein paar Metern und mehreren hundert Metern liegen. Durch den niedrigen Luftdruck im Tornado und die rotierenden Winde entwickelt der Tornado seine zerstörenden Kräfte. Da der Luftdruck im Tornado deutlich geringer als in der Umgebung ist, entstehen Aufwinde, die alles in ihrer Umgebung mit sich nach oben ziehen (Abb. 3). Tornados entwickeln sich an sogenannten Konvergenzlinien und Aufwindbereichen von Superzellen. Konvergenzlinien sind Linien an denen verschiedene Winde aufeinander treffen und sich Wirbel entwickeln. Die Lebenszeit eines Tornados beträgt dabei meist zwischen ein paar MInuten und einer Stunde. Um die Windgeschwindigkeiten zu messen nutzt man die Fujiata-Skala. Dabei sind nicht nur die Windgeschwindigkeiten von großer Bedeutung, sondern auch der durch den Tornado verursachte Schaden. In tornadoreichen Regionen wird sogar in der Schule unterrichtet, wie man sich bei einem Tornado zu verhalten hat, denn ein Tornado kann enorme Schäden verursachen. Tornados führen teilweise dazu, dass sich der Asphalt vom Boden löst und Autos und Busse werden durch die Gegend geschleudert. Teilweise werden Häuser sogar zerstört. Die durch die Luft wirbelnden Gegenstände gefährden die Menschen, die sich diesen nähern und können zu vielen Todesopfern führen. In den USA treten im Jahr über 1000 Tornados auf und ein Großteil davon entlang der Tornado-Alley. Tornado-Alley bezeichnet dabei einen tornadogefährdeten Bereich im mittleren Westen der USA (Lohmann & Kretschmer 2014: 161-166).
Abbildung 4: Entstehung von Tornados (Infografik Die Welt 2013)
3.2. Forschungsprojekt: Tornados
Das national severe storms laboratory hat mit dem TORUS-Projekt seit 2019 das Ziel, die Entstehung von Tornados genauer zu erforschen und somit die Tornadoprognosen und Tornadowarnungen zu verbessern. Durch dieses Projekt erhofft man sich die Minimierung von Sachschäden und das Retten von mehr Menschenleben. Die NSSL-Forscher haben dafür ein Modell entwickelt, welches ein Tornado-erzeugendes Gewitter in 3D-Form darstellt (der folgende Link führt direkt zum 3D Modell des Projekts der NSSL, zur besseren Veranschaulichung des Forschungsprojekts: https://www.nssl.noaa.gov/research/thunderstorms/img/model-output.gif). Anhand dieses Modells soll näher untersucht werden, welche Änderungen der Umgebung dazu führen, dass ein Gewitter ein Tornado erzeugen kann. Außerdem haben die Forscher einen Tornado-Erkennungsalgorithmus entwickelt um Tornados besser zu erkennen. Die Forscher sind damit beschäftigt, die Superzellen eines Gewitters gezielt durch Radar und UAS (Unmanned Aerial System) durch Drohnen zu beobachten. Somit sollen die Beziehungen zwischen Tornados und schweren Gewittern erforscht werden (NSSL 2020).
