Erde

Die Erde (von indogermanisch ert ) ist der dritte Planet unseres Sonnensystems. Sie ist ca. 4,6 Milliarden Jahre alt und ist der einzige bekannte belebte Ort (Planetenzeichen: ♁).

Aufbau

Die Erde ist annähernd eine Kugel. Durch die Fliehkräfte ihrer Rotation ist sie an den Polen geringfügig abgeplattet, so dass der Umfang, der am Äquator 40.076,592 km und über die Pole 40.009,153 km beträgt, und der Durchmesser des Planeten um 0,27% variieren und ein Ellipsoid bilden. Der Meeresspiegel (das Geoid) weicht davon nochmals um ± 100 m ab. Die Unterschiede im Umfang bewirken, dass es keinen eindeutig höchsten Berg auf der Erde gibt. Je nach Definition könnte dies der Mt. Everest, der Chimborazo oder der Mauna Loa sein.

Die Oberfläche der Erde unterteilt sich in Landfläche (29,3%) und Wasserfläche (70,7%). Die Landfläche wird zum überwiegenden Teil von den Kontinenten gebildet.

Die Erde besteht in ihrem Inneren aus drei durch seismische Diskontinuitätsflächen (Unstetigkeitsflächen) begrenzte Schalen: Der Erdkruste, dem Erdmantel und dem Erdkern.

Eigenschaften der Schalen

Erdkern

* Innerer Erdkern: Der innere Kern der Erde erstreckt sich zwischen 5100 km und 6370 km unter der Erdoberfläche. Er besteht aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung. Der Druck beträgt hier bis zu 4 Millionen bar, und die Temperatur liegt zwischen 4000°C und 5000°C, ähnlich den dunklen Flecken an der Sonnenoberfläche.

* Äußerer Erdkern: Der äußere Kern liegt in einer Tiefe zwischen 2900 km und 5100 km. Er ist flüssig bei einer Temperatur von ca. 2900°C und besteht aus einer Nickel-Eisen-Schmelze, die möglicherweise auch geringe Spuren von Schwefel oder Sauerstoff enthält. Im Zusammenwirken mit der Erdrotation ist die bewegliche Eisenschmelze aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit verantwortlich für das Erdmagnetfeld.

 

Erdmantel

* Unterer Mantel: Der Übergang zwischen äußerem Kern und unterem Mantel ist durch eine sprunghafte Dichteabnahme von 10 auf 5 g/cm³ gekennzeichnet. Ursache dafür ist ein Mineralwechsel, denn der untere Mantel besteht aus schweren Silikaten und einem Gemenge von Metalloxiden wie z.B. Magnesiumoxid und Eisenoxid. Im unteren Mantel, zwischen 700 km und 2900 km Tiefe, herrscht eine Temperatur von etwa 2000°C. An der überhitzten Grenzschicht zwischen äußerem Kern und unterem Mantel entspringen Plumes und Superplumes.

* Übergangszone: Dieser Bereich zwischen 350 km und 700 km Tiefe wird bereits dem oberen Mantel zugeordnet.

* Oberer Mantel: Der obere Mantel ist weniger starr als der untere, noch etwa 1500°C heiß und besteht nur aus Peridotit, das sich aus Olivin und Pyroxen zusammensetzt. Es gilt als gesichert, dass die basaltischen Magmen, die alle Phänomene des Vulkanismus hervorbringen, aus dem Material des oberen Mantels bestehen. In der Bewegung dieser Magmaströme liegt die Ursache von Plattentektonik, Erdbeben und Gebirgsbildungen.

* Asthenosphäre: Zwischen 100 km und 350 km Tiefe in den oberen Erdmantel hinein erstreckt sich die Asthenosphäre, die ‚Fließschicht‘ für die darüber liegende, relativ starre Lithosphäre.

