Themen

Erdmagnetfeld

Abb.1 Graphical Abstract zum Thema „Das Magnetfeld der Erde“ (eigene Darstellung, deacedemic.com o.J.)

Gliederung

1. Einleitung

2. Funktionsweise eines Magnetfeldes

3. Das Erdmagnetfeld

3.1 Geodynamo

3.2 Weitere Quellen des Erdmagnetfeldes

3.3 Schutzfunktion

4. Räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes

5. Abschwächung und Umpolung des Erdmagnetfeldes

5.1 Verantwortliche Prozesse

5.2 Folgen

6. Fazit

7. Literatur

1. Einleitung

Die Erde ist unter den inneren Gesteinsplaneten des Sonnensystems hinsichtlich ihres planetaren Magnetfeldes einzigartig. Weder die Venus noch der Mars haben ein aktives Magnetfeld (Dambeck 2015). Auf dem Mars konnte man immerhin Gesteinsproben finden, die darauf hinweisen, dass dieser Planet einmal ein Magnetfeld besaß (Wicht & Christensen 2008). Der Merkur hat ein sehr schwaches Magnetfeld, welches allerdings nicht annähernd so stark ist wie das der Erde (Wicht & Christensen 2008). Um die Ursache für das Vorhandensein eines Magnetfeldes auf der Erde, die Eigenschaften, die Verteilung und mögliche Veränderungen des Erdmagnetfeldes soll es in den folgenden Kapiteln gehen.

2. Funktionsweise eines Magnetfeldes

Magnetfelder sind der Wirkungsbereich von magnetischen Verursachern, in diese Kategorie fallen magnetische Materialien, Elektromagnete und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes (Prangs o.J.). Dieser Wirkungsbereich kann durch Feldlinien dargestellt werden (s. Abb. 2), die vom magnetischen Nordpol zum magnetischen Südpol verlaufen und sich dabei nicht schneiden (Joachim Herz Stiftung 2020).

Abb.2 Festlegung des Verlaufs und der Orientierung der magnetischen Feldlinien am Beispiel eines Stabmagneten (Joachim Herz Stiftung 2020)

Alle magnetischen Materialien richten sich in diesem Magnetfeld nach dem Verlauf der Feldlinien aus (Joachim Herz Stiftung 2020). Im Falle von bewegten, geladenen Teilchen folgen diese dem Verlauf der Feldlinien in Richtung der magnetischen Pole oder werden vom Magnetfeld dorthin abgelenkt (Spanier 2011). Unterschieden wird zudem zwischen den Permanent- und den Elektromagneten. Permanentmagneten sind im Vergleich zu den Elektromagneten in der Lage ein Magnetfeld zu erzeugen, ohne dafür Strom zu benötigen. Sie zeigen beständig magnetische Kräfte. Diese Permanenz ist auf eine parallele Ausrichtung der Elementarmagnete, der atomaren Spins, zurückzuführen (Schmitt 2020). Benötigt wird für diese Ausrichtung jedoch ein äußeres Magnetfeld (Schmitt 2020). Elektromagnete sind Magnete, die nur durch den Fluss geladener Teilchen funktionieren. In Folge der Bewegung der geladenen Teilchen wird auch ein Magnetfeld erzeugt. Wird diese Ladungsbewegung wieder unterbrochen, versagt auch das Magnetfeld (Schmitt 2020).

3. Das Erdmagnetfeld

Das Magnetfeld der Erde lässt sich näherungsweise als Dipolfeld eines Stabmagneten beschreiben (GFZ Potsdam o.J.). Diese Vorstellung wird auch häufig in Darstellungen des Erdmagnetfeldes aufgrund seiner Einfachheit genutzt (s.Abb.3), ist jedoch bei näherer Betrachtung um ein Vielfaches differenzierter.

Abb.3 „Das Magnetfeld der Erde. […] Der nach Süden gerichtete Pfeil gibt einerseits die magnetische Achse wieder, zum anderen die Richtung des Dipols, der als stabförmiger Magnet fast genau im Mittelpunkt der Erde sitzt […]“ (GFZ Potsdam 2006).

Zum einen vermittelt das Bild des Stabmagneten den Eindruck, dass die Erde ein Permanentmagnet wäre. Da die Hauptquelle des Magnetfeldes allerdings auf dem Geodynamo beruht, ist die Beschreibung als Elektromagnet zutreffender. Die Pole des Magnetfeldes der Erde stimmen zudem nicht mit den geographischen Polen überein, tatsächlich ist die Achse des Magnetfeldes um derzeit 10 Grad gegenüber der Erdrotationsachse geneigt (GFZ Potsdam o.J.). Diese Abweichung wird auch als Deklination oder Missweisung bezeichnet (GFZ Potsdam o.J., Nelson et al. 1962: 5). Die magnetischen Pole sind dabei durch die Inklination bestimmt. Die Inklination beschreibt den Einfallswinkel der Feldlinien in die Erde, welche an den Polen genau 90 Grad betragen (GFZ Potsdam o.J.). Ebenso gibt es großräumige Abweichungen von der Form eines Dipolfeldes, die sich, wie auch der starke Dipolanteil, auf Bewegungen im Erdinneren zurückführen lassen (GFZ Potsdam o.J.). Die Form des Erdmagnetfeldes wird zudem stark durch eintreffende Sonnenwinde beeinflusst, dadurch wird es auf der Tagseite zusammengedrückt und auf der Nachtseite herausgezogen. Es formt sich eine kometenförmige Gestalt (Lühr & Maus 2004).

