Der innere Aufbau der Erde


Planet Erde

Die Voraussetzungen für Leben auf der Erde

Die Erde ist der einzige Planet in unserem Sonnensystem, auf dem sich höheres Leben gebildet hat. (Wir wissen nicht, wie viele Planeten es außerhalb unseres Sonnensystems noch im Universum gibt; bei 100 Milliarden Sternen in 100 Milliarden Galaxien ist die Zahl wohl unabsehbar groß - wir haben aber erst etwa 230 davon entdeckt. Über Leben dort wissen wir nichts; die >> Suche nach außerirdischem Leben hat aber längst begonnen.) Warum konnte sich gerade auf der Erde höheres Leben entwickeln?

Die richtige Position in der Milchstraße

Die Erde liegt nicht zu nahe am Zentrum der Milchstraße (dort ist es wegen heißer Staub- und Gaswolken lebensfeindlich), aber auch nicht zu weit außen: Dort kommen nicht genug schwere Elemente vor. Alle Elemente, aus denen die Erde und die Lebewesen bestehen, entstanden im Laufe der Erdgeschichte beim Vergehen ganzer Generationen von Sternen vor unserer Sonne (>> Hintergrundinformation: Entstehung des Universums); ohne diese gäbe es weder Gesteine noch Lebewesen: das Eisen im Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff, der Sauerstoff von der Lunge in den Körper transportiert; der Sauerstoff selbst; das Kalium unserer Knochen - sie sind Produkte ausglühender Sterne. In diesem Sinne sind wir alle Kinder der Sterne.

Wir sind alle Kinder der Sterne ...

Besonders große Sterne vergehen als Supernova (>> Der Aufbau des Universums), dabei entstehen die radioaktiven schweren Elemente, die die Hitze im Erdinneren erzeugen, die wiederum die Plattentektonik antreibt (>> Der Aufbau der Erde): Zwar ist das Leben wohl im Wasser entstanden; aber die Entwicklung des Menschen hat an Land stattgefunden; und ohne eine Geschichte aus Vulkanismus, ersten Plattenkernen, anschließenden Kollisionen und der Auffaltung von Gebirgen wäre die Erde flach und überall mit einer 2,5 Kilometer hohen Wasserschicht bedeckt: Es hätte nie Leben an Land, es hätte nie Menschen gegeben.

Die richtige Größe und die richtige Position zur Sonne

Die Erde ist gerade weit genug von der Sonne entfernt, um die “richtige” Menge an Sonnenenergie abzubekommen, und groß genug, um mit ihrer Schwerkraft eine Atmosphäre festzuhalten. Die Sonnenenergie ist mit Abstand die wichtigste Energiequelle für die Erde. Sie entsteht, da die Sonne mit ihrer Masse eine derartige Anziehungskraft entwickelt, dass die Abstoßungskräfte der Kerne der Wasserstoffatome (die zu drei Vierteln die Sonnenmasse ausmachen) überwunden werden und die Kerne verschmelzen; die entstehenden Atome sind aber nicht stabil und geben Energie ab, wodurch sie zu stabilen Heliumatomen werden. Pro Sekunde “verbrennt” die Sonne auf diese Art 637 Millionen Tonnen Wasserstoff, dabei entstehen 632 Millionen Tonnen Helium und 385 Milliarden Milliarden Megawatt. Die Position der Erde - etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt - führt dazu, dass die ankommende Sonnenstrahlung energiereich genug ist, um für das Leben notwendige Reaktionen anzutreiben, aber nicht so stark, dass alles Wasser verdampfen würde. (Dieser Bereich wird die “Lebenszone” eines Sterns genannt; diese lässt sich jedoch nicht genau berechnen, da die Oberflächentemperatur der Planeten auch von ihrer Atmosphäre abhängt [mehr hierzu unten im Text]. Bei der Erforschung unseres Sonnensystems wurde zudem festgestellt, dass die Jupitermonde Io und Europa wärmer sind als durch die Sonnenstrahlung erklärbar: Sie werden auch durch Gezeitenkräfte erwärmt, so dass auf Europa sogar flüssiges Wasser vorkommt.)  Das Grundprinzip des Strahlungshaushalts der Erde ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Der Strahlungshaushalt der Erde: Von der ankommenden Sonnenstrahlung wird ein Teil reflektiert, der übrig bleibende Anteil erwärmt Wasser, Landflächen und die Atmosphäre und wird als Wärmeabstrahlung wieder abgegeben. Abbildung übersetzt, Original NASA (Quelle: http://visibleearth.nasa.gov/).