3.3. Hochwasser
Ein weiterer natürlicher Zyklus auf der Erde ist die Entstehung von Hochwasser. Es kann durch anhaltende Regenfälle, dem Schmelzen von Schnee, Küstenüberschwemmungen, Damm- oder Deichbrüche, den Meeresspiegelanstieg, den Bruch eines Gletscherbeckens oder durch Wasserstau aufgrund von Erdrutschen entstehen. Auch das Speichervermögen des Bodens beeinflusst die Entstehung von Hochwasser. Das Speichervermögen ist dabei abhängig von der Hangneigung, der Höhenlage, der Vegetationsdecke, der Wassersättigung und der Durchlässigkeit des Bodens in dem Gebiet. Sobald die Speichermöglichkeit des Erdbodens vollkommen ausgenutzt und der Boden wassergesättigt ist, müssen die Wassermengen über die Oberfläche in Bäche und Flüsse abfließen. Da dies aber langsam geschieht, bilden sich Hochwasserwellen aus (Wissen.de 2020). Der Mensch beeinflusst diesen Zyklus aber auch, indem er zum Beispiel die Bergländer entwaldet. Somit kommt es zu fehlendem Vegetationsschutz und es kommt zur Erosion in Hanglagen. Auch durch Versieglung wird die Bildung von Hochwasser vorangetrieben. Ebenfalls wird durch die Ackernutzung der Boden verdichtet und es bildet sich eine neue Bodenstruktur aus, was zu vermehrtem Oberflächenabfluss führt (Schwetz, H. & Überwimmer, F. 2015: 111-119). Die Wellen des Hochwassers sind teilweise so stark, dass sie Gegenstände, Bäume oder auch Felsen mit sich reißen, die zu Schäden führen können, wenn sie auf Personen, Gebäuden oder andere Konstruktionen treffen (Blanaru 2006: 3). Infolge eines Hochwasserereignisses können Hungerkatastrophen, Seuchengefahren und Trinkwassermangel eintreten (Wissen.de 2020). Hochwasser gehören zu den Naturkatastrophen die weltweit der Grund für die größten und häufigsten Schäden sind. Im Jahr entstehen dabei weltweit Schäden von ungefähr 19 Mrd. $ und 115 Mio. Personen sind von dieser Naturkatastrophe betroffen (Nachtnebel, H. & Apperl, B. 2015: 120-130) (1887 starben in Huang He in China mindestens 900.000 Menschen während einer Überschwemmung (Brierley 2015: 13)).
3.4. Hochwasser am Nil als Beispiel eines Zyklus mit positiven Auswirkungen auf den Menschen
Jedoch kann Hochwasser auch positive Folgen für den Menschen haben. Die Überflutung des Nils in Ägypten gehört zu den Gebieten, in denen das Hochwasser lebenswichtig für die Bevölkerung ist. Ägypten ist ein sehr regenarmes Land. Nahe der Mittelmeerküste kann man dabei von 200 mm Niederschlag im Jahr ausgehen, weiter im Süden Ägyptens hingegen in Kairo liegt der Niederschlag nur noch bei 35 mm im Jahr. Ohne den Nil wäre Ägypten eine vollständige Wüste. Da jährlich Hochwasser am Nil eintreten, wird das Land um den Nil überschwemmt und es entsteht fruchtbares Land in einem Bereich von 1000 km an beiden Ufern des Nils (Abb. 5) (Wölfel, W. 1998: 1-6). Im Bereich des Einzugsgebietes des Nils liegt die Bevölkerungsdichte bei 1492 Menschen pro Quadratkilometer. Somit zählt dieser Bereich zu den Gebieten mit der höchsten Bevölkerungsdichte, abgesehen von Großstädten (Falke, A. 2004: 1-2). Das Nilhochwasser kommt jedes Jahr, sodass das Wasser des Nils von Juli bis Oktober ansteigt, wenn es im Quellgebiet in Ostafrika stark geregnet hat (Klett 2016: 48). Der höchste Stand wird dabei Nilschwelle genannt. Bei Khart steigt das Wasser dabei bis zu 12 m an. Die Höhe des Hochwassers beeinflusst dabei das umliegende Land und die Ernteeinträge. Das Hochwasser des Nils beeinflusst das Leben der Menschen dort sogar so stark, dass sie ihren Kalender nach diesem richten. Am 19. Juli, wenn das Hochwasser den Memprus erreicht, beginnt das Kalenderjahr. Außerdem lässt sich das Kalenderjahr in drei Jahreszeiten gliedern. Dazu gehören die Überschwemmung, die Aussaat und die Erntezeit. Nachdem das Hochwasser zurückgegangen ist bleibt ein fruchtbarer Schlamm zurück, welcher das Land bedeckt (hier liegt ein Verschnitt zum Thema „Zeit und Zeitrechnung auf der Erde“ vor. Man kann anhand dessen feststellen, dass natürliche Zyklen die Zeitrechnung des Menschen beeinflussen, da die Nilüberflutung mit ihren Phasen hier als Rhythmus-bestimmender Faktor gilt). Der Schlamm besteht aus fruchtbaren Schwebstoffen, die durch den Nil aus dem Einzugsgebiet herantransportiert werden. Dabei handelt es sich vorwiegend um Erosionsprodukte mit vulkanischem Ursprung. Der Schlamm besteht dabei aus 63 % Sand und Ton, 18 % kohlensaurem Magnesium, 9 % organischen Bestandteilen und 6 % Eisenoxid (Wölfel, W. 1998: 1-6). Die Bevölkerung und Vegetation Ägyptens ist auf das Niltal und Nildelta beschränkt, da der fruchtbare Schlamm sich dort absetzt. Das Niltal ist ein fruchtbarer Streifen zwischen 3 und 20 km Breite mit einer Fläche von 27.000 km². Das Nildelta ist 250 km breit und hat eine Fläche von 28.000 km²(Falke, A. 2004: 1-2). Die Bevölkerung Ägyptens hat Dämme und Kanäle gebaut, um den fruchtbaren Schlamm für die Landwirtschaft zu nutzen und so die eigene Ernährung zu sichern (Cornelsen 2019: 2). Ägypten verdankt seinen Wohlstand der Nilüberschwemmung. Heute wird die Nilüberschwemmung jedoch durch den Assuanstaudamm im Bereich der Stadt Assuan reguliert, sodass keine jährlichen Überschwemmungen mehr auftreten, da sonst die Gefahr bestünde, dass die Überschwemmung zu gering oder zu hoch werden würde. Der Damm staut das Wasser dort zu einem See auf. Somit ist die Bevölkerung nicht mehr abhängig von der Überschwemmung, muss aber auf künstlichen Dünger zurückgreifen (Gierlich, G. 2012:8).