Übung 1: Bau eines Inklinationskompass – Stabmagnet schwebt frei an einer Schnur. Im oberen Bild schwebt der Stabmagnet annäherend waagerecht, die Schnur ist allerdings nicht genau in der Mitte angebracht.
Im Idealfall, bei genauer Anbringung der Schnur in der Mitte des Stabmagneten, kippt die rote Seite wenn man sich auf der Nordhalbkugel befindet (rote Seite = magnetischer Nordpol) und die grüne Seite (grüne Seite = magnetischer Südpol) kippt beim Aufenthalt auf der Südhalbkugel

3.1 Geodynamo

Hauptquelle des Magnetfeldes der Erde ist der sogenannte Geodynamo, er macht ca. 90 Prozent der aktuellen stärke des Erdmagnetfeldes aus (GFZ Potsdam o.J.). Voraussetzung für die Funktion des Geodynamos sind die Konvektionsströme von flüssigem Eisenmassen im äußeren Erdkern und die Corioliskräfte, die in das flüssige Eisen des äußeren Erdkerns geordnete Strömungsmuster bringen (Haak et al. 2006: 23). Ursache der Konvektionsströme sind die Temperaturunterschiede im Erdinneren. Das flüssige Eisen wird in tieferen Bereichen, am Übergang vom äußeren zum inneren Erdkern, stärker erhitzt und steigt aufgrund einer geringeren Dichte als das darüber liegende Eisen auf. Im Übergangsbereich zum Erdmantel kühlt das Eisen ab und sinkt zurück Richtung innerem Erdkern (Wicht & Christensen 2008). Der Dynamomechanismus beruht darauf, dass man ein elektrisch leitfähiges Material (flüssiges Eisen) in einem bereits vorhandenen Magnetfeld bewegt. Durch die Lorentzkraft werden elektrische Ströme erzeugt, die wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen (Wicht & Christensen 2008). Das bereits vorhandene „äußere Magnetfeld stammte wohl von der frühen Sonne oder wurde in der Akkretionsscheibe, aus der sich die Planeten bildeten, erzeugt“ (Haak et al. 2006:23).

Ein wichtiger Prozess in der erdgeschichtlichen Historie war die Verfestigung des inneren Erdkerns vor etwa 565 Millionen Jahren (Bono et al. 2019). Aus Messungen von kristallinen Einschlüssen in 565 Millionen Jahren altem Feldspat aus Kanada, konnte die Stärke des Magnetfeldes zur damaligen Zeit rekonstruiert werden (Bono et al. 2019). Ergebnis dieser Untersuchung war ein zehnmal schwächeres Erdmagnetfeld als heute, dass kurz vor dem Kollabieren stand (Bono et al. 2019). Durch die Verfestigung des Erdkerns und die zunehmende Abkühlung wird zusätzliche Energie für den Geodynamo geliefert (s. Abb. 4), was mit einer Zunahme der Stärke des Magnetfeldes einhergeht (Haak et al. 2006: 25).

Abb.4 Schematische Darstellung der Antriebskräfte für die Konvektion im äußeren Erdkern. Die Konvektionsbewegung erzeugt hier das Erdmagnetfeld.
(Wicht & Christensen 2008)

Die Energie wird zum einen durch die Auskristallisierung von Eisen freigesetzt, die sogenannte Kristallisationswärme, und durch die Freisetzung leichter Stoffe, wie Sauerstoff und Schwefel an der Oberfläche des inneren Erdkerns. Hier liefert die chemische Konvektion zusätzliche Energie (Wicht & Christensen 2008). Der Prozess der Auskristallisierung wird auch als „Ausfrieren des inneren Kerns“ (Haak et al. 2006: 24) bezeichnet, also das Wachstum des inneren Erdkerns durch die Auskristallisierung von Eisen aufgrund der abnehmenden Temperatur der Erde (Haak et al. 2006: 24).

3.2 Weitere Quellen des Erdmagnetfeldes

Neben dem Geodynamo wird das Magnetfeld der Erde noch durch andere, wenn auch kleinere Quellen beeinflusst. Der nächstgrößere Einflussfaktor ist das Krustenfeld oder auch Lithosphärenfeld, welches durch magnetisiertes Gestein in der Erdkruste nahe der Erdoberfläche erzeugt wird (GFZ Potsdam o.J.). „Die Gesteinsmagnetisierung kann entweder induziert sein (d.h. die Magnetisierung ist proportional zu einem induzierenden Feld, im allgemeinen durch das geomagnetische Kernfeld gut angenähert), oder remanent, wobei Stärke und Richtung der Magnetisierung in den Gesteinen „eingefroren“ sind und sich nur über geologische Zeiträume ändern.“ (GFZ Potsdam o.J.). Die Feldstärke liegt dabei meist unter 100 nT (Nanotesla) (im Vergleich: Stärke des Hauptfeldes zwischen 25000 nT am Äquator und 70000nT an den Polen (GFZ Potsdam o.J.)), nur an wenigen Anomalien, wie in Kursk in Russland oder Bangui in Afrika, werden auch Stärken von mehr als 1000 nT erreicht (GFZ Potsdam o.J.).

Eine weitere Quelle sind die externen Anteile. Diese werden in der Ionosphäre und in der Magnetosphäre gebildet, es handelt sich hier um induzierte Felder von Stromsystemen, die starken zeitlichen Schwankungen unterworfen sind (GFZ Potsdam o.J.). Über lange Zeiträume wird die Stärke dieser Felder auf knapp Null gemittelt, in ihrer Amplitude können sie allerdings bis zu 100 nT stark sein und bei starken magnetischen Stürmen sogar 1000 nT erreichen (GFZ Potsdam o.J.).

Der kleinste Beitrag zum Magnetfeld wird durch die Ozeanströmung generiert. Das hoch leitfähige Meerwasser erzeugt durch Bewegungsinduktion ein eigenes Magnetfeld, dass mit lediglich 10 ppm (parts per million) des geomagnetischen Feldes durch Satelliten messbar ist (Lühr & Maus 2004: 45, GFZ Potsdam o.J.).

3.3 Schutzfunktion

Das Magnetfeld hat eine elementare Schutzfunktion für das Leben auf der Erde. Hochenergetische Teilchen aus dem Universum und von der Sonne bewegen sich mit Geschwindigkeiten von 400 bis zu 3000 Kilometer pro Sekunde durch das Weltall (Spanier 2011). Kollidieren diese ungehindert auf Teilchenebene in der Atmosphäre, können leichte Atome aus der Atmosphäre entfernt und Planeten zu lebensfeindlichen Umgebungen gemacht werden (Spanier 2011). Das Magnetfeld der Erde sorgt dafür, dass die geladenen Teilchen abgelenkt werden und in einem Ring, dem Van-Allen-Gürtel, um die Erde kreisen und, sich spiralförmig um die Magnetfeldlinien bewegend, auf die Atmosphäre treffen (Spanier 2011). Das Magnetfeld der Erde wird durch den anströmenden Sonnenwind kometenschweifförmig verformt (s. Abb.5).