 

Erdkruste

Die Erdkruste, auch Lithosphäre genannt (zur Lithosphäre zählt auch noch der äußere starre Teil des oberen Erdmantels), besteht aus zwei sehr unterschiedlichen Strukturen:

* Ozeanische Erdkruste: Die ozeanische Kruste bildet mit ihrer 5-10 km Mächtigkeit eine vergleichsweise dünne Schicht um den Erdmantel. Sie besteht aus riesigen Platten, die ständig in langsamer Bewegung sind und dabei auf der ‚Fließschicht‘ (Asthenosphäre) des oberen Mantels schwimmen.
:An den Spreizungszonen der Krustenplatten, den mittelozeanischen Rücken, dringen ständig basaltische Magmen empor, die fließbandartig neue ozeanische Kruste produzieren, bestehend aus Basalt und Gabbro. Deshalb wird die ozeanische Kruste mit wachsender Entfernung von den Rücken immer älter. Da sie an Subduktionszonen wieder in den Mantel abtaucht, um erneut aufgeschmolzen zu werden, ist sie nirgendwo älter als 200 Millionen Jahre.

* Kontinentale Erdkruste: Sie besteht aus einzelnen Schollen, die wir auch als Kontinente bezeichnen. Auch die kontinentale Kruste ’schwimmt‘ auf der ozeanischen Kruste, dort wo sie als Gebirgsmassiv am höchsten aufragt taucht sie durch ihr Eigengewicht auch am tiefsten ein (Isostasie).

In den unter den Weltmeeren liegenden ozeanischen Krustenbereichen ist die Erdkruste am dünnsten, ihre Mächtigkeit liegt zwischen 10 und 65 Kilometern. Die kontinentale Kruste setzt sich aus kristallinen Gesteinen zusammen, deren Hauptbestandteile Quarz und Feldspäte bilden.
Chemisch ist die kontinentale Kruste zu 46,6 Gewichtsprozent (62,55 Atomprozent bzw. 93 Volumenprozent) aus Sauerstoff aufgebaut, bildet also eine dichte ’steinharte‘ Packung aus Sauerstoff. Im Bereich der Erdkruste und an der Erdoberfläche sind die Gesteine einem ständigen Umwandlungsprozess unterworfen, den man auch als Kreislauf der Gesteine bezeichnet.
Selten finden sich Gesteine, die seit der ersten Krustenbildungen in der Erdgeschichte unverändert geblieben sind, die ältesten je gefundenen haben ein Alter von 4 Milliarden Jahren.

 

Erforschung des schaligen Aufbaus der Erde

Unsere Kenntnisse über den Aufbau der Erde stammen aus verschiedenen geophysikalischen Quellen.

 

Gravimetrie und Isostasie

Erste Hinweise auf das innere Material der Erde ergaben sich aus ihrer mittleren Dichte von 5,5 g/cm³, die man mittels Gravitationsgesetz aus dem Mondumlauf berechnen konnte. Da oberflächennahe Gesteine im Durchschnitt 2,7 g/cm³ aufweisen, muss das Erdinnere zumindest 2-3mal dichter sein (Eisen hat etwa 8).

Messungen der Lotrichtung zeigten schon im frühen 19. Jahrhundert, dass das Erdinnere unter hohen Gebirgen eine geringere Dichte hat. Durch genaue Schwerkraft-Messungen (Gravimetrie) erkannte man bald, dass dort die feste Erdkruste dicker als anderswo ist, und dass der darunter befindliche Erdmantel aus schwereren Gesteinen besteht. Große Gebirgsmassive tauchen wie Eisberge umso tiefer ins Erdinnere, je höher sie sind. Dieses „Schwimm-Gleichgewicht“ nennt man Isostasie.

Durch Satellitengeodäsie lassen sich auf ähnliche Art auch tiefere Anomalien des Erdmantels orten.

 

Bohrungen

Die tiefste Bohrung, die je durchgeführt wurde, fand in Russland auf der Halbinsel Kola statt und führte bis in eine Tiefe von 12 km. Hier konnte die oberste Schicht der kontinentalen Kruste erforscht werden, die an dieser Stelle eine Mächtigkeit von etwa 30 km besitzt.
Eine weitere Bohrung, die so genannte Kontinentale Tiefenbohrung (KTB), die 9,1 km erreicht hat, wurde in der deutschen Oberpfalz vorgenommen. Bei einer geplanten Tiefe von 14 km wäre es möglich gewesen, die kontinentale Kruste an der Nahtstelle zu erforschen, an der vor 300 Millionen Jahren die auf dem Erdmantel driftenden Kontinente Ur-Afrika und Ur-Europa kollidierten.