Abbildung 5: Fruchtbares Land um den Nil (Selket’s Ägypten 2018)
3.5. Forschungsprojekt: Hochwasser
Im Jahre 2013, nach einem Hochwasser im Osten Deutschlands (Abb. 5), starteten Wissenschaftler der Helmholtz-Gemeinschaft das Forschungsprojekt „Hochwasser 2013“ mit dem Ziel die Hintergründe und Ursachen, sowie Vorsorgungsmöglichkeiten für Hochwasserereignisse besonders in Deutschland zu untersuchen. Dieses Projekt soll dabei helfen, zukünftige Hochwasser schneller einzuordnen und zu bewerten, sowie Extremszenarien abzuleiten um den Katastrophenschutz zu verbessern. Bei diesem Projekt wurden die vergangenen Hochwasser der letzten 60 Jahre in Deutschland zusammengefasst und anhand der Niederschlagsmengen und weiteren Aspekten untersucht. Letztendlich wurde ein Konzept vorgestellt, welches für den Umgang mit Hochwasserereignissen nützlich sein soll. Es soll ein bundesweit einheitliches Kommunikationskonzept erscheinen und eine länderübergreifende Regelung zur Freistellung und Kostenverantwortung von Helfern. Außerdem sollen Personen, die in Hochwassergefährdeten Gebieten leben, eine Elementarschadenszusatzversicherung abschließen (DKKV 2015: 1-208).
Abbildung 6: Übersicht über die Hochwasser 2013, 2010 und 2002 stark betroffenen Gemeinden in Deutschland (Karte: eskp.de, Lizenz: CC BY 4.0 2015)
4. Fazit
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es viele natürliche Zyklen auf der Erde gibt, welche den Menschen auf unterschiedlichste Art und Weise beeinflussen und dem Menschen gewisse Strukturen vorgeben. Dabei kann ein solcher Zyklus den Menschen positiv beeinflussen, wie zum Beispiel das Nilhochwasser, welches für Ägyptens Wohlstand sorgte und fruchtbares Land als Folge hatte. Jedoch gibt es auch natürliche Zyklen, die negative Auswirkungen auf den Menschen haben, wie ein Tornado, welcher für Todesopfer und Zerstörung und Verwüstung von Städten verantwortlich ist. Außerdem gibt es Zyklen, die für uns Menschen alltäglich geworden sind, wie der Tageszeitenrhythmus oder der Gezeitenzyklus und es gibt Zyklen, bei denen es auch noch für den Menschen an großen Vorbereitungen bedarf. Kommt ein Tornado auf ein Land zu, so bedarf es an gewissen Vorkehrungen, um sich vor diesen Wetterereignissen zu schützen, damit die Schäden möglichst gering gehalten werden. Somit ist die Erde in vielerlei Hinsicht strukturgebendes Element, an welches wir unseren Alltag anpassen.