Abb.5 Einfluss des Sonnenwindes auf das Erdmagnetfeld (Günther o.J.)

Problematisch ist es, wenn das interstellare Magnetfeld gegenläufig zu dem der Erde verläuft (s. Abb. 5 Blaue Pfeile). Beim Aufeinandertreffen der beiden Magnetfelder entsteht eine Rekonnexionszone, in der die Feldlinien aufreißen und sich neu verbinden. Es bilden sich an den Polen offene Feldlinien (s. Abb. 5 Rote Pfeile), an denen ungehindert energiereiche Partikel in die Atmosphäre gelangen können (Günther o.J.).

Besonders für die Technik bleibt trotz des Magnetfeldes die Gefahr durch die geladenen Teilchen, die in die Atmosphäre eindringen, bestehen. Kosmische Strahlung hat eine ionisierende Wirkung und kann Computerschaltkreise unerwünscht elektrisch aufladen, was zur Fehlfunktionen führen kann (Spanier 2011). Für Satelliten in der Erdumlaufbahn ist die Gefahr noch um ein Vielfaches größer, da sie einem höheren Strahlungsvolumen ausgesetzt sind (Spanier 2011).

4. Räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes

Die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes wird maßgeblich von den Quellen des Erdmagnetfeldes bestimmt. Ein gängiges Magnetfeldmodell ist das Internationale Geomagnetische Referenzfeld (IGRF) (s. Abb. 6). Es beschreibt das interne Hauptfeld und wird alle fünf Jahre aktualisiert (GFZ Potsdam o.J.). Das interne Hauptfeld, das durch den Geodynamo erzeugt wird, trägt logischerweise am stärksten zur räumlichen Verteilung bei. Dementsprechend ist das Magnetfeld der Erde aufgrund seines Dipolcharakters in den nördlichen und südlichen Breitenkreisen am stärksten und in der Nähe des Äquators am schwächsten (s. Abb. 6). Die anderen Quellen sorgen für kleinräumige oder sporadische Anomalien, wie zum Beispiel die Anomalien des Lithosphärenfeldes bei Kursk oder Bangui (GFZ Potsdam o.J.). Externe Einflüsse wie magnetische Stürme, infolge von starken Sonnenwinden, können das Magnetfeld kurzfristig, aber stark beeinflussen (GFZ Potsdam o.J.).

Abb. 6 Total Force IGRF12 (GFZ Potsdam o.J.)

5. Abschwächung und Umpolung des Erdmagnetfeldes

Die Änderung des internen Hauptfeldes des Erdmagnetfeldes bezeichnet man als Säkularvariation. Im Zuge dieser Änderung des Magnetfeldes wandern auch die magnetischen Pole (s. Abb. 7) und es kann zu einer sogenannten Feldumkehr kommen (GFZ Potsdam o.J.).

Abb. 7 Position des magnetischen und geomagnetischen Pols (rote Punkte) auf der Nordhalbkugel (links) und der Südhalbkugel (rechts) von 1590 bis 2017 (GFZ Potsdam o.J.)

Das Magnetfeld der Erde nimmt seit circa 160 bis 170 Jahren ab (GFZ Potsdam o.J., Buffett & Davis 2018) und hat in diesem Zeitraum um rund 10 Prozent abgenommen (GFZ Potsdam o.J.). Dass sich das letzte Mal die Polarität des Magnetfeldes änderte, geschah vor 780000 Jahren und es vergehen im Mittel 200000 bis 300000 Jahren zwischen zwei Umpolungen (Buffett & Davis 2018). Die Umpolungen geschehen jedoch äußerst unregelmäßig, weswegen es falsch wäre davon auszugehen, dass eine Umpolung überfällig wäre (Buffett & Davis 2018). Die Wahrscheinlichkeit für eine Umpolung innerhalb der nächsten 20000 Jahre liegt bei unter zwei Prozent (Buffett & Davis 2018).

5.1 Verantwortliche Prozesse

Verantwortlich für die Abschwächung des Magnetfeldes und die Wanderung der Pole sind die Strömungen des flüssigen Eisens im äußeren Erdkern (Buffett & Davis 2018). Berechnungen zeigten, dass sich eisenreiches Material besonders auf der westlichen Seite des Erdkerns ablagerte. Auf der östlichen Seite dagegen schmolz der Kern teilweise auf, wodurch sich der tausend Jahre vollziehende Westdrift des Magnetfeldes erklären ließ (Olson & Deguen 2012). Die neuerliche Bewegung des Magnetfeldes nach Osten lässt sich damit allerdings nicht erklären (Olson & Deguen 2012). Die genauen ablaufenden Prozesse im Erdinneren sind im Wesentlichen unklar, was alle konkreten Vorhersagen bisher unmöglich macht (Titz 2018).

5.2 Folgen

Das Magnetfeld ist hauptsächlich dafür verantwortlich, uns vor der kosmischen Strahlung zu schützen (Spanier 2011). Nimmt die Stärke des Feldes und die herrschende Dipolstruktur des Magnetfeldes ab, können vermehrt geladene Teilchen in die Atmosphäre und durch den Verlust der Dipolstruktur häufiger an Anomalien an verschiedensten Orten auf der Erde eindringen. Beispielhaft dafür ist eine Anomalie über dem Südatlantik, in der das Magnetfeld besonders schwach ist (s. Abb. 8). Satelliten und Luftfahrzeuge, die durch diese Region fliegen, sind häufiger technischen Störungen ausgesetzt (ESA Earth Observation Portal 2020). Das Magnetfeld geht jedoch nicht während einer Feldumkehr komplett verloren, sondern lediglich der Dipolcharakter. Das Feld würde an Komplexität hinzugewinnen und sich mit zunehmender Stärke in umgekehrter Richtung wiederaufbauen (Haak et al. 2006: 30). Folgen würden auch für menschliche Navigationssysteme auftreten, und für Tiere, die sich anhand des Magnetfeldes orientieren.