Die Rolle der Atmosphäre

Als der französische Mathematiker Fourier die Energiebilanz der Erde zuerst berechnete, ergab sie für die Erde eine Temperatur von -19 °C - was offensichtlich nicht stimmte; die Durchschnittstemperatur der Erde beträgt 14 °C. Fourier vermutete, dass irgendetwas in der >> Atmosphäre wie das Glas eines Treibhauses die Wärme festhalten müsse. Ende des 19. Jahrhunderts kam der schwedische Chemiker Svante Arrhenius auf die richtige Spur: er erkannte, dass der Kohlendioxid-Gehalt der Luft die Temperatur beeinflusst - je mehr CO₂ es in der Luft gibt, desto wärmer wird die Erde. Damit waren die Treibhausgase entdeckt; sie lassen mehr (kurzwellige) Sonnenstrahlung durch als (langwellige) Wärmestrahlung wieder hinaus:

Der Treibhauseffekt der Erdatmosphäre: Ein Teil der abgegebenen Wärmestrahlung wird von der Atmosphäre zurückgehalten. Verändert nach Wikipedia, Artikel “Strahlungshaushalt der Erde”, eingesehen am 22.12.2005

Die Stärke des Treibhauseffekts hängt von der Zusammensetzung der Atmosphäre ab (zum heutigen Zustand siehe >> hier); diese hat sich im Laufe der Erdgeschichte verändert. Das Ergebnis grenzt schon ans Unglaubliche: Die Sonne ist ja etwa zeitgleich mit der Erde entstanden, und hat zu Beginn nur etwa 70 Prozent ihrer heutigen Strahlung abgegeben; und dennoch zeigen geologische Untersuchungen und auch die Geschichte des Lebens, dass seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren die Temperatur der Erde immer hoch genug war, dass es flüssiges Wasser gab - die Voraussetzung für Leben. Es scheint also eine Art Thermostat gegeben zu haben (dies ist eine der zentralen Erkenntnisse, die zur Akzeptanz des Modells vom Ökosystem Erde geführt haben, siehe auch die >> Einführung). Tatsächlich wurden entsprechende Elemente gefunden; vor allem der Kohlenstoffkreislauf spielt diese Rolle: In der frühen Atmosphäre gab es eine hohe Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid, dass dann von Gestein 

gebunden wurde. (>> Klimageschichte der Erde) Das Ergebnis: In der gesamten Geschichte des Lebens ist die Temperatur der Erde

In der gesamten Geschichte des Lebens ist die Temperatur der Erde nur um wenige Grad Celsius geschwankt.

nur um wenige Grad geschwankt. (Das der Treibhauseffekt durch vom Menschen zusätzlich in den Atmosphäre abgegebene Treibhausgase verstärkt wird, ist die wichtigste Ursache für den vom Menschen verursachten >> Klimawandel.)

Die Größe der Erde hält nicht nur die Atmosphäre fest, sondern hat noch eine zweite Wirkung: Die Erde kühlt im Inneren kaum aus; dadurch bleibt der Antrieb der Plattentektonik erhalten. Für den Wärmehaushalt der Erde ist die Energie im Erdinneren dagegen im Vergleich zur Sonnenstrahlung kaum von Bedeutung; sie schützt das Leben aber auf eine andere Weise: Konvektionsbewegungen im flüssigen äußeren Teil des Erdkerns sind wahrscheinlich die Ursache für die Erzeugung des Erdmagnetfelds; dieses Erdmagnetfeld schützt die Erde vor den Sonnenwinden. Sonnenwinde bestehen zum größten Teil aus Wasserstoffkernen, die elektrisch geladen sind und daher durch das Magnetfeld zum größten Teil um die Erde herumgelenkt werden. Im hohen Norden kann man diese Sonnenwinde manchmal sehen: Ein kleiner Teil der Partikel gelangt, den Feldlinien folgend, in die Polarregion und erzeugt dort durch Wechselwirkung mit Luftteilchen die spektakulären Polarlichter.

 

Die Sonnenwinde haben aber auch ihr gutes: Sie schwächen die energiereiche kosmische Strahlung ab, so dass deren Einfluss auf die Erde relativ gering ist. Auch hierzu leistet die Atmosphäre einen Beitrag: In einer Höhe von etwa 80 Kilometern befindet sich eine Schicht (die Ionosphäre), in der Teilchen zum Beispiel aus verglühenden Meteoriten ionisiert werden und dabei die tödliche kosmische Strahlung abfangen. Energiereiche UV-Strahlung von der Sonne, die durch die Ionosphäre dringt, wird weitgehend von einer >> Ozonschicht in der Erdatmosphäre gefiltert. Ohne diese Schichten wäre Leben zumindest an Land kaum möglich.

Der innere Aufbau 

   Die Erde ist sehr grob in zwei mächtige Schalen gegliedert: Den Erdkern und den Erdmantel. Die Erdkruste, auf der wir leben, umspannt den Mantel als hauchdünne Außenhaut. Kurz nach der Entstehung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, sanken die schweren Elemente wie zum Beispiel Eisen und Nickel ins Zentrum der Erde und bildeten den Kern. Die leichte Elemente wie zum Beispiel Silizium, Magnesium, Aluminium und Natrium, trieben auf und reicherten sich in einer Schale um den Erdkern – den Mantel – an. Dieser chemische Trennungsvorgang wird Differentation genannt und ist ein Grund für den Schalenbau der Erde.