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Das Minor Planet Center (2021) zählte im Januar 2021 etwa 2.200 potenziell gefährliche Asteroiden die sich auf erdnahen Bahnen befinden. Für die nächsten 100 Jahre wird für keines dieser Objekte eine Einschlagswahrscheinlichkeit auf der Erde größer als 5 % berechnet (NASA JPL CNEOS 2020), doch waren die Auswirkungen von Kollisionen der Erde mit anderen Himmelskörpern für die Erdgeschichte elementar, und stellen eine potenzielle Gefahr für die Menschheit dar (Chapmann 2004). Deutlich alltagsnäher sind Kollisionen von kleinen Staub- und Gesteinsteilchen mit der Erdatmosphäre (IMO 2021), die überwiegend Nachts als Sternschnuppen und selten Feuerbälle wahrgenommen werden können. In diesem Beitrag sollen ein Überblick über erdnahe Objekte und zwei Beispiele aktueller Forschungsarbeit zu ihnen, Einschläge (Impakte) extraterrestrischer Objekte auf die Erde und den resultierenden Auswirkungen gegeben werden. Zunächst ist eine Klassifikation der Untersuchungsgegenstände notwendig: Der Fokus liegt dabei auf den zentralen Unterschieden zwischen erdnahen Objekten, die für das Verständnis grundlegend sind. Die Klassifikation von Meteoroiden, Meteoren und Meteoriten ist in das eigene Kapitel 3 ausgegliedert.
Abb. 2: Resolution B5 der IAU (IAU 2006) [Für die Vollansicht anklicken]
Im Jahr 2006 veröffentlichte die Internationale Astronomische Union (IAU) die Resolution B5: „Definition of a Planet in the Solar System“ (IAU 2006). Punkt 1 und 2 der Resolution widmen sich dabei den Planeten und Zwergplaneten, während in Punkt 3 alle anderen die Sonne umkreisenden Objekte, unter dem Sammelbegriff Small Solar System Bodies zusammengefasst werden. Von diesen, im Deutschen als Kleinkörper bezeichneten Objekten (Hanslmeier 2016: 101) ausgenommen sind Satelliten im Sinne natürlicher Monde (Erdmond, Jupitermonde, etc.).
Abb. 3: Aufnahme des Galileo Orbiter vom Asteroiden 234 Ida aus etwa 10.000 km Entfernung am 28. August 1993 (NASA/JPL 1996).
Die prominentesten Vertreter der Kleinkörper sind die Asteroiden (im Deutschen auch Kleinplaneten (Hanslmeier 2020: 232)): wenige Meter bis 1000 km große, unregelmäßig geformte Himmelskörper die vornehmlich aus Stein und Metallen bestehen (Harris 2013; NASA JPL CNEOS o. J.). Es wird angenommen, dass sie wie KometenÜberreste der Entstehung des Sonnensystems sind (NASA JPL CNEOS o. J.). Im Unterschied zu Asteroiden stammen Kometen aus äußeren Bereichen des Sonnensystems und besitzen einen Kern (Nukleus) aus Eis, Gestein und Staub (Weissman 2013). Ist die Distanz zur Sonne gering genug, verdampft Material des Nukleus durch die einwirkende elektromagnetische Strahlung, bildet eine Hülle aus Eis und Staub (Koma) und hinterlässt einen Staubschweif sowie einen Ionenschweif (Hanslmeier 2016: 113; NASA JPL CNEOS o. J.; Weissman 2013) (siehe Kometenaufbau in Abb. 4).
Abb. 4: Aufbau eines Kometen, C/2020 F3 (NEOWISE) (Ziegenbalg 2020, CC BY-SA 4.0), ergänzt um Begriffe nach Weissmann (2013)
Abb. 5: Aufnahme der Rosetta-Raumsonde vom Kometen 67P/CHURYUMOV-GERASIMENKO 1 (1969 R1). Die Helle Fontäne schleudert Staub in die Koma des Kometen. (ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA 2015, CC BY-SA 4.0)
2 Erdnahe Objekte
Unter erdnahen Objekten (engl. NEO für Near Earth Object) werden Asteroiden (NEA für Near Earth Asteroid) und Kometen (NEC für Near Earth Comet) verstanden, die auf ihrer Bahn der Sonne näher als 1.3 Astronomische Einheiten (engl. Astronomical Unit: 1 AU ~1.5 Mio. km) kommen (NASA JPL CNEOS 2021a). Von den im Sonnensystem bis Anfang 2021 entdeckten 1 030 919 Kleinkörpern befindet sich mit 93.9 % der Großteil im Haupt-Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter (Minor Planet Center 2021). 2.4 % werden als erdnahe Objekte eingestuft, dabei sind NEA mit 24 383 beobachteten Objekten gegenüber 110 NEC deutlich häufiger. Weil NEO auf ihren Flugbahnen der Erde näher kommen als andere Kleinkörper, ist ihre Erforschung und Observation zur Vorhersage von künftigen Einschlägen ein wichtiger Bestandteil der Arbeit nationaler und internationaler Weltraumorganisationen wie ESA und NASA und anderer Forschungseinrichtungen (ESA o. J. a; NASA 2019).