Abb. 8 Die Südatlantik-Anomalie ist ein Gebiet, in dem unser Schutzschild schwach ist. Diese Animation zeigt die Stärke des Magnetfeldes an der Erdoberfläche zwischen 2014-2020, basierend auf den gesammelten Daten der Swarm-Satellitenkonstellation  (aus dem Englischen gemäß ESA Earth Observation Portal 2020)

6. Fazit

Die Forschungen zum Magnetfeld der Erde sind im vollen Gange. Gerade die Phänomene wie die Verschiebung der magnetischen Pole und die Polsprünge beschäftigen die Forscher. Aber auch grundlegende Eigenschaften des Erdmagnetfeldes, wie der Antrieb durch den Geodynamo, sind noch nicht vollends erklärbar (Titz 2018). Aufgrund der Prozesse in den großen Tiefen des Erdkerns ist man weiterhin auf die Untersuchung von paläomagnetischen Gesteinen und Computermodellen angewiesen, um Aussagen über historische Entwicklungen des Erdmagnetfeldes und damit auch über mögliche zukünftige Entwicklungen treffen zu können. Da das Erdmagnetfeld nicht nur für unsere Orientierung und die vieler Tiere wichtig ist, sondern auch als Schutzfaktor für die Erde, hat die Bestimmung und Prognose der zukünftigen Entwicklung und Ausrichtung des Erdmagnetfeldes eine enorme Bedeutung.

Übunng 2: Lückentext Erdmagnetfeld

Das Magnetfeld der Erde wird näherungsweise als _______ beschrieben. Aufgrund der häufigen Darstellung eines Stabmagneten als Magnetachse könnte man auf den ersten Blick davon ausgehen, dass das Erdmagnetfeld auf einem ______-magnet beruht. Es beruht jedoch vielmehr auf einem _____-magnet. Antrieb des Erdmagnetfeldes ist nämlich ein ______-prozess, der sogenannte ______.

 _______-ströme im äußeren Erdkern führen zu einer Bewegung von elektrisch leitfähigem Material. Vereinfacht gesagt, erzeugt dieses bewegte Material in einem initiierenden Magnetfeld, dass vermutlich von der _____ stammte, durch die Lorentzkraft weitere Magnetfelder.

Der Antrieb zieht zusätzliche Kraft aus der Auskristallisierung, auch „______ __ _____ _______“ genannt. Bei der Auskristallisierung werden ____________ und leichte ______ freigesetzt.

Neben dem bereits erwähnten Antrieb des Erdmagnetfeldes, gibt es noch weitere Quellen, die Magnetfelder auf der Erde erzeugen und zu kleineren Abweichungen des Erdmagnetfeldes führen. Zu nennen wären das __________, dass besonders stark bei Kursk und Bangui ist, der _____ _____, gebildet in der Ionosphäre, und der __________ und die ___________ als kleinste Quelle.

Die Stärke und die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes folgen der Dipolstruktur. Somit findet man die stärksten Bereiche des Erdmagnetfeldes an den _______ und die schwächsten Bereiche in der Nähe des _________. Eine Anomalie, an der das Erdmagnetfeld besonders schwach ist, findet man über dem ________.

Gefährlich sind solche Anomalien oder schwache planetare Magnetfelder, da Magnetfelder eine elementare Schutzfunktion erfüllen. Neben dem Schutz der _____, die negativ auf die stark ionisierende ________ _______ reagiert, schützt das planetare Magnetfeld besonders auf _____-ebene, da _________ _________ im Universum mit bis zu 4000 km/h auf die Atmosphäre treffen und ohne Magnetfeld ungehindert _____ aus der Atmosphäre entfernt werden.

7. Literatur

Buffett, B.; Davis, W. (2018): A probalistic assessment of the next geomagnetic reversal. In: Geophysical Research Letters 45 (4). https://doi.org/10.1002/2018GL077061 [29.12.2020].

Dambeck, T. (2015): Schutzschilde im Sonnensystem. https://www.mpg.de/8821750/planeten-magnetfelder [9.2.2021].

Deacademic.com (Hg.) (o.J.): Innerer Aufbau der Erde. https://deacademic.com/dic.nsf/dewiki/656689 [17.1.2021].

ESA Earth Observation Portal (Hg.) (o.J.): Swarm (Geomagnetic LEO Constellation). https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/swarm [29.12.2020].

GFZ Potsdam (o.J.): Häufig gestellte Fragen zum Thema Erdmagnetismus. https://www.gfz-potsdam.de/magservice/faq/#c2266 [29.12.2020].

GFZ Potsdam (o.J.): Das magnetische Feld der Lithosphäre. https://www.gfz-potsdam.de/sektion/geomagnetismus/themen/quellen-des-erdmagnetfelds/lithosphaerenfeld/ [29.12.2020].

GFZ Potsdam (o.J.): Ozeanischer Gezeitendynamo. https://www.gfz-potsdam.de/sektion/geomagnetismus/themen/quellen-des-erdmagnetfelds/gezeitendynamo/ [29.12.2020].

Günther, D. (o.J.): Einfluss des Sonnenwindes auf das Erdmagnetfeld. https://www.weltderphysik.de/media/?tx_wdpmedia_pi2%5Bimage%5D=332&tx_wdpmedia_pi2%5Baction%5D=image&tx_wdpmedia_pi2%5Bcontroller%5D=Gallery&cHash=b3f7babf25da573ce3ba46cd82890a94 [29.12.2020].

Haak, V.; Korte, M.; Wardinski, I. (2006): Das ruhelose Magnetfeld der Erde. Was wir über den Geodynamo wissen. In: Sterne und Weltraum (6): 22-31.

Joachim Herz Stiftung (Hg.) (2020): Magnetfeld und Feldlinien. https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/permanentmagnetismus/grundwissen/magnetfeld-und-feldlinien [29.12.2020].

Lühr, H.; Maus, S. (2004): Unsichtbar und einflussreich – der Geodynamo. In: Erde und Umwelt: 42-45.

Nelson, J.; Hurwitz, L.; Knapp, D. (1962): Magnetism of the Earth. Washington.

Olsen, P.; Deguen, R. (2012): Eccentricity of the geomagnetic dipole caused by Iopsided inner core growth. In: Nature Geoscience (5): 565-569.

Prangs, F. (2014): Stellare Magnetfelder. https://www.mpifr-bonn.mpg.de/2925144/Stellare-Magnetfelder.pdf [29.12.2020].

Schmitt, F.-J. (2020): Magnetisierung. https://www.supermagnete.de/magnetismus/magnetisierung [29.12.2020].