Tiefbohrungen bewegen sich im oberen Krustenbereich und können daher nur einen kleinen Einblick ins Erdinnere gewähren. Würde man die Erde auf Apfelgröße verkleinern, so würden unsere tiefsten Bohrungen noch nicht einmal dem Anritzen der Schale entsprechen. Durch Bohrungen in größere Tiefen vorzustoßen übersteigt derzeit die technischen Möglichkeiten, die hohen Drücke (in 14 km Tiefe ca. 4 kbar) und Temperaturen (in 14 km Tiefe ca. 300°C) erfordern neue Lösungen.

 

Vulkanische Tätigkeit

Die größte Tiefe, aus der Magma an die Erdoberfläche dringt und dabei die verschiedenen Formen des Vulkanismus hervorbringt, findet sich an der Grenzschicht zwischem dem äußeren Kern und dem unteren Mantel, wie das z.B. bei Plumes zu beobachten ist. Das bei einer Eruption zu Tage geförderte Material stammt also teilweise aus dem Mantel und kann entsprechend analysiert werden.

Weiteren Aufschluss über die Manteleigenschaften kann man über die Erforschung der mittelozeanischen Rücken gewinnen. Der hier direkt unter der Plattengrenze liegende Mantel steigt auf, um den Raum in den entstehenden Lücken zu füllen.
Normalerweise schmilzt das Mantelgestein dabei durch die Druckentlastung und bildet nach Erkalten die neue Ozeankruste auf dem Meeresboden. Diese rund 8 km mächtige Kruste versiegelt den Zugang zum ursprünglichen Mantelgestein.
Eine interessante Ausnahme bildet möglicherweise der mittelozeanische Rücken zwischen Grönland und Russland, der Gakkel-Rücken, der der langsamst spreizende Rücken der Erde ist (weniger als 1 cm pro Jahr). Der Erdmantel steigt hier nur sehr langsam auf. Daher bildet sich keine Schmelze und in Folge dessen auch keine Kruste. Das Mantelgestein könnte also direkt am Meeresboden zu finden sein.

 

Seismik

Die Erde wird täglich von Erdbeben erschüttert, die weltweit von Messstationen registriert werden. Wäre die Erde ein homogener Körper, könnte man genau ausrechnen, wann die sich gleichmäßig in alle Richtungen durch den Erdkörper ausbreitenden Erdbebenwellen bestimmte Orte erreichen.
Die tatsächlichen Beobachtungen widerlegen diese Annahme. Die seismischen Signale treten verzögert oder vorzeitig auf. Das lässt nur eine Schlussfolgerung zu: Die seismischen Wellen durchqueren Materie unterschiedlicher Dichte, denn je flüssiger Materie ist, desto langsamer wird sie von Erdbebenwellen durchquert.
Im Jahre 1912 hatte Beno Gutenberg erstmals die Grenze zwischen dem silikatischen Mantelmaterial und dem Nickel-Eisen-Kern in einer Tiefe von 2900 km ausgemacht. Kurz zuvor entdeckte der kroatische Geophysiker Andrija Mohorovicic die nach ihm benannte Unstetigkeitsfläche zwischen Erdkruste und Erdmantel. Beides war möglich, weil markante Sprünge in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen – so genannte ’seismische Diskontinuitäten‘ – gemessen werden konnten.
Neben den seismischen Diskontinuitäten lassen sich auch ‚chemische Diskontinuitäten‘ beobachten. Sie beruhen auf einer plötzlichen Änderung der chemischen Zusammensetzung im Erdinneren. Im Allgemeinen stimmen beide Diskontinuitäten an den Grenzen Kern-Mantel und Mantel-Kruste überein.
Es gibt jedoch Ausnahmen: In der ‚Übergangszone‘ gibt es Dichtesprünge ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung. Man geht davon aus, dass sie durch Phasenumwandlung entstanden sind, wobei sich ein Mineral in einer bestimmten Tiefe in ein neues, dichteres Mineral derselben Zusammensetzung umbildet.

 

Meteoriten

Unsere Vorstellungen über den Stoffbestand des Erdinneren beruhen neben den oben genannten Methoden auf Analogieschlüssen anhand der Zusammensetzung von Meteoriten. Meistens wird angenommen, dass die chemische Gesamtzusammensetzung der Erde derjenigen von chondritischen Meteoriten gleicht.
Ebenso wie unsere Erde haben auch noch andere Planeten des Sonnensystems im Laufe ihrer Geschichte die Entwicklung zu einem schalenförmig aufgebauten Inneren aus Kern-Mantel-Kruste mitgemacht. Im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter kreisen noch Tausende „Trümmer“ um die Sonne. Hin und wieder bewirken Bahnstörungen, dass kleine Körper oder Teile von Kometen als Meteoriten auf die Erdoberfläche stürzen. Falls sich der Fallort mittels ihrer Leuchtspuren orten lässt, kann man sie genau analysieren. Rund ein Zehntel besteht fast gänzlich aus Eisen, der Rest aus verschiedenen, meist dunklen Gesteinen. Grob vereinfacht kann man sagen, dass reine ‚Eisen-Meteorite‘ aus dem Kern von Himmelskörpern stammen, ‚Stein-Eisen-Meteorite‘ aus dem Mantel und ‚Stein-Meteorite‘ aus der Kruste.

 

Entstehung des Schalenaufbaus

Ebenso wie alle anderen Planeten des Sonnensystems entstand die Erde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus einer rotierenden Staub- und Gaswolke, die durch ihre Schwerkraft langsam dichter wurde und Planetesimale bildete. Massereichere Teilchen zogen wegen ihrer größeren Gravitation die kleineren an und wuchsen auf diese Weise allmählich zu Proto-Planeten heran bis letztlich die Planeten übrig blieben, die einen Großteil der freien Materie abgezogen hatten.
Aus einem anfangs kalten und im Inneren homogenen Himmelskörper hat sich die Proto-Erde innerhalb von etwa 100 Millionen Jahre durch die Einschläge der Planetesimale und der freiwerdenden gravitativen Energie zunehmend erwärmt.

Durch den Massenzuwachs verdichtete sich der Erdkern, radioaktive Zerfallsprozesse beschleunigten die Erhitzung des Planeten. Nachdem sich die Erde auf ungefähr 2000°C erwärmt hatte – eine Temperatur, bei der Eisen und die meisten Silikate geschmolzen sind – bildete sich tröpfchenförmige Eisenschmelzen, in der sich die – gemäß Goldschmidt-Klassifikation – siderophilen Elemente anreicherten, und Silikatschmelzen in der sich die lithophilen Elemente anreicherten.
Die schwereren Tröpfchen der Metallschmelze wanderten Richtung Zentrum und sammelten sich dort zum Eisenkern, während die leichtere Silikatschmelze vom Zentrum nach außen verdrängt wurde und sich zum Erdmantel und zur Erdkruste entwickelte.

Durch lange währende Differentiation gelangte somit kontinuierlich leichtere Materie in die äußeren Zonen der Erde. So entstand über dem schweren Eisenkern ein Mantel aus Gesteinen mittlerer Dichte, bestehend aus Magnesium-Eisen-Silikaten und darüber eine Außenkruste aus leichtem Material wie Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Calcium, Natrium u. a. Das leichte Wasser, dessen Herkunft bis heute umstritten ist, fand sich zu den Urozeanen zusammen. Die noch leichteren Gase erzeugten schließlich die Atmosphäre der Erde. Dass die Differentiation auch heute noch nicht abgeschlossen ist, erkennt man z.B. am Gasausstoß bei Vulkanausbrüchen, wobei riesige Mengen an Gasen aus dem Erdinneren entweichen.

 

Atmosphäre

Hauptartikel: Erdatmosphäre

Die Erde ist umgeben von einer ca. 640 km hohen Atmosphäre. In bodennahen Schichten besteht diese im Wesentlichen aus 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und 1% Edelgasen. Dazu kommt ein wechselnder Anteil an Wasserdampf (0-5%), der das Wettergeschehen bestimmt. Die auf der Erde gemessenen Temperaturextreme betragen -89,6°C (gemessen am 21. Juli 1983 in der Vostok Station in der Antarktis auf 3420 m Höhe, was einer Temperatur von -60°C auf Meereshöhe entspräche) und +58°C (gemessen am 13. September 1922 in Al‘ Aziziyah in Libyen auf 111 m Höhe).

 

Globaler Energiehaushalt

Der Energiehaushalt der Erde wird im Wesentlichen durch die Einstrahlung der Sonne bestimmt, der sonstige vorwiegend durch radioaktive Zerfälle erzeugte Energiebeitrag beträgt nur etwa 0,1%. Die Albedo der Erde beträgt 0,367, wobei ein wesentlicher Anteil auf die Wolken der Atmosphäre zurückzuführen ist. Dies führt zu einer globalen effektiven Temperatur von 246 K (-27 °C), Die Durchschnittstemperatur der unteren Erdatmosphäre liegt jedoch durch einen starken (natürlichen) Treibhauseffekt bei etwa 288 K (15 °C), wobei Wasser und Kohlendioxid den Hauptbeitrag liefern.

 

Herkunft des irdischen Wassers

Die Herkunft des irdischen Wassers und damit der Ozeane ist bisher noch umstritten. Diskutiert werden drei Möglichkeiten.

*Ausgasen aus dem Inneren der Erde (teilweise vulkanisch)
*Einschlag eines oder mehrerer Kometen oder Transneptunische Objekte
*Einschlag eines oder mehrerer wasserreicher Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels

Die große Menge an Wasser, die auf der Erde im Vergleich zu anderen erdähnlichen Planeten vorhanden ist, kann nur schwer allein durch Ausgasen aus dem Erdinneren erklärt werden. Die Planetesimale aus denen die Erde sich bildete, entstanden in einem Bereich des früheren Sonnensystems, in dem relativ wenig Wasser vorhanden war.
Je kleiner der Abstand zur Sonne war, desto höher die Temperaturen und desto weniger Wasser war vorhanden. Erst außerhalb der solaren „Schneegrenze“ welche etwa inmitten des heutigen Asteroidengürtels lag war Wasser in größerer Menge vorhanden.

So zeigen kohlige Chondrite, von denen angenommen wird, dass sie in den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels entstanden sind, einen Wassergehalt von manchmal mehr als 10% ihres Gewichts, während gewöhnliche Chondrite oder gar Enstatit-Chondrite vom inneren Rand des Asteroidengürtels weniger als 0,1% ihres Gewichts Wasser enthalten. Die Planetesimale, aus denen sich die erdähnlichen Planeten bildeten, sollten dementsprechend noch weniger Wasser enthalten haben. Zudem wird angenommen, dass bei der Akkretion der Planetesimale zu den Planeten nochmals Wasser verloren ging. Damit wird es schwierig die Menge an Wasser auf der Erde allein durch Ausgasen aus dem Erdinneren zu erklären. Deswegen wird heute meistens angenommen, dass der überwiegende Teil des irdischen Wassers aus den äußeren Bereichen des Sonnensystems stammt.

Ein rein kometarer Ursprung des Wassers ist nach Messung des
Isotopenverhälnis von Wasserstoff in den drei Kometen Halley, Hyakutake und Hale-Bopp durch David Jewitt et al. unwahrscheinlich, da demnach das Verhältnis von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) von Kometen etwa doppelt so hoch ist wie in ozeanischem Wasser. Nicht klar ist dabei allerdings, ob diese Kometen repräsentaiv für Kometen aus dem Kuiper-Gürtel sind. Nach A. Morbidelli et al. (Meteoritics & Planetary Science 35 (2000), 1309-1329) kommt der größte Teil des heutigen Wassers von einigen im äußeren Asteroidengürtel geformten Protoplaneten, die auf die Erde stürzten, wofür das D/H-Verhältnis von kohligen Chondriten spricht. Wassereinschlüsse in kohligen Chondriten zeigen ein ähnliches D/H-Verhältnis wie ozeanisches Wasser. Nach A. Morbidelli et al. käme ein kleiner Teil auch von Kometen aus der Jupiter-Saturn-Region, welche bereits recht früh während der Akkretion der Erde angesammelt wurden. Etwa 10% käme von Kometen aus der Uranus-Neptun Region und dem Kuiper-Gürtel, welche am Ende der Erdakkretion auf die Erde stürzten.

 

Mond

Hauptartikel: Mond

Die Erde wird von einem Mond umkreist. Dieser ist im Vergleich zur Erde deutlich größer als es bei den anderen Planeten mit Ausnahme des Pluto/Charon-Systems der Fall ist. Der große Mond ist verantwortlich für die Stabilität der Bahnneigung der Erde und damit auch für die guten Bedingungen zum Entstehen von Leben auf der Erde.

 

Gezeiten

Der Mond verursacht auf der Erde Gezeiten. Ebbe und Flut in den Meeren und im Erdmantel bremsen die Erdrotation und verlängern dadurch gegenwärtig die Tage um etwa 20 Mikrosekunden pro Jahr. Die Gezeiten wirken sich auch auf die Landmassen aus, um ca. einen halben Meter heben und senken sich die Landmassen.
Die Rotationsenergie der Erde wird dabei in Wärme umgewandelt. Der Drehimpuls wird auf den Mond übertragen, dessen Bahn sich dadurch um etwa 4 Zentimeter pro Jahr von der Erde entfernt. Dieser schon lange vermutete Effekt ist seit etwa 1995 durch Laser-Distanzmessungen abgesichert.

Die zunehmende Tageslänge kann geologisch anhand von Wachstumsringen in fossilen Korallen nachgewiesen werden.
Man findet in diesen Sedimenten eine ‚Spur‘ für jeden Tag, und eine jährliche Regelmäßigkeit, aus der sich die Anzahl der Tage im damaligen Jahr bestimmen lässt. In historischer Vergangenheit zeigt sich die Zunahme der Tageslänge anhand überlieferter Sonnenfinsternisse, die bei gleichbleibender Tageslänge an einem anderen Ort auf der Erde sichtbar gewesen wären.

Extrapoliert man diese Abbremsung in die Zukunft, wird auch die Erde einmal dem Mond immer die gleiche Seite zuwenden, wobei ein Tag auf der Erde dann 47 Mal so lang wäre wie heute.
Damit unterliegt die Erde dem gleichen Effekt, der in der Vergangenheit schon zur gebundenen Rotation des Mondes geführt hat. Zu dem Zeitpunkt, an dem diese Korotation eintreten wird, wird das Wechselspiel der Gezeiten beendet sein. Die Flutberge verbleiben dann immer an einem Ort auf der Verbindungslinie Erde-Mond und es wird zu einer dauerhaften Verformung des Erdkörpers kommen, ähnlich dem des Mondes. Diese Überlegungen kann man allerdings als hypothetisch betrachten, da zum einen die Stabilität der Erdrotation nicht gewährleistet ist. Zum anderen wird sich durch den Übergang der Sonne zu einem weißen Zwerg auch das gesamte Sonnensystem verändert haben.

 

Leben

Die Erde ist der einzige bekannte Ort, auf dem sich Leben entwickelt hat. Nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung begann das Leben auf der Erde innerhalb sehr kurzer Zeitspannen, nachdem das anfängliche starke Bombardement durch Asteroiden, dem die Erde die erste Zeit bis etwa vor 3,9 Milliarden Jahren ausgesetzt war, abgenommen hatte, sich eine stabile Erdkruste ausbildete und diese sich soweit abgekühlt hatte, dass flüssiges Wasser möglich war. Die bisher ältesten, allerdings umstrittenen Hinweise auf Leben (vertsteinerte Cyanobakterien) sind 3,5 Milliarden Jahre alt und wurden in Gesteinen aus Westaustralien gefunden. In 3,9 Milliarden Jahre altem grönländischen Sediment-Gestein wurden Anomalien in Kohlenstoffistopenverhältnissen gefunden, die auf biologischen Stoffwechsel hindeuten, so dass eventuell bereits zu dieser Zeit Leben existierte.

Das Leben hat einen großen Einfluss auf die Entwicklung und das Erscheinungsbild der Erde. Durch das Leben wurde durch die Produktion von Sauerstoff die atmosphärische Zusammensetzung und durch die Pflanzen die Albedo und damit die Energiebilanz entscheidend verändert.

Ein dreidimensionales Modell der Erde wird Globus genannt.