2.1 Detektion und Überwachung Erdnaher Objekte: Pan-STARRS und Sentry
Abb. 6: Pan-STARRS1 Observatory auf Haleakala, Maui im Sonnenuntergang. Foto von Ratkowski (2016)
Das Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System (Pan-STARRS) ist ein Forschungsprojekt zur Himmelsbeobachtung auf Hawaii. Es besteht aus zwei Teleskopen mit je 1.8 m Hauptspiegeldurchmesser (Space Telescope Science Institute 2020) und wird vom Institut für Astronomie der Universität Hawaii betrieben. Die Finanzierung erfolgt zum Großteil durch das Near-Earth Object Observations Program der NASA sowie ein Konsortium verschiedener Einrichtungen, dem auch das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg angehört (IfA, University of Hawaii o. J.; Max-Planck-Institut o. J.; NASA 2019). Die Observation von 2010 bis 2014 mit dem ersten der zwei baugleichen Teleskope (PS1, siehe Abbildung 6) diente unter anderem der photo- und astrometrischen Untersuchung von Sternen, dunkler Energie und dunkler Materie sowie der Observation des Sonnensystems (Chambers et al. 2016). Die Suche nach erdnahen Objekten und potenziell gefährlichen Asteroiden wurde nach Beendigung der ersten Phase zur Hauptaufgabe für das Teleskopsystem (IfA, University of Hawaii o. J.). Alle Observationsdaten des PS1 Teleskops sind im Internet unter https://panstarrs.stsci.edu/ frei verfügbar (Space Telescope Science Institute 2020). Im Mai 2018 konnte das zweite Teleskop (PS2) in Betrieb genommen werden (IfA, University of Hawaii 2021; IfA, University of Hawaii 2013). Seit Pan-STARRS 2014 primär der Suche nach NEOs gewidmet wurde, konnten mit ihm insgesamt 320 000 der heute etwa eine Million bekannten Asteroiden (IfA, University of Hawaii 2021), und seit 2010 circa 6 600 erdnahe Asteroiden (NASA JPL CNEOS 2021b) entdeckt werden. Daten von Observationsprogrammen wie Pan-STARRS werden in der Datenbank des Minor Planet Center gesammelt und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt (Minor Planet Center 2021). Das automatische Monitoringsystem der NASA für erdnahe Objekte „Sentry“ berechnet aus dem daraus entstehenden Datensatz die wahrscheinlichsten Orbits aller erdnahen Objekte für die nächsten 100 oder mehr Jahre, und aktualisiert diese automatisch bei neuen Beobachtungsdaten. Zusätzlich leitet es für jedes erfasste Objekt die Einschlagwahrscheinlichkeit ab (NASA JPL CNEOS 2020). Informationen über Annäherungen mit geringen Entfernungen (engl. close approaches) und Impaktwahrscheinlichkeiten der NEOs werden vom Center for Near Earth Object Studies unter https://cneos.jpl.nasa.gov/sentry/vi.html und https://cneos.jpl.nasa.gov/ca/intro.html bereitgestellt.
2.2 Raumsonde OSIRIS-REx
Der Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security–Regolith Explorer (OSIRIS-REx) ist eine aktive NASA-Raumsonde, die am 8. September 2016 gestartet wurde und im Dezember 2018 ihr Untersuchungsobjekt – den Asteroiden (101955) Bennu – erreichte (University of Arizona 2021). Die Missionsziele bestehen unter anderem darin, eine Probe des Asteroiden zur Erde zu bringen, ihn zu kartieren, der Erforschung des Yarkovsky Effekt (siehe Abbildung 8) und des Vergleichs von atmosphärisch beeinflussten irdischen Messdaten mit unverfälschten Daten vor Ort (Lauretta et al. 2017).