Schmitt, F.-J. (2020): Elektromagnetismus. https://www.supermagnete.de/magnetismus/elektromagnetismus [29.12.2020].

Spanier, F. (2011): Der Einfluss des Sonnenwindes auf die Erde. https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/erde/sonnenwind/ [29.12.2020].

Titz, S. (2018): Rasche Umpolung ist unwahrscheinlich. https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/news/2018/rasche-umpolung-ist-unwahrscheinlich/ [29.12.2020].

Bono, R.; Tarduno, J.; Nimmo, F.; Cottrell, R. (2019): Young inner core inferred from Ediacaran ultra-low geomagnetic field intensity. In: Nature Geoscience (12): 143-147.

Wicht, J.; Christensen, U. (2008): Die Magnetfelder der Planeten. https://www.mps.mpg.de/442677/17Die-Magnetfelder-der-Planeten.pdf [29.12.2020].

Lösung Lückentext

Dipolfeld, Permanent, Elektro, Dynamo, Geoddynamo, Konvektions, Sonne, Ausfrieren des inneren Kerns, Kristallisationswärme, Stoffe, Lithosphärenfeld, externe Anteil, Magnetosphäre, Ozeanströmung, Polen, Äquators, Südatlantik, Technik, Kosmische Strahlung, Teilchen, Hochenergetische Teilchen, Atome

Plattentektonik

Abb. 1: Graphical Abstract über die Prozesse und Auswirkungen der Plattentektonik (ESKP o.J. (1); Tamedia Espace AG 2018 (2); Lenz 2013 (3); planet-wissen 2020 (4); easyvoyage o.J. (5); Scinexx 2020 (6))

Gliederung

  1. Einleitung                                                                                                       
  2. Definition „Plattentektonik“                                                                    
  3. Mechanismen der Plattentektonik                                                          
  4. Vergangene und zukünftige Entwicklung der Land- und Meeresverteilung     
    1. Wegeners Theorie                                                                              
    2. Wilson Zyklus                                                                            
  5. Hot Spots                                                                                                       
  6. Plattengrenzen und ihre Dynamik                                                          
    1. Divergente Plattengrenzen                                                                  
      1. Kontinentales Rifting                                                         
      2. Mittelozeanischer Rücken                                                    
    2. Konvergente Plattengrenzen                                                               
      1. Subduktionszonen                                                               
      2. Kontinent-Kontinent-Kollision                                                
    3. Blattverschiebung                                                                               
  7. Fazit                                                                                                    
  8. Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Es gibt aktuell verschiedene Forschungen im Bereich der Plattentektonik von unterschiedlichen Institutionen. Eine Institution ist die Alfred Wegener Stiftung in Bremerhaven, benannt nach dem Gründer der Theorie der Kontinentalverschiebung. (https://www.awi.de/forschung/geowissenschaften/geophysik.html) Dort geht es um die Erforschung des Untergrunds vom Meeresboden bishin zum Erdmantel. Ziel dieser Untersuchung ist es, Erkenntnisse über die Prozesse des Antriebs von Kontinentaldrifts, sowie über die Beeinflussung des Klimas, durch das Öffnen von verschiedenen Meeresstrassen zu gewinnen. Im speziellen werden hier die Polarregionen untersucht. Des Weiteren gibt es auch die „University of Birmingham“ die im Bereich der Tektonik weiter forscht. (https://www.birmingham.ac.uk/research/activity/earth-sciences/platetectonics/index.aspx) In ihrem Forschungsprojekt, beschäftigen sie sich mit der Struktur und Entwicklung von Plattengrenzen und ihren Prozessen. Der Zusammenhang von Mantel- und Oberflächenprozessen ist auch ein Aspekt der dabei untersucht wird. Dabei wird sowohl im globalen, als auch im lokalen Maßstab geforscht. Unterstütz wird die Forschung unter anderem durch seismische Bildgebung von Erdbeben und Paläomagnetismus, der den Magnetismus an Gesteinen misst (AWI o.J., University of Birmingham o.J.).

Ziel dieser Arbeit ist es die Grundbausteine, also die Prozesse die für die Landschaftsformen verantwortlich sind, sowie die Entstehung der Landschaftsformen in Hinblick auf die heutige Forschung darzustellen und zu analysieren. Der Aufbau der Arbeit ergibt sich wie folgt: Auf eine kurze Einführung zum Begriff Plattentektonik, folgen die Mechanismen die die Platten antreiben. Ein Überblick über die zeitliche Veränderung der Land- und Meeresverteilung wird im Weiteren geschaffen. Anschließend werden die Plattengrenzen und die dort entstehende Dynamik erläutert. Am Ende werden die wichtigsten Erkenntnisse der Plattentektonik aus der Arbeit aufgenommen, bewertet und im Fazit zusammengebracht.

2 Definition Plattentektonik

Plattentektonik ist eine kinematische Theorie, die sich mit der Entstehung von Oberflächenphänomenen und Landformen auseinandersetzt. Es handelt sich hierbei um eine kinematische Theorie, da diese Phänomene aus der großräumigen und unterirdischen Bewegung der Erde resultieren. Die äußere Erdhülle, welche auch als Lithosphäre bezeichnet wird, besteht aus vielen kleinen und großen starren Platten die auseinandergebrochen sind. Begrenzt wird diese durch die Asthenosphäre, die 100 bis 200 Kilometer tief in den Bereich des Erdmantels reicht und auf der sich die Lithosphärenplatten bewegen. Prozesse zwischen der Asthenosphäre und der Lithosphäre führen dazu, dass sich die Platten in unterschiedlicher Geschwindigkeit 2 bis 15 cm pro Jahr verschieben. Man bezeichnet diese Platten als tektonische Platten. An sogenannten Plattengrenzen kommt es dann zu Interaktionen der Platten, welche sich dann als Vulkane, Berge, Inselketten, Tiefseegräben und Sedimentbecken zeigen. Die Position der Plattengrenzen lässt sich somit, durch diese Phänomene lokalisieren (Boyden et al. 2011, National Geographic o.J.).