 Der Schalenbau der Erde. (Nach Beatty, 1990)

Aus seismischen Untersuchungen weiß man, dass der Erdkern weiter in eine innere, feste und eine äußere, zähflüssige Schale unterteilt ist. Man vermutet, dass das Erdmagnetfeld im äußeren Kern erzeugt wird. Es ist nicht klar, weshalb der innere Kern fest und der äußere flüssig ist. Der Kern besitzt einen Radius von etwa 3500 Kilometern. Dabei entfallen auf den inneren Kern ca. 1400 Kilometer und auf den äußeren ca. 2100 Kilometer.

Der Erdkern wird vom Erdmantel durch eine etwa 100 Kilometer mächtige, thermische Grenzschicht, die so genannte D’’-Schicht, getrennt. Über ihr folgt der drei geteilte dmantel. Der untere, etwa 2100 Kilometer mächtige, Mantel besteht überwiegend aus dem Silikat Perowskit. Der untere Mantel ist vom oberen  durch eine knapp 250 Kilometer dicke Übergangszone getrennt. An den Grenzflächen der Übergangszone zum unteren und oberen Mantel finden Mineralreaktionen statt. Dabei entstehen mit zunehmender Tiefe Minerale mit größerer Dichte und kleinerem Volumen. Diese Grenzflächen, an denen Mineralreaktionen stattfinden, sind ein zweiter Grund neben der Differentation für den Schalenbau der Erde. Der etwa 300 Kilometer mächtige obere Mantel und die Übergangszone bestehen überwiegend aus den Silikaten Olivin, Pyroxen und Granat.im innerern der erde ist es zimlich heiß



    Plattentektonik und die Oberfläche



    Als einziger der vier terrestrischen Planeten besitzt die Erde eine Plattentektonik. Das bedeutet, die Erdkruste ist in mehrere Schollen segmentiert, die sich gegeneinander bewegen . Dabei tauchen Platten untereinander ab, wie zum Beispiel die pazifische unter die amerikanische. An anderer Stelle reißen Platten auseinander, wie beispielsweise im Ost-Afrika-Rift oder entlang des Mittelozeanischen Rückens. Anderswo prallen Platten aufeinander und türmen dabei Kilometer hohe Gebirge auf, wie den Himalaja, der durch die Kollision der indischen mit der asiatischen Platte immer noch im Entstehen ist. Die treibenden Kräfte für die Plattentektonik sind gigantische Walzen  Abbildung 2: Plattenmosaik der Erde. Die geleben Linien markieren die Plattengrenzen. Für eine vergrößerte Ansicht auf das Bild klicken.
Bildinformation copyright: frei hplastischen Gesteins im Erdmantel. Auf diesen Walzen treiben die Plattenschollen . Vereinfacht kann man sich die Platten als Styroporstücke vorstellen, die auf kochendem Wasser schwimmen. Auch diese werden durch Konvektionswalzen im Wasser hin und her getrieben.


Abbildung 2: Plattenmosaik der Erde. Die geleben Linien markieren die Plattengrenzen. Für eine vergrößerte Ansicht auf das Bild klicken.

An den Grenzen zweier Platten ist die Erdkruste so dünn und brüchig, dass heißes Mantelmaterial nach oben dringen kann und Vulkane bildet. Weit über 90% aller Vulkane sind an Plattengrenzen zu finden. Daneben gibt es die Exoten wie Hawai’i. Dort dringt Material aus großen Tiefen empor und durchschweißt die Erdkruste punktuell an irgendeiner Stelle. Deshalb wird diese Art Vulkanismus „Hot-Spot“ genannt.

Die Großeinheiten der Erdoberfläche sind eindeutig durch die Plattentektonik geprägt. Jedoch sind etwa 70% der festen Erdoberfläche unter Wasser verborgen. Die restlichen knapp 30% Festlandanteil sind dem ständigen Werden und Vergehen durch Witterungseinflüsse unterworfen. In Bergen erodiert Wind, Wasser, Frost und Sonne die Gipfel und schwemmt das verwitterte Material durch Flüsse in die Täler, wo es in Flussbetten sedimentiert. Flächen, größer als Deutschland, sind so kilometerdick von Sediment zugeschüttet worden. In Flachmeeren und in Schelfbereichen von Kontinenten wird Kalk aus dem Wasser gefällt und bildet riesige Karbonatplattformen. Dabei sedimentieren auch die Schalen und Häuser von Meerestieren. Nach einer Weile werden die Schalen von immer neuen Kalkschichten bedeckt und versteinern. Viel später können diese    
Abbildung 3: Dargestellt sind die Konvektionswalzen des Erdmantels, auf denen die einzelnen Krustenplatten treiben.
fossilführenden Kalkschichten als Teil einer Platte mit einer anderen Kollidieren. Führt diese Kollision zu einem Gebirge, können die Fossilien sogar die Spitze dieses Gebirges bilden. So wandern Fossilien vom Grund eines Meeres in die höchsten Höhen eines Gebirges.

Abbildung 3: Dargestellt sind die Konvektionswalzen des Erdmantels, auf denen die einzelnen Krustenplatten treiben.
Quelle: USGS copyright: USGS

 

 

Quelle: google.de