Abb. 7: Die Mission OSIRIS-REx: Raumsonde und Asteroid (101955) Bennu. Eigene Darstellung. Bild Bennu: NASA (2018); Bild OSIRIS-REx: NASA et al. (2016)
Abb. 8: Darstellung des Yarkovsky Effekts (Angelich & NRAO/AUI/NSF 2013, CC BY 3.0). Die Sonnen zugewandte Seite absorbiert Wärme und gibt sie, durch die kontinuierliche Rotation des Asteroiden, auf der Sonnen abgewandten Seite wieder frei (Emission). Dadurch entsteht ein stetiger kleiner Schub (Yarkovsky Drift), welcher den Orbit des Körpers verändert. Erklärung nach Lauretta et al. (2017).
Von besonderem Forschungsinteresse ist Bennu, da vermutet wird, dass er aufgrund seiner, bei Spektralanalysen als kohlenstoffreich identifizierten Zusammensetzung, wichtige Erkenntnisse über die Frühphase der Planetenentstehung im Sonnensystem liefern kann (Clark et al. 2011; Hergenrother et al. 2014: 5; Lauretta et al. 2015). Weil er bereits vor der Ankunft der OSIRIS-REx Sonne als einer der am besten erforschten erdnahen Asteroiden galt (Lauretta et al. 2015), bietet Bennu die Chance die zuvor von der Erde und dem Erdorbit aus gewonnenen Erkenntnisse zu überprüfen. So wurde in auf Radaraufnahmen basierenden Modellen von Nolan et al. (2013) ein Äquatorialkamm angenommen, der sich auf den Aufnahmen der Sonde nicht bestätigt hat (Lauretta et al. 2019a). Auch konnte erst durch die Untersuchung durch OSIRIS-REx festgestellt werden, dass Bennu ein aktiver Asteroid ist, bei dem ein Partikelauswurf beobachtbar ist (Lauretta et al. 2019b). Der direkte Einfluss auf den Orbit des Asteroiden hat sich auf Basis der gewonnenen Daten als sehr gering erwiesen, allerdings konnten auf die Rotation des Körpers größere Einflüsse beobachtet werden (Scheeres et al. 2020). Die Relevanz solcher neuen Erkenntnisse liegt ungeachtet wissenschaftlicher Neugierde in der Notwendigkeit, die Bahnen von anderen Körpern im Sonnensystem zur Vermeidung von Kollisionen mit der Erde vorhersagen zu können, und findet sich als S für Security im Missionsnamen und -ziel wieder (University of Arizona 2021) (Siehe Abbildung 7).
Video 1: https://www.youtube.com/watch?v=xj0O-fLSV7c
In Video 1 ist zu sehen wie der Roboterarm der Raumsonde sich dem Asteroiden am 20. Oktober 2020 nährte um Gestein und Staub aufwirbeln und auffangen zu können. Nach diesem nur wenige Sekunden dauernden Vorgang, begann OSIRIS-REx mit der Verstauung und Sicherung der Probe und begab sich zurück in einen Orbit um Bennu. Der Start zurück zur Erde ist für Mai 2021 geplant, mit dem Vorbeiflug der Sonde und dem Abwurf der Probenkapsel an der Erde wird am 24. September 2023 gerechnet, woraufhin mit ihrer Analyse begonnen werden kann (Potter 2020).
3 Meteoroiden, Meteore und Meteoriten
Abb. 9: Bolide. (Grau & Basilicofresco 2010, Public Domain)
Abb. 10: Meteor über Sardinien (Eberth 2016, CC BY-SA 4.0)
Abb. 11: Gibeon-Meteorit. (Raab 2005, Public Domain)
Der Begriff Meteoroid bezeichnet nach einer neusten von der IAU anerkannten Definition natürliche Festkörper in Größenordnungen von 30 μm bis einen Meter, schließt aber auch alle anderen Objekte ein, die bei Eintritt in die Erdatmosphäre einen Meteor (umgangssprachlich Sternschnuppe) hervorrufen (Koschny & Borovicka 2017). In der gleichen Definition werden Meteore als die mit diesem Eintritt einhergehenden Lichterscheinungen und physischen Phänomene („Hitze, Schock, Ionisation“) (Koschny & Borovicka 2017) charakterisiert. Da diese auch durch Asteroiden und Kometen hervorgerufen werden können, lassen auch sie sich bei Kollision mit der Erde als Meteoroiden klassifizieren. Die nicht verglühten Überreste von Meteoroiden werden nach ihrem Erdeintritt als Meteoriten bezeichnet (Koschny & Borovicka 2017). Meteore heller als Magnitute (mag) -4 werden Bolide oder Feuerbälle, bei Helligkeiten größer mag -17 Superbolide genannt und können über weite Distanzen wahrgenommen werden (NASA JPL CNEOS 2021c).