3 Mechanismen der Plattentektonik

Der Auslöser für die Plattenbewegung ist zum einen der Wärmefluss von Kern und Mantel, der die Hauptfunktion darstellt und zum anderen die aktive Funktion der Platten im Konvektionssystem. Ein Beispiel für eine aktive Funktion ist die Subduktion, bei der eine Platte unter eine andere gedrückt wird. Bei der Mantelkonvektion wird die Hitze aus dem Erdinneren, die durch den Zerfall radioaktiver Elemente verstärkt wird, freigesetzt und nach oben transportiert. Heiße Materie, welche eine geringere Dichte vorweist steigt zur Oberfläche auf und kalte sinkt zum Erdkern runter. Dieser Prozess, der auch thermische Konvektion genannt wird, führt auf Grund der Temperaturunterschiede zu einer thermischen Ausbreitung der Lithosphärenplatten (Burg 2011, DLR o.J.).

Der Wärmefluss vom Erdkern bis zum Erdmantel wird dabei im folgenden Video dargestellt.

Video 1: Mantelkonvektion der Erde (https://www.youtube.com/watch?v=MmMX83diwl0)

4 Vergangene und zukünftige  Entwicklung der Land- und Meeresverteilung

Im zeitlichen Verlauf der Entwicklung der Verteilung der Erde von Landmassen und Ozeanen hat man festgestellt, dass es vor Milionen von Jahren einen Superkontinent namens Pangäa gab. Ein Superkontinent wird als solcher bezeichnet, wenn eine starre Anordnung der meisten kontinentalen Landmassen auf der Erde vorliegt. Pangäa existierte vom späten Karbon, 325 Millionen Jahre vor heute, bis in die Zeit des Juras, 150 Millionen Jahre vor heute. Dieser bestand aus 75 bis 90% aus der Kontinentalkruste und gilt somit als Vergleichsgröße für andere Superkontinente. Vor dem jüngsten Superkontinent Pangäa, lassen sich Vermutungen über ältere Superkontinente aufstellen. Bei diesen handelt es sich besipielsweise um Rodinia und Columbia.  Nach aktuellen Erkenntnissen geht man davon aus, dass Superkontinente in einem Intervall von 750 Millionen Jahren auftreten (Meert 2012 : 987 f.).

Das folgende Video zeigt die Verteilung der Kontinente auf der Erde von vor 200 Millionen Jahren und deren voraussichtliche Entwicklung in den nächsten 50 Millionen Jahren.

Video 2: Wandernde Kontinente- Plattentektonik im Zeitraffer
(https://www.youtube.com/watch?v=_0tejKld8Yk)

Zu dem Zusammenschluss und dem Auseinanderbrechen der Kontinente wurde folgende These aufgestellt: „Bottom-Up Plattentektonik domiert bei der Verschmelzung zu einem Superkontinent, wohingegen die Top-Down Plattentektonik die Hauptursache für das Auseinanderbrechen des Kontinents ist.“ Bottom-Up bezieht sich dabei auf den Prozess der Mantelkonvektion und Top-Down auf die Subduktion, sowie das minimale heben und senken der Platte (Keppie 2016 : 265). Diese Prozesse prognostizieren in ca. 200 Millionen Jahren einen weiteren Superkontinent. Der „Amasia“ im Norden oder der „Aurica“ in der Äquatorregion (Keppie 2016 : 265 ff., Vieweg 2020).

4.1 Wegeners Theorie

Alfred Wegener war ein Geophysiker und Meteorologe, der die Theorie der Kontinentalverschiebung aufgestellt hat. Kontinentalverschiebung, auch Kontinentaldrift  genannt, bezeichnet die Bewegung, den Zusammenschluss und das Aufspalten der Kontinente. Sie soll die Erklärung von ähnlichen Gesteinsformationen, gleichartigen Tier- und Pflanzenfossilien auf den verschiedenen Kontinenten liefern. Die Herkunft von Süßwasserreptilien wie der Mesosaurier und fossilen Pflanzen lag in der Perm-Zeit in Südamerika und Afrika. Die Verbreitung dieser Arten auf verschiedenen Kontinenten, sowie die Tatsache, dass die Karroo-Schichten (bestimmte Sedimentabfolge aus dichtem Sandstein) Südafrikas und die Santa-Carina-Felsen in Brasilien wie Puzzleteile zueinander passen, stützen die These. In den 1950er und 60er Jahren kam es durch neue Daten, zu einem Bedeutungsgewinn der Theorie, dass die heutige Land- und Meerverteilung, Fragmente des Superkontinents Pangäa darstellen (Live Science 2017, National Geographic o.J.).

4.2 Wilson Zyklus

Auf Grund von neuen Daten wie den Meeresbodenkarten, die massive weltweite Unterwassergebirge zeigten und magnetische Daten vom Meeresboden, sowie das festgestellte junge Alter der ozeanischen Kruste, führten zu einer Weiterentwicklung von Wegeners These. Diese wurde vom kanadischen Geowissenschaftler John Tuzo Wilson 1980 in Form des Wilson Zyklus umgesetzt. Der Zyklus beschreibt das Öffnen und Schließen von Ozeanbecken und parallel das Auseinanderbrechen von Superkontinenten. Er wird in sechs Phasen unterteilt, die in mehreren Millionen Jahren ablaufen. In der ersten Phase geht es um die Dispersion, die die Rissbildung eines Kontinentes beschreibt. Diese wird vermutlich durch Hot Spots ausgelöst, ein Ort im Erdmantel mit hoher Temperatur, welche die Lithosphärenplatten zum schmelzen bringen. Darauf folgt die Ausbreitung des Meeresbodens mit der Bildung eines jungen neuen Ozeans. Der Riss dehnt sich weiter aus und wird durch das stetige Absinken des Grabenbodens überflutet. Auf Grund von stetig steigendem Magma am Meeresboden entsteht dann neuer ozeanischer Boden. Dies wird auch als Seafloor-Spreading bezeichnet. Die dritte Phase beschreibt die aus dem Kontinentaldrift entstandenen großen ozeanischen Becken. Auf Grund von Subduktionsprozessen, vor allem an Rändern von Meeresbecken, kommt es im weiteren Verlauf zu einer flächenhaften Abnahme der Ozeane. Mit dem Prozess, der Subduktion von ozeanischen Lithosphärenplatten, kommt es anschließend zu der Schließung von ozeanischen Becken. In der letzten Phase kollidieren dann zwei Kontinentalplatten, die zur erneuten Schließung von ozeanischen Becken führen (National Geographic o.J., Wilson et al. 2019). Die Kernelemente dieser These sind folgende: „Plattentektonik, das Öffnen und Schließen von Ozeanen, sowie Mantelwolken“ (Wilson 2019). Bei der Plattentektonik ist der Unterschied zu Wegeners Theorie, dass es nicht nur Platten von den Kontinenten gibt, sondern viele verschiedene Platten. Der wichtigste Treiber ist die Manteldynamik mit den Mantelwolken, bei der extrem heißes Gestein im Erdmantel konvergiert (Wilson 2019).

