Ja, unsere Erde ist ein wirkliches Juwel unter allen Planeten des Sonnensystems. Einzig auf ihr herrschen gemäßigte Temperaturen, so dass Wasser in flüssiger Form vorkommen kann, welches nach unserem heutigen Wissen die Grundlage jeden Lebens darstellt.
Es gäbe vieles zu berichten über unseren Planeten, zu viel, als dass es auf einer einzigen Homepage Platz hätte. Denken Sie an die Geschichte des Planeten, die Evolution des Lebens, Meteorologie, Geographie, Biologie, Mineralogie, Seismologie - man kann gar nicht alles aufzählen. Sicher füllt das Wissen, was wir Menschen im Laufe der Zeit über unseren Planeten zusammengetragen haben, Kilometer hohe Bücherstapel.
Deshalb kann auf dieser bescheidenen Internet- Seite nur eine kleine Übersicht aus planetologischer Sicht gegeben werden.
Unser blaues Juwel Unser Blauer Planet, wie er aus dem Weltraum erscheint. Über der Erde schwebt noch die längst verglühte MIR, rechts im Hintergrund sieht man den Mond. Die Erde hat eine einzigartige Stellung im Sonnensystem, nur auf ihr ist Leben in der uns bekannten Form möglich. Wir sollten daher unsere Heimat im Kosmos sorgsam hegen und pflegen, schützen und erhalten, anstatt ihre Ressourcen hemmungslos auszubeuten und die Natur, unsere Lebensgrundlage, achtlos mit Füßen zu treten.
Mit freundlicher Genehmigung von STS-91 Crew, NASA
Unser Planet umläuft die Sonne auf einer elliptischen Bahn, und zwar vom Nordpol der Erdbahnebene aus gesehen entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Abweichung von der Kreisform ist jedoch nur gering, die Exzentrizität beträgt lediglich 0,0162. Für einen kompletten Umlauf um die Sonne benötigt die Erde, wie wir alle wissen, ein Jahr oder 365 Tage. Das ist aber abhängig, von welchem Bezugspunkt aus wir diese Betrachtung anstellen:
Tropisches Jahr
Das ist die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen der Sonne durch den Frühlingspunkt, auf ihrer scheinbaren Wanderung durch die Ekliptik. Das tropische Jahr hat eine Länge von 365,2422 Tagen. Der Frühlingspunkt ist der Zeitpunkt, an dem die Sonne auf ihrem scheinbaren Weg genau auf dem Schnittpunkt zwischen Ekliptik und Himmelsäquator steht. Dieser Zeitpunkt ("Äquinoktium") ist die Tag- und Nachgleiche, im Frühling um den 21. März, im Herbst etwa am 23. September.
Die Ekliptik
Die Ekliptik ist die Erdbahnebene um die Sonne, genauer gesagt die Verbindungslinie des Sonnenmittelpunktes zum gemeinsamen Schwerpunkt des Erde- Mond- Systems. Der letztere Punkt liegt nicht im Erdzentrum, sondern ist etwa 4700 [km] vom Erdzentrum entfernt. Den Himmelsäquator erhält man, wenn man sich den Erdäquator an die Himmelskugel verlängert denkt.
Siderisches Jahr
Hierunter versteht man die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen der Sonne auf ihrer scheinbaren Bahn in Bezug auf einen Fixstern. Das siderische Jahr ist mit 365,2564 Tagen länger als das tropische, weil sich der Frühlingspunkt durch die Präzession (= Taumelbewegung der Erdachse) auf der Ekliptik verschiebt.
Anomalistisches Jahr
Hierunter versteht man die Zeit zwischen zwei Durchgängen der Erde durch ihr Perihel (sonnennächster Punkt), dieses Jahr ist 365,2596 Tage lang.
In unserem Kalenderwesen benutzten wir bis zum Jahr 1582 in christlichen Ländern das Julianische Jahr mit 365,25 Tagen mittlerer Länge, seither verwenden wir das Gregorianische Jahr mit einer Länge von 365,2425 Tagen. Erwähnt werden soll noch das Platonische Jahr, das allerdings eine Dauer von rund 25 700 Jahren umfasst. Darunter versteht man die Umlaufperiode des Frühlingspunktes auf der Ekliptik.
Weil die Bahn der Erde um die Sonne keine Kreisform besitzt sondern die einer Ellipse, könnte man irrtümlich vermuten, dass bei uns der Winter einkehrt, wenn die Erde sich auf ihrem sonnenfernsten Bahnpunkt ("Aphel") befindet. Diesen Punkt erreicht unser Planet aber Anfang Juli!