Video 2: Tscheljabinsk Superbolid am 15. Februar 2013 (Ivanov 2013).
Ein besonders starker Bolid („Superbolid“) wurde im Jahr 2013 über Chelyabinsk in Russland beobachtet und ist dem einem aus 200 km Entfernung aufgenommenen Video 2 zu sehen. In einem Winkel von 18° traf der etwa 20 m große Asteroid mit einer Geschwindigkeit von unter 20 km/s auf die Erdatmosphäre und legte mehr als 100 km zurück, bevor er in einer Höhe von circa 30 km explodierte (Chapman 2013; ESA o. J.). Die kinetische Energie betrug 570 ± 150 kT TNT Äquivalente und wurde in Schockwellen freigesetzt, welche bis zu 120 km weit Schäden anrichteten (Popova et al. 2013): in 3 613 Gebäuden wurden Fenster zerbrochen, 1 200 Menschen wurden verletzt (FAZ 2013; Popova et al. 2013). Die Häufigkeit solcher Ereignisse ist gering, der Bolid von 2013 war der größte – bekannte – Asteroideneinschlag seit dem Tunguska-Ereignis von 1908 (Popova et al. 2013). Die untenstehende Weltkarte zeigt die in den letzten 30 Jahren von der US-Regierung registrierten Boliden. Es wird deutlich, dass Energiereiche Impakte vergleichsweise selten sind (vgl. auch (Zolensky et al. 2006: 872)).
Abb. 12: Karte von durch die US-Regierung registrierten Boliden 1988-2021 ((NASA JPL CNEOS 2021d). Eine aktuelle interaktive Karte findet sich unter https://cneos.jpl.nasa.gov/fireballs/.
Es ist zu beachten, dass auf der Karte nur die größten registrierten Bolide und Superbolide eingetragen sind. Der Anteil kleinerer Meteore ist deutlich höher: im Jahr 2010 alleine wurden von der International Meteor Organisation 104 089 Meteore durch 466 Beobachter in 1 924 Beobachtungssitzungen gemeldet (IMO 2021).
4 Impakte auf der Erde
Für Informationen zu Impakten auf dem Mond siehe: Unser Mond. Die Auswirkungen eines Einschlages (Impakt) auf die Erde sind stark von den Faktoren Größe und Masse des Impaktor, Einschlagswinkel, Einschlagsgeschwindigkeit und dem Untergrundmaterial abhängig (Collins et al. 2005). Ab einer Größe von 20 m bei metallreichen und 60 m bei steinigen Körpern werden atmosphärische Effekte so gering, dass die Impaktoren kaum abgebremst werden und hyper-velocity Impakt-Krater erzeugen (Collins et al. 2012; French 1998: 17). Der Ablauf der Kraterbildung eines solchen Ereignisses wird in Video 3 für die älteste bekannte Kraterstruktur, den Yarrubbuba Krater in Australien, simuliert. Es handelt sich dabei um eine Art von komplexer Kraterstruktur, die stark kollabiert und nicht die charakteristische Schüsselform einfacher Krater, wie sie in Video 4 zu sehen ist, aufweisen (French 1998: 24).
Video 3: Simulation des Yarrububba Einschlags vor etwa 2.3 Mrd. Jahren in Australien. (Imperial College London & Davison 2020)Video 4: Illustrierter schematischer Ablauf eines einfachen Impakt-Events. Eigene Animation, angelehnt an Bahlburg & Breitkreuz (2017: 195), Collins et al. (2012), French (1998: 21). Erstellt mit Inkscape und dem Microsoft Video-Editor.
Es wird zwischen einfachen und komplexen Krater(-strukturen) unterschieden, die sich primär durch die im Einschlag freigesetzte Energie und die entstehende Form abgrenzen. Einfache Krater entstehen durch kleinere, komplexe durch größere Impaktoren (Collins et al. 2012: 27; French 1998: 24). Abbildung 13 zeigt die Unterschiede in der Form zwischen einfachen und komplexen Kratern.