5 Hot Spots

Wilson beschäftigte sich auch mit der Frage, warum Vulkane nicht nur an den Grenzen von Platten entstehen, sondern auch weit von diesen entfernt. Die Lösung Wilsons 1963 war, dass Inselketten wie Hawaii, durch feste Hot Spots im Erdmantel entstanden sind. Diese sind Regionen des Erdmantels, an denen Magma zur Erdoberfläche aufsteigt. Bewegen sich ozeanische Platten über einen Hot Spot, dann entstehen der Bewegung entsprechend, nacheinander kleinräumige Ketten von Vulkaninseln. Auslöser dieser Hot Spots sind Mantelwolken, die sich pilzformartig mit den geschmolzenen Gesteinen bis zur Grenze von Kern und Mantel ausbreiten (ESKP o.J., National Geographic o.J., Sobolev & Steinberger 2012 : 56 f.).

6 Plattengrenzen und ihre Dynamik

Auf der Oberfläche der Erde gibt es viele verschiedene Lithosphärenplatten, die sich über die Asthenosphäre bewegen und von Konvektionsströmen geleitet werden. Es handelt sich dabei um eine horizontale Verschiebung der starren Festkörper in Form von Platten. Wenn zwei oder mehrere Platten an den Rändern und somit an den Grenzen zusammentreffen kommt es zu Platzproblemen an den Plattengrenzen. Energie entsteht, die in Form von Erdbeben durch ein Auseinanderdriften, kollidieren und durch ein Übereinanderschieben der Platten spürbar wird. Auch genannt als Divergenz, Konvergenz und Blattverschiebung. Dazu kommt es durch zwei Faktoren, die den Drift und somit die Bewegung verursachen. Der eine ist das aufsteigende Magma unter den Plattengrenzen, was dazu führt, dass die Platten auseinander driften. Und zum anderen Subduktionsprozesse einer entfernten gegenüberliegenden Platte. Die Platte wird somit vom Ausbreitungszentrum weggezogen. An den Plattengrenzen ist fast die gesamte tektonische Aktivität  vorzufinden. Auf Grund dieser Grenzen kommt es zu Deformationen von Gestein, die sekundäre Strukturen wie zum Beispiel Berglandschaften hervorrufen (Burg 2011 : 110 f., ESKP o.J.).

Diese Grenzen werden in der folgenden Abbildung dargestellt und zeigen die weltweite Verteilung von divergenten und konvergenten Prozessen an den Plattengrenzen.

Abb.2: Plattengrenzen (ESKP o.J.)

6.1 Divergente Plattengrenzen

Bei der Divergenz driften zwei Platten auseinander und ermöglichen dadurch die Bildung einer ozeanischen Platte. Bei dem Prozess werden die Platten auseinandergerissen und Spalten entstehen. Heißes Mantelgestein gelangt somit nah an die Manteloberfläche. An einzelnen Stellen kommt es zu einer Verdünnung der Platten, die die Bildung eines Grabens begünstigen. Der Riss wird im zeitlichen Verlauf immer weiter aufbrechen und ein Meer erschaffen. Ein Beispiel dafür sind die arabischen Halbinseln und Afrika, welche durch das Rote Meer geteilt sind. Das Rote Meer ist dabei ein Beispiel für die Entstehung einer neuen ozeanischen Platte. Vor allem an solchen Zonen findet man mehr als die Hälfte von vulkanischer Aktivität, aber auch die aktivsten Vulkane der Welt. Große entstandene Vulkane in Deutschland sind dabei der Kaiserstuhl, der Vogelberg, sowie Hegau und Eifel (Burg 2011 : 110 f., ESKP o.J.).

6.1.1 Kontinentales Rifting

Kontinentales Rifting beschreibt die Entstehung von Bewegung bei dem  Auseinanderbrechen der kontinentalen Platten. Man unterscheidet dabei zwischen passiven und aktiven Rifts. Passive Rifts, auch Lithosphären-aktivierter Rift genannt, sind Rifts die durch tektonische Kräfte zur Ausdehnung der Lithosphäre führen. Merkmale dafür sind schmale Gräben, klastisches Gestein und junger Vulkanismus. Beispiele dafür sind der Baikal- und der Rheingraben, die wenig vulkanische Gesteine und ein assymetrisches System vorweisen. Beim aktiven beziehungsweise mantel-aktivierten Rift sind Manteldiapire Ursache für die Entstehung eines Grabens. Manteldiapire werden mit Hot-Spot Vulkanismus gleichgesetzt, da diese an von Hot Spots ausgedünnter Lithosphäre auftreten und diese Aufwölben. Merkmale sind hoher Vulkanismus, Bruchbildung,  Erosion und regionale Diskordanz, die in Form von unregelmäßig geschichteten Gesteinen sichtbar wird. Beispiel dafür ist der Ostafrikanische Graben, der ein symetrisches System und viel Vulkanismus aufweist (Burg 2011 : 113 f.).

6.1.2 Mittelozeanischer Rücken

Der divergente Prozess zwischen zwei kontinentalen Platten impliziert die Bildung von Ozeanbecken, welcher zur Entstehung von mittelozeanischen Rücken führt. Mit einer Länge von ca. 60.000 Kilometern stellt der mittelozeanische Rücken am Meeresboden, die weltweit längste Vulkankette dar. An dieser Stelle bildet sich stetig neue ozeanische Erdkruste. Man spricht dabei von Ozeanspreizung.  Lava steigt innerhalb einer 20 bis 30 Kilometer breiten Öffnung zwischen den divergierenden Platten aus. Neu entstandene ozeanische Platten sind jung, dünn und heiß, wodurch sie Auftrieb bekommen und  zu einer Relieferhöhung des Ozeanbodens führen. Einem ozeanischen Gebirgsrücken-System. Diese Platten bewegen sich von dem Rücken in unterschiedlicher Geschwindigkeit weg. Es wird zwischen langsamer und schneller Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rücken unterschieden. Je langsamer die Ausbreitung, desto höher und schroffer die Topographie. Bei dem Atlantik handelt es sich um einen langsamen Rücken und bei dem Ostpazifik um einen schnellen (Burg 2011 : 117 ff., Mahlke et al 2011 : 124).