Die Ursache der Jahreszeiten müssen wir also woanders suchen. Die Äquatorebene der Erde ist gegen die Erdbahnebene geneigt, und zwar um einen Winkel von 23° 26'. Je nachdem, auf welcher Position der Umlaufbahn die Erde sich aufhält, ist entweder die Nord- oder die Südhalbkugel der Sonne zugewandt. Im Frühjahr und Sommer ist dies die Nordhalbkugel, weshalb zu dieser Zeit in den südlichen Gefilden Herbst bzw. Winter herrscht. Diese klimatischen Unterschiede werden noch dadurch verstärkt, dass zum einen im Frühling und Sommer die Sonnenstrahlung steiler einfällt als im Winter, hinzu kommt noch die unterschiedliche Dauer der Sonneneinstrahlung durch die verschiedenen Tageslängen.
Der Astronom formuliert eine Jahreszeit als den Zeitraum zwischen einer Tagundnachtgleiche ("Äquinoktium") und einer Sonnenwende ("Solstitium") bzw. umgekehrt. Die Jahreszeiten haben folgende Längen:
Frühling
Die Zeit zwischen Frühlingsäquinoktium und Sommersolstitium.
21.3 bis 21.6. Dauer: 92[d] 19[h]
Sommer
Die Zeit zwischen Sommersolstitium und Herbstäquinoktium.
21.6. bis 23.9. Dauer: 93[d] 15[h
Herbst
Die Zeit zwischen Herbstäquinoktium und Wintersolstitium.
23.9. bis 21.12. Dauer: 89[d] 20[h]
Winter
Die Zeit zwischen Wintersolstitium und Frühlingsäquinoktium.
21.12. bis 21.3. Dauer: 89[d] 0[h]
Entstehung der Jahreszeiten Wie man sieht, ist also der Winter die kürzeste Jahreszeit, auch wenn wir es meist anders empfinden. Diese unterschiedliche Dauer ist begründet in der ungleichmäßigen Geschwindigkeit der Erde auf ihrer Bahn, in der Nähe der Sonne ("Perihel") läuft sie schneller als im Aphel, im Mittel hat sie eine Geschwindigkeit von 29,8 [km s-1]. Die Grafik veranschaulicht die Entstehung der Jahreszeiten. a und b deuten den unterschiedlichen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung an. Auch ist die Neigung des Äquators zur Ekliptikebene angedeutet.
Wie wir schon sahen, ist die Äquatorebene der Erde gegen die Ekliptik um 23° 26' geneigt. Damit weist auch die Rotationsachse (Verbindungslinie vom Nord- zum Südpol) nicht zum Pol der Ekliptik. Man kann sich die Erde somit als einen etwas schief liegenden Kreisel vorstellen und aus unserem Krabbelalter wissen wir noch, dass ein solcher Kreisel eine Taumelbewegung ausführt. Verursacht wird dies durch Sonne und Mond, die sich stets auf der Ekliptik oder in ihrer Nähe befinden. Ihre Anziehungskräfte zerren an der Erde und üben ein Drehmoment auf den Äquatorwulst aus. Mit anderen Worten: diese Kräfte versuchen, die Äquatorebene in die Ekliptikebene zu ziehen. Hierdurch wird die Rotationsachse der Erde in die taumelartige Kreiselbewegung gezwungen, das bezeichnet man als die Präzession. Die Erdachse bewegt sich damit auf der Außenfläche eines gedachten Doppelkegels, dessen Spitze im Erdmittelpunkt liegt.
Präzession der Erdachse Die Skizze verdeutlicht die Taumelbewegung der Erdachse (grün). Weil die Erdachse sich auf dem Präzessionskreis bewegt, verlagern sich die Äquatorebene und damit auch der Himmelsäquator, wodurch sich der Frühlings- und Herbstpunkt (Schnittpunkt Himmelsäquator-Ekliptik) verschiebt. Ein Umlauf des Frühlingspunktes dauert 25700 Jahre, ein platonisches Jahr. Die Verschiebung der Erdrotationsachse bedingt auch eine stetige Veränderung des Himmelsnordpols, der Polarstern wird deshalb nicht immer den Weg nach Norden weisen.
Die Erde dreht sich einmal in 24 Stunden (genau 23[h] 56[min] 48s]) um sich selbst. Wenn man den Erdumfang von rund 40 000 [km] durch diese Zeitdauer dividiert, erhalten wir einen Wert von 1667 [Km/h], was bedeutet, dass wir mit 1,3facher Schallgeschwindigkeit rotieren! Die Tageslänge von 24 Stunden ist aber kein konstanter Wert, sondern variiert in regelmäßigen und unregelmäßigen Abständen. Die unregelmäßigen Schwankungen entstehen durch Masseverschiebungen im Erdinnern, jahreszeitlich bedingte Änderungen der Tageslänge werden verursacht durch meteorologische Vorgänge, es erfolgt nämlich auch ein Drehimpulsaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Planetenkörper. Diese Einflüsse sind allerdings recht gering, viel stärker wirkt sich dagegen die Gezeitenkraft des Mondes aus!
Wenn sich zwei Körper umkreisen, so wirken ihre Gravitationskräfte gegenseitig aufeinander ein. Nun sind Planeten und auch Monde keine völlig starren Körper, sondern in gewissen Grenzen verformbar. Im Falle der Erde kommt noch hinzu, dass ihre Oberfläche zu rund 71% von festem und flüssigem Wasser bedeckt ist, das sind relativ frei bewegliche und leicht verformbare Massen. Durch die Mondanziehungskraft treten somit besondere Effekte auf, die wir alle als Ebbe und Flut kennen und als Gezeiten bezeichnen. Weil auch die Sonne eine Anziehungskraft auf die Erde ausübt, erzeugt sie ebenfalls Gezeitenkräfte. Sie sind aber nur 1/3 so groß wie diejenigen des Mondes und wir können sie vorerst bei den weiteren Betrachtungen vernachlässigen.
Gezeiten sind also Kräfte, die an der Oberfläche eines planetaren Körpers zerren und sie regelrecht "durchwalken". Die Anziehungskraft des Mondes erzeugt auf der ihm zugewandten Erdseite eine Beule, welche die Küstenbewohner als Flutberg nur zu gut kennen. Aber nicht nur die Wassermassen werden angehoben, sondern auch die Landmassen, wenn auch um deutlich geringere Beträge. Nun gibt es aber gleichzeitig 2 Flutberge auf der Erde, die um 180° versetzt sind. Wie ist das möglich, wo doch der Mond in erster Linie die ihm zugewandte Seite anzieht? Der Grund dafür sind die Kräfte, die im Erde- Mondsystem auftreten.
Taumelbewegung der Erde
Erde und Mond bewegen sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt, der, wie wir oben schon sahen, etwa 4700 [km] vom Erdmittelpunkt entfernt im Erdinneren liegt. Hierdurch "eiert" die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne etwas hin und her. Diese Schlingerbewegung erzeugt an jedem Punkt des Planetenkörpers eine überall gleich große Zentrifugalbeschleunigung, und ist vom Mond weggerichtet.
Auch die Fliehkraft spielt eine Rolle
Überlagert ist dieser Fliehkraft die Anziehungskraft des Mondes, welche auf der mondzugewandten Seite natürlich größer ist als auf der abgewandten Seite, die ja um den Erddurchmesser weiter vom Mond entfernt ist. Dadurch ergibt sich, dass auf der mondnahen Seite die Gravitationskraft des Mondes überwiegt und sich auf der abgewandten Seite die Fliehkraft stärker auswirkt. Beide Kräfte erzeugen jeweils einen Flutberg!
Es gibt allerdings noch einen weiteren Effekt, der zu den Gezeiten führt.
Seitliche Komponente der Gezeitenkraft Die vom Mond ausgehende Gezeitenkraft ist immer auf das Mondzentrum ausgerichtet. Sie hat aber auch eine seitliche Komponente, die auf der linken Seite der Erde eine leichte Rechtskomponente ist, auf der rechten Seite eine Linkskomponente. Somit werden die Meere an den Seiten quasi zusammengepresst oder verdrängt, und das führt mit zur Ausbildung des zweiten Flutberges. Bisher haben wir die Gezeitenkraft der Sonne vernachlässigt, sie spielt aber zusammen mit derjenigen des Mondes. So verstärken sich beide, wenn Erde, Mond und Sonne in einer Linie stehen, dann kommt es zu den Springfluten. Stehen die drei Körper dagegen im rechten Winkel, so heben sich die Kräfte z.T. gegenseitig auf und das Hochwasser fällt relativ niedrig aus.
Die Gezeitenkräfte führen auf der Erde zu einem weiteren Effekt: Sie verlängern unseren Tag! Die Eigenrotation der Erde ist viel schneller als die Bewegung des Mondes um die Erde. Hierdurch bewegen sich die beiden Flutberge einmal in 24 Stunden um die Erde. Die ständige Verformung des Planetenkörpers bleibt aber nicht ohne Folgen, denn dabei entsteht Reibung. Und zwar eine innere Reibung des Meerwassers als auch eine Reibung des Wassers an den Landmassen. Im Endeffekt ergibt sich damit eine Bremswirkung, die Tageslänge wird ständig größer. Der Betrag ist allerdings recht gering, in 100 Jahren wird der Tag nur um 0,0015 [s] verlängert. Jedoch bedeutet dies, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Erde früher viel schneller war, bei ihrer Entstehung dauerte ein Tag nur rund 4 Stunden.
Nach dem Impulserhaltungssatz muss der Gesamtdrehimpuls des Systems Erde- Mond erhalten bleiben. Wenn nun aber die Erde im Laufe der Zeit einen Teil ihres Eigendrehimpulses (Rotation) durch die Gezeitenwirkung verliert, so muss der Bahndrehimpuls des Mondes sich um diesen Betrag vergrößern. Das bedeutet in der Praxis, dass sich der Mond ständig weiter von der Erde entfernt! Der Betrag ist allerdings nicht groß, immerhin können wir aber eine Zunahme der Mondentfernung von 3 [cm] jährlich bestimmen.
Pankor Island, MalaysiaIrgendwo am Strand von Pankor Island in Malaysia... Wer denkt schon in solchen Momenten an Eigendrehimpuls oder Gezeitenwirkung?
Danke an Frank Neumann, der dieses Bild zur Verfügung stellte
Natürlich spielen die Gezeiten nicht nur beim Erde- Mond-System eine Rolle. Auch die anderen Planeten haben in bestimmtem Umfang elastische Oberflächen. Die Verformungen durch Gezeiten führen z.B. beim Jupitermond Io zu deutlichem Vulkanismus, wahrscheinlich wurden auch Merkur und Venus von der Sonne "geformt". Auch führen Gezeitenwirkungen dazu, den Eigendrehimpuls von Monden zu verlangsamen und dem Bahndrehimpuls anzugleichen. Mit anderen Worten: es wird ein Zustand gebundener Rotation erreicht, bei dem wie im Falle unseres Mondes dieser der Erde stets dieselbe Seite zuwendet. Er führt somit bei einem Erdumlauf genau eine Umdrehung aus.
Empfinden wir Ebbe und Flut schon als gewaltige Kräfte der Natur, so gibt es doch Körper im Kosmos, die solche Effekte geradezu als lächerlich erscheinen lassen: das sind die kompakten Überreste der Sterne, Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher. Weiße Zwerge entwickeln bereits eine solche Anziehungskraft, dass sie von einem Roten Riesen als Begleitstern dessen Materie schlichtweg "absaugen". Auf einem Neutronenstern ist die Gravitation so stark, dass die größten "Berge" allerhöchstens einen Millimeter in die Höhe ragen können. Wehe dem armen Astronauten, der sich in die Nähe eines solchen Gravitationsgiganten wagt! Die Gezeitenkräfte ziehen ihn in die Länge wie ein Kaugummi, gleichzeitig quetschen sie ihn seitlich immer mehr zusammen. Ähnliches widerfährt ihm bei Annäherung an ein Schwarzes Loch, doch ist der Effekt noch um ein Vielfaches verstärkt. Würde der Astronaut sogar bis zur Singularität gelangen, so wäre er durch die nun größte aller Gezeitenkräfte unendlich lang gezogen und gleichzeitig zu dem "unendlich schlanken Menschen" zusammengequetscht!
Während wir auf unserem Planeten herumlaufen und unseren alltäglichen Beschäftigungen nachgehen, verschwenden wir kaum einen Gedanken an unsere Atmosphäre.
Die Atmosphäre- eine sehr dünne, empfindliche SchaleMenschen, die das Glück haben, einmal als Astronaut unsere Heimat von oben zu betrachten sehen mehr als deutlich, wie dünn und zart die Atmosphäre in Wirklichkeit ist. Wir alle sollten viel mehr bestrebt sein, diese empfindliche Gashülle zu schützen und zu erhalten, denn ohne sie ist kein Leben auf unserem Planeten möglich.
Mit freundlicher Genehmigung von STSCI und NASA
Durch die Gravitation gebunden, nimmt die Atmosphäre an der Erdrotation teil. In einigen hundert Kilometern Höhe lässt dies allerdings mehr und mehr nach. Die Gesamtmasse der Lufthülle beträgt nur 5,3·1018 [kg], das ist weniger als ein Millionstel der Erdmasse von 5,974·1024 [kg]. Rund 90% der Gesamtmasse finden wir bis zu einer Höhe von 20 [km], bis 50 [km] sind 99,9% der Masse enthalten. Man teilt die Atmosphäre in verschiedene Schichten ein, einen groben Überblick gibt folgende, nicht maßstabgerechte Skizze:
Aufbau der Erdatmosphäre
Wir fristen unser Leben in der Troposphäre, der untersten Schicht. Sie erstreckt sich bis zu etwa 12 [km] Höhe. Ab 10 [km] beginnt eine Übergangsschicht, die Tropopause. In der Troposphäre spielen sich die Wettervorgänge ab, ihre Temperatur sinkt um etwa 6,5 Grad pro Kilometer und beträgt an der Obergrenze nur noch -50 [°C] bis -65 [°C]. Gleichzeitig ist die Troposphäre dafür verantwortlich, dass die Erde ihren Wasservorrat über Milliarden von Jahren nicht verloren hat, denn durch die niedrige Temperatur der Tropopause kondensiert hier praktisch der gesamte aufgestiegene Wasserdampf aus. Wenn wir einmal im Flugzeug sitzen, lassen sich die mit steigender Flughöhe abfallenden Temperaturen sehr schön verfolgen. In der üblichen Flughöhe von ca. 10 000 [m] erreichen wir dann etwa -60 [°C]. Hier oben ist der atmosphärische Druck bereits so gering, dass ein Überleben ohne technische Hilfsmittel unmöglich wäre.
An die Tropopause schließt sich die Stratosphäre an, die sich bis in eine Höhe von 50 [km] erstreckt. Die Temperatur bleibt zunächst bis etwa 25 [km] Höhe konstant und steigt dann bis 50 [km] auf 0 [°C] an. Für diesen Anstieg ist die Ozonschicht verantwortlich. Die energiereiche Ultraviolettstrahlung der Sonne verwandelt den hier vorhandenen molekularen Sauerstoff O2 in das Ozonmolekül O3. Dieses nun giftige Gas absorbiert Strahlung mit einer Wellenlänge unter 300 [nm] (UV- Licht), wobei Wärmeenergie freigesetzt wird. In der Stratopause, der folgenden Übergangsschicht, erreicht die Temperatur bei 0 [°C] in einer Höhe von 50 [km] ihr Maximum. Hier schließt sich nun die Mesosphäre an, in welcher die Temperatur wieder stark absinkt, und zwar im Mittel auf -70 [°C]. Im Sommer liegt die Temperatur bei -100 [°C], im Winter bei -40 [°C]. Der Temperaturrückgang ist auf den sinkenden Ozonanteil zurückzuführen.
Es folgt nun nach der Mesopause die Thermosphäre, die bis in eine Höhe von 500 [km] reicht. Durch die intensive UV- Strahlung der Sonne wird hier ein großer Teil der Moleküle und Atome ionisiert, weshalb man auch von der Ionosphäre spricht.
Schichten der AtmosphäreDiese Schicht hat die angenehme Eigenschaft, Radiowellen, vor allem im Kurzwellenbereich, zu reflektieren. Dies nutzen seit vielen Jahren Kurzwellenamateure, um mit geringen Sendeleistungen Funkverbindungen um die ganze Welt herzustellen. Nebenstehend die genauere Einteilung der Atmosphäre und die Temperaturen in den einzelnen Schichten. Die Ionosphäre wird in weitere Schichten unterteilt. Die D- Schicht in ca. 80 [km] Höhe wird nur tagsüber aufgebaut. So auch die E- Schicht, in der molekularer Sauerstoff und Stickstoffmonoxid in 100 [km] Höhe ionisiert sind. Die F1- und F2 -Schicht in 200 bis 300 [km] und 300 bis 400 [km] Höhe enthalten ionisierten, atomaren Sauerstoff. Ab etwa 500 [km] Höhe geht die Atmosphäre in die äußere Schicht über, in die Exosphäre. Die Lufthülle wird hier immer dünner und geht nahtlos in den freien Weltraum über.
Hier oben können einzelne, neutrale Atome bzw. Moleküle in den interplanetaren Raum entweichen. Beim Zusammenprall mit anderen Teilchen (begünstigt durch die hohe Temperatur) erhalten sie die notwendige kinetische Energie, um das Gravitationsfeld der Erde zu verlassen. Ionisierten Teilchen gelingt dies nicht, weil sie im Magnetfeld der Erde gefangen bleiben.
Die Atmosphäre entspricht heute nicht mehr der ursprünglichen Zusammensetzung, welche die Erde bei ihrer Entstehung erhielt. Die erste Atmosphäre der Erde, welche der Zusammensetzung derjenigen der Riesenplaneten entsprach, ging durch die starke Strahlung der jungen Sonne und ihren heftigen Sonnenwind verloren. Anschließend entstand eine zweite Gashülle durch Ausgasungen der Schmelzen im Erdinneren und durch Vulkanismus. Die Atmosphäre bestand jetzt zum größten Teil aus Wasserdampf und Kohlendioxid, nur wenig Stickstoff und Sauerstoff. Während der einsetzenden Abkühlung kondensierte der Wasserdampf und bildete die Gewässer (zusammen mit noch niedergehenden Eisbrocken aus dem Urnebel des Sonnensystems). Dabei wurde der größte Teil des Kohlendioxids gelöst, welches sich in den Sedimenten als Kalium/Magnesiumkarbonat abschied. Mit der pflanzlichen Eroberung des Planeten begann die Photosynthese, wobei Kohlendioxid verbraucht und Sauerstoff freigesetzt wurde. Der seinerzeit vorhandene Stickstoff nahm an diesen ganzen Umwandlungen nicht teil, seine Menge blieb unverändert bis heute erhalten und wurde zum häufigsten Element der Atmosphäre. Diese hat heute folgende Zusammensetzung:
Selbst wenn man von den Unebenheiten der Erdoberfläche absieht, weicht der Erdkörper doch deutlich von der Kugelgestalt ab. Durch die Erdrotation werden Fliehkräfte hervorgerufen, die dazu führen, dass der Äquator wulstförmig einen "Bauch" bildet, während an den Polen keine Fliehkräfte auftreten und sie daher abgeplattet sind. Durch Satellitenmessungen weiß man, dass der Polradius 6356,777 [km] und der Äquatorradius 6378,163 [km] betragen. Die Erde ist sogar leicht birnenförmig, ihre Form bezeichnet man als Rotationsellipsoid.
Da wir unser Leben direkt auf der Erdoberfläche verbringen, wissen wir naturgemäß am besten darüber Bescheid, denn wir können sie ja vor Ort untersuchen. Die Kruste ist auf den Kontinenten im Mittel nur 35 [km] stark, kann unter Gebirgen bis zu 65 [km] tief sein und unter den Ozeanen zwischen 8 und 15 [km].
Seit ihrer Entstehung hat die Erde ihr Oberflächenbild ständig verändert. Daran sind folgende Ursachen beteiligt:
Kosmische Einwirkungen
Hierzu zählt man die Einschläge von Körpern unterschiedlicher Größe. Beim Niedergang können z.T. recht hohe Energien freigesetzt werden, die nicht nur Einschlagkrater erzeugen, sondern auch weiterreichende Folgen haben. Die Krater können mit flüssigem Material aus dem Planeteninnern überflutet werden, die Atmosphäre durch den erzeugten Staub regelrecht verseucht, wodurch einschneidende Klimaveränderungen entstehen können (man denke an das Aussterben der Dinosaurier). Geringere Einwirkungen auf die Erdoberfläche zeigen der Niedergang von kosmischem Staub und der Sonnenwind aufgrund der schützenden Atmosphäre bzw. des Magnetfeldes.
Einwirkungen von Innen
Auch von ihrem Innern wurde und wird die Erdoberfläche ständig geformt, und zwar durch den Vulkanismus sowie tektonische Vorgänge.
Oberflächenprägung durch Atmosphäre und Hydrosphäre
Durch atmosphärische Vorgänge werden chemische Reaktionen ausgelöst (z.B. Korrosion), indem die Gase mit den Mineralien reagieren. Durch Erosion, die wechselnde Wirkung von Hitze, Kälte und Wind, werden Gesteine zersetzt. Gase (z.B. Kohlendioxid) werden ausgewaschen und bilden Sedimente in den Ozeanen. Fließende Gewässer und die Meeresbrandung verformen in hohem Maß die Oberflächenstruktur.
Der Manioua- Krater in KanadaDer Manicoua -Krater in Nordkanada ist einer der ältesten Einschlagkrater der Erde. Er wurde vor etwa 200 Millionen Jahren durch einen gewaltigen Einschlag erzeugt und weist einen Durchmesser von 70 [km] auf. Gletscher und die Erosion haben sein "Gesicht" im Laufe der Zeit geglättet, doch der harte Fels an der Einschlagstelle hat die komplexe Struktur konserviert. Der Flügel im linken Bildteil gehört zum Space Shuttle Columbia, dessen Besatzung die Aufnahme 1983 machte. Mehr zu Einschlagkratern im Kapitel über den Mond.
Mit freundlicher Genehmigung von STS-9 Crew, NASA
Die von Alfred Wegener begründete Theorie der Plattentektonik geht von der Auffassung aus, dass es vor 500 Millionen Jahren einen einzigen zusammenhängenden Kontinent gab, Pangäa genannt. Dieser zerbrach in mehrere Platten, welche in unterschiedlichen Richtungen auseinanderdriften.
Die Kontinetalplatten
Die mehr oder weniger großen Kontinentalplatten werden von den tieferen Formationen des Erdmantels (Asthenosphäre) getragen und bewegen sich in unterschiedlichen Richtungen. An den Plattengrenzen finden wir z.T. tiefe Spalten und Gräben, an denen wir die Naturgewalten deutlichst zu spüren bekommen. Erdbeben entstehen, wenn zwei Platten aneinander reiben und die Spannungen plötzlich freigesetzt werden. An feinen Haarrissen der Kruste tritt flüssiges Gestein aus dem Erdinneren in Form von Magma aus Vulkanen aus. Schieben sich Platten untereinander, so werden Gebirge wie der Himalaja und die Alpen aufgeworfen. Durch Anklicken des Bildes können Sie eine größere Version der Karte sehen.
Die Richtung, in der Gesteine bei ihrer Entstehung magnetisiert worden sind, ist quasi in ihnen eingefroren und bleibt erhalten. Aus ihnen kann man rekonstruieren, wie sich die Kontinentalplatten im Laufe der Zeit verschoben haben. So lag z.B. Europa während der Karbonzeit, in welcher die Kohlelagerstätten entstanden, in direkter Nähe zum Äquator.
Ausbruch des Stromboli Den Naturkräften stehen wir häufig völlig machtlos gegenüber, wie hier bei einem Ausbruch des Vulkans Stromboli. Bei den Eruptionen werden neben großen Mengen von Magma auch vulkanische Gase und Staub ausgestoßen.
Fotografie von B. Chouet im Dezember 1969
In der Frühzeit der Erde trat Magma noch aus einem anderen Grund aus: In den ersten 500 Millionen Jahren war das Sonnensystem mit Myriaden kleiner Körper bevölkert, die nach und nach von den Planeten eingefangen wurden. Die bereits festen Kontinentalplatten wurden dabei durchschlagen und die Einschlagkrater mit Magma gefüllt. Noch katastrophaler führten mehrfach in der Erdgeschichte so genannte Plumes zu gewaltigen Lavaergüssen. Das sind pilzartig aufsteigende Magmablasen, riesige Mengen glutflüssigen Gesteins, die vom äußeren Kern bis zur Oberfläche aufsteigen und sich unter großem Druck den Weg durch die Kruste bahnen. Neben der Lava wurden dabei auch ungeheure Mengen an Kohlendioxid, Schwefel und Chlor freigesetzt, die nachhaltig das Erdklima beeinflussten und zu großen Massensterben in der Flora und Fauna führten. Das Aussterben der Dinosaurier ist allerdings wahrscheinlich auf ein anderes Ereignis, den Einschlag eines großen Körpers, zurückzuführen.
Auch Luft und Wasser verändern stetig das Aussehen der Erdoberfläche.
Wasser beherrscht unseren PlanetenWasser beherrscht die Oberfläche des Planeten Erde. Mit einem Blick auf die nördliche Beringsee sehen wir die drei Zustandsformen: Eis an den Polen, Wasserdampf in Form von Wolken und flüssiges Wasser in den Meeren. Die Meere "nagen" ständig durch ihre Brandung an den Küsten, Flüsse graben sich tief in die Landschaften ein und Gletscher können, wie in den Eiszeiten geschehen, ganze Gebirge "glatt hobeln". Bei allen diesen Vorgängen werden ständig große Massen an Gesteinen transportiert.
Mit freundlicher Genehmigung von
STS-45 Crew, NASA
Auch die Luft kann das Bild der Erde verändern, man denke zum Beispiel an Wanderdünen, oder dass sogar Saharastaub bis in hohe Bereiche der Atmosphäre gelangen kann und sich bei uns "abregnet". Oder halten Sie sich die zerstörerische Wirkung von Hurricans oder Tornados vor Augen. In den letzten Jahren werden diese Stürme durch die Klimaerwärmung immer stärker, die fürchterlichen Folgen kennen wir alle aus den Nachrichten.
Selbst mit den tiefsten Bohrungen von vielleicht 13 [km] können wir nur leicht die Erdkruste "ankratzen" und nicht allzu viel über das Erdinnere erfahren. Etwas weiter bringen uns schon Vulkane, die Material aus mehreren 100 [km] Tiefe an die Oberfläche befördern. Da wir auf diesem Weg nicht weiter kommen, helfen uns nur theoretische Überlegungen. Aus astronomischen Beobachtungen können wir die Masse eines Planeten bestimmen und auch sein Volumen und die Oberflächenzusammensetzung. Daraus lässt sich auf die mittlere Dichte schließen. Des Weiteren kann man ableiten, welcher Druck und welche Temperatur im Innern herrschen. Im Falle der Erde helfen uns letzthin seismische Untersuchungen, die wichtige Aufschlüsse über den Aufbau liefern, weil Erdbebenwellen in verschiedenen Tiefen ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit sprunghaft ändern.
Aus allen diesen Betrachtungen heraus wissen wir, dass die Erde einen schalenförmigen Aufbau besitzt.
Aufbau des Erdinnern Die Lithosphäre besteht aus der Kruste und dem oberen, noch festen Teil des Mantels. Sie ist zwischen 100 und 200 [km] stark und keine durchgehende Kugelschale, sondern in viele Platten zerbrochen, die sich über die Asthenosphäre schieben. Das ist eine Schicht, die plastischer als die Lithosphäre ist. Aus ihr steigt basaltische Magma in den ozeanischen Vulkanen auf, welche die Platten auseinander schiebt. Unterstützt durch thermisch bedingte Strömungen in der Asthenosphäre ist das der Antriebsmotor der Plattentektonik.
An anderen Stellen schieben sich ozeanische Platten oder Ränder von Kontinenten untereinander und lösen sich im Erdmantel auf. Recht dicke und leichte Platten können nicht absinken, sondern falten sich beim Zusammentreffen zu Gebirgen auf. Die Plattenränder sind zugleich die vulkanisch aktivsten Regionen.
Die äußere Erdkruste kann bis zu 65 [km] dick sein, in den Tiefseegräben jedoch auch nur 8 [km]. Abgesehen von den Sedimenten, die durch Verwitterung, Transport und Ablagerung sowie Reaktionen mit der Atmosphäre entstanden, besteht die Kruste aus kieselsäurereichen, magmatischen Gesteinen wie z.B. Granit. Hingegen besteht die untere Kruste überwiegend aus basischen und daher kieselsäurearmen Gesteinen wie dem Basalt. Wenn wir bis zum oberen Erdmantel vordringen, werden die Gesteine ultrabasisch, weil der Kieselsäureanteil noch weiter abgenommen hat. Der Erdmantel ist zwar fest, aber plastisch verformbar.
Das ErdinnereSeismische Untersuchungen ergaben einen schalenförmigen Aufbau unseres Planeten. Man kann eine Unterteilung in eine rund 30 [km] dicke Kruste vornehmen, der ein 2840 [km] starker Mantel folgt und der 3500 [km] dicke Kern. Jede Region lässt sich feiner abstufen, so die Kruste in eine kontinentale und ozeanische. Der Mantel besteht aus oberer und unterer Sektion und der Kern aus äußerer flüssiger und innerer festen Zone.
Der äußere Kern der Erde befindet sich in einem zähflüssigen Zustand und besteht aus einer Legierung von überwiegend Eisen mit den Elementen Silizium, Schwefel und Sauerstoff. Der feste innere Kern besteht sicherlich aus einer Eisen/Nickellegierung. Wieso eigentlich ist die chemische Zusammensetzung unseres Planeten nicht überall, in jeder Tiefe, gleich? In der Frühzeit der Erde gab es sicherlich eine Zeit, in welcher der Planet ganz oder zumindest teilweise geschmolzen war, und zwar als Folge des Bombardements der Kleinkörper sowie durch radioaktive Zerfälle. In diesem Zustand fand eine Separation der Elemente und /oder Verbindungen nach der Dichte statt.
Das heißt, die schweren Anteile sanken in die Tiefe, während leichte als Schlacke obenauf schwammen. Damit muss auch die Dichte im Erdzentrum sehr viel höher liegen als diejenige der Kruste, die mit nur 2,84 [g/cm3] deutlich geringer ist als die mittlere Erddichte von 5,515 [g/cm3]. Die Dichte der Materie im Kern beträgt 12,51 [g/cm3], hier herrscht eine Temperatur von etwa 7500 [K] bei einem Druck von rund 3 x 1011 [Pa]. Hier erhebt sich die Frage, wieso unser Planet noch nicht völlig erkaltet ist? Schließlich hatte er dazu ja 4,6 Milliarden Jahre Zeit. Einerseits ist das Erdzentrum noch deshalb heiß, weil eine gewisse Menge an restlicher Wärmeenergie aus der Zeit der Entstehung erhalten ist, auf der anderen Seite erzeugen radioaktive Zerfälle im Erdinneren weitere Wärme. Der nach außen an die Oberfläche fließende Wärmestrom ist allerdings 10 000 Mal kleiner als derjenige, der von der Sonne zur Erdoberfläche gelangt. Unsere warme Oberfläche verdanken wir daher allein der Sonne.
Schon die alten Griechen, die in der Umgebung der Stadt Magnesia lebten, und auch die Chinesen wussten um fremdartige, seltsame Steine, die in der Lage waren Eisen anzuziehen. Eine dünne Eisennadel, mit diesen Steinen gerieben, wurde magnetisch. Um das Jahr 1000 entdeckten die Chinesen, dass sich eine frei aufgehängte magnetische Nadel in Nord- Südrichtung einpendelt. Sehr schnell gelangte dieses Wissen nach Europa, und bereits Columbus benutzte den Kompass zur Navigation. Schon um das Jahr 1600 vermutete William Gilbert, Physiker Königin Elisabeth I von England, dass die Erde ein riesiger Magnet sei, dessen Nord- und Südpol allerdings nicht mit den geografischen Polen übereinstimmte.
Ihr Magnetfeld besitzt die Erde seit mindestens 3 Milliarden Jahren. In erster Näherung kann man sich vorstellen, dass das Erdmagnetfeld einem Stabmagneten entspricht, der sich im Erdmittelpunkt befindet.
Erde als StabmagnetAllerdings herrschen im Erdinneren Temperaturen, die den Curiepunkt überschreiten. Damit ist eine Temperatur bezeichnet, bei welcher ein Permanentmagnet seine magnetischen Eigenschaften verliert. Für reines Eisen sind das 770 [°C], diese Temperatur herrscht aber bereits in etwa 50 [km] Tiefe. Es muss also eine andere Ursache für das Magnetfeld geben. Diese liegt in einem Dynamoeffekt , für welchen der Planet (oder Mond) zwei Eigenschaften aufweisen muss:
Er muss einen elektrisch leitenden Kern besitzen
Der Körper muss relativ schnell rotieren
Ein Dynamo besteht aus einem Permanentmagneten, in dessen Magnetfeld sich eine Spule dreht, wodurch in ihr ein Strom induziert wird. Ohne Permanentmagnet benötigt man eine zweite stromdurchflossene Spule, die das notwendige Magnetfeld erzeugt.
Nun besitzt ein Planet aber weder eine Spule noch einen Permanentmagneten! Das Hauptfeld des irdischen Magnetfeldes entsteht, weil im