Abbildung 13: Morphologie eines einfachen und eines komplexen Kraters. Der einfache Krater wird durch die schüsselförmige Struktur charakterisiert, der komplexe Krater ist flacher und weist eine Zentralerhöhung oder -Ringstruktur auf (NASA 2004).
Kleinere Objekte verursachen low-velocity Impakte und verglühen größtenteils bis vollständig oder zerbrechen in viele einzelne Fragmente, (Brykina 2018; French 1998: 17). Von den jährlich etwa 50 000 t Material die die Erde treffen, sind der absolute Großteil interplanetarer Staub und kleine Meteoroiden. (Drolshagen et al. 2017; Zook 2001). Je größer ein Kleinkörper, desto geringer ist die statistische Häufigkeit eines Einschlags (Wheeler & Mathias 2019). Dieser Zusammenhang wird in Abbildung 14 verdeutlicht. Außerdem sind die Anzahl der bislang entdeckten Asteroiden jeweiliger Größenklassen und die Einschlagskraft, welche bei einem Einschlag freigesetzt würde, aufgetragen. Auf ihrer Website https://www.esa.int/Safety_Security/Planetary_Defence stellt die ESA weiteres anschauliches Infomaterial bereit, auf das an dieser Stelle verwiesen werden soll.
Abbildung 14: Infografik der ESA zu den Häufigkeiten, Größenverteilungen und Gefahren, die von Asteroiden und Impakten mit der Erde ausgehen (ESA 2018, CC BY-SA 3.0 IGO). [Zum vergrößern klicken]
Nach Chapman (2004) wäre ein 2-3 km großer Asteroid (Chapman 2008) in der Lage, die Menschheit global zu vernichten. Die Folge des Aufpralls wären beispielsweise Erdbeben von bis zu 13 auf der Richterskala, ein Ausfall der Landwirtschaft aufgrund des in die Atmosphäre geblasenen Staubes, der außerdem das Sonnenlicht blockieren würde, Feuerstürme und Tsunamis (Chapman 2008; Chapman 2004; Paine & Peiser 2004; Ward & Asphaug 2000). Die Blockade des Sonnenlichtes würde außerdem zu einem deutlichen absinken der globalen Temperaturen führen (Brugger et al. 2017). In der Erdgeschichte werden Impakte großer Asteroiden für mehrere Massenaussterben verantwortlich gemacht, darunter das der Dinosaurier und etwa 75% aller anderen Spezies im sogenannten Cretaceous-Paleogene Massensterben vor 66 Millionen Jahren (Brusatte et al. 2015; Chiarenza et al. 2020; Grotzinger & Jordan 2017: 237). Dass Asteroiden nicht nur Leben zerstören, sondern möglicherweise auch für seine Entstehung auf der Erde verantwortlich sind, wird im im Themenbeitrag Lebensraum Erde diskutiert. Durch Verwitterungs- und andere erosive Prozesse werden Impakt-Krater im Laufe der Zeit verändert (Schmieder & Kring 2020), eine Darstellung verschiedener Stufen der Degradation findet sich in der untenstehenden Abbildung. An dieser Stelle sei auf den Themenbeitrag zur Plattentektonik verwiesen.
Abbildung 15: Degradation von einfachen Impakt-Kratern auf der Erde. A: ~50 000 Jahre alter Barringer Krater; B: ~220 000 Jahre alter Tswaing Krater; C Tavan Khar Ovoo Krater unbekannten Alters; D: ~1.1 Mio Jahre alter New Quebec Krater; E: ~4-5 Mio Jahre alter Roter Kamm Krater; F: Satellitenansicht von C; G: ~450 Mrd. Jahre alter Brent Krater; H: Dummanen Krater unbekannten Alters (Schmieder & Kring 2020: 92, CC BY 4.0).
5 Fazit
Die Relevanz der Erforschung Erdnaher Objekte liegt nicht in der Häufigkeit ihrer Einschläge auf der Erde sondern in der Katastrophalität mit der sie einhergehen. Aber auch aus wissenschaftlicher Neugierde ist ihre Untersuchung von Interesse, da sie als Zeugen der Entstehung des Sonnensystems möglicherweise noch viele neue Einblicke geben können.
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