6.2 Konvergente Plattengrenzen

Konvergenz beschreibt den Vorgang bei dem sich zwei Platten aufeinander zubewegen. Wenn sie aufeinanderprallen entstehen Kollisionszonen, durch fehlenden Platz zum ausweichen beziehungsweise fortbewegen. Es gibt zwei Arten von Konvergenz in der Plattentektonik. Zum einen die Subduktion, bei der die ozeanische Platte unter die kontinentale Platte taucht  und zum anderen die Kontinent-Kontinent-Kollision, bei der die Kontinentalplatten zusammenstossen. Die Art des Zusammenstossens ist somit abhängig von dem Alter und der Zusammensetzung der Platten (ESKP o.J.).

6.2.1 Subduktionszonen

Subduktionszonen wie der pazifische Feuerring entstehen, wenn eine ozeanische Platte unter eine kontinentale Zone driftet. Infolge der hohen Dichte der ozeanischen Platte und Konvektionsströme an der Kontaktfläche von den Platten, wird diese mit Meerwasser und Sedimenten nach unten gesogen. Hitze und Druck die dabei entstehen führen zu Freisetzung von Flüssigkeiten wie Wasser und Gasen, die in Form von Vulkanen beispielsweise in Neuseeland deutlich werden. Auch bei zwei ozeanischen Platten ist der Prozess ähnlich. Die ältere und dichtere Platte wird unter die jüngere, weniger dichte Platte subduziert und verursacht die Bildung von vulkanischen Inselbögen im Ozean, wie die Aleuten. Bei dem sinken der Platte in den Mantel, beginnt diese zu schmelzen und formt somit das Ausgangsmaterial, die die Vulkanketten vergrößert. Die Subduktion beinhaltet auch die Entstehung von Tiefseerinnen. Tiefseerinnen sind schmal, v-förmig und ca. 100 Kilometer breit mit einer Tiefe von ca. 10 Kilometern unter Normalnull. Sie markieren die Grenze zwischen der sinkenden und überlagernden Platte und befinden sich 50 bis 250 Kilometer vom Inselbogen entfernt. Die tiefste Tiefseerinne ist mit 11.034 Metern der Marianngraben (Burg 2011 : 118 f., ESKP o.J.).

6.2.2 Kontinent-Kontinent-Kollision

Kontinent-Kontinent-Kollision bezeichnet das Zusammenschmelzen zweier kontinentaler Platten, zu einem Kontinent. Hier kommt es zu keiner Subduktion, da die kontinentalen Platten einen zu hohen Auftrieb haben. Bei dem Zusammenstoss wird so viel Druck erzeugt, dass dieser in Form von Bewegung nach oben gedrückt wird und somit entweicht. Ein Gebirgsgürtel entsteht. Je stärker die Lithosphärenplatten sind, desto enger und höher ist die Orogenese und somit die Gebirgsbildung. Beispiele dafür sind der Himalaya resultierend aus der Kollision Indiens mit Eurasien und die Alpen durch die Kollision Afrikas mit Europa. Charakteristisch für diese Art von Kollision sind die Krustenwurzeln unter den Gebirgen. Die Masse wächst im Vergleich 5 bis 7 Mal schneller in die Tiefe als in die Höhe (Burg 2011 : 122 f., ESKP o.J.).

6.3 Blattverschiebung

Im Gegensatz zu der Konvergenz und Divergenz driften bei der Blattverschiebung die Platten nicht aufeinander zu, sondern aneinander vorbei. An dem Punkt wo sich die beiden Platten treffen, spricht man von Transform-Grenzen. Die Platten an diesen Grenzen nennt man auch konservierende Platten, da weder Plattenmaterial zerstört wird, noch neues entsteht. Allerdings führt die Reibung der beiden Platten zu Erdbeben, wie bei der San-Andreas-Verwerfung, die eine Transformstörung aufzeigt (Burg 2011 : 125).

7 Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung im Bereich der Plattentektonik mit der Grundlage von Wegeners Theorie seit den 1960er Jahren immer weiter voranschreitet. Es lassen sich bereits die vergangenen und zu erwartenden Land- und Meeresverteilungen mit Hilfe des heutigen Wissens rekonstruieren und vorhersagen. Ursache für die aktuelle Land- und Meeresverteilung liegt dabei bei der Mantelkonvergenz und bei den aktiven Platten. Man geht allerdings davon aus, dass der Faktor „Mantelkonvergenz“ für das Zusammenwachsen und Auseinanderbrechen der Kontinente der ausschlaggebende ist. Insgesamt lässt sich jedoch festhalten, dass durch die Bewegung der Platten, besonders an den Plattengrenzen, Veränderungen in der Landschaft entstehen. Plattengrenzen lassen sich somit vor allem an Hand von Vulkanen, Erdbeben, Tiefseerinnen und  Gebirgen ausmachen. Die Art der Landschaftsentwicklung trägt somit dazu bei, die entsprechende Plattengrenze vor Ort zu erahnen. Trotz alledem lässt sich nicht genau sagen, wie die zukünftige Entwicklung der Land- und Meeresverteilung aussehen wird. Es könnten eventuell neue oder andere Prozesse auftreten, die die Erde weiter verformen. Dies wird sich allerdings erst in der Zukunft, durch weitere Forschungsprojekte herausstellen.

Abschließend werden in dem folgenden Video nochmal wesentliche Aspekte der Plattentektonik zusammengefasst.

Video 3: Plattentektonik (https://www.youtube.com/watch?v=WTwou-Cf7u4)

8 Literaturverzeichnis

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Burg, Jean-Pierre (2011): Grossräumige Strukturen und Plattentektonik: Bachelor-Semester 2-2011. https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/handle/20.500.11850/153372/1/eth-5485-01.pdf [10.02.2021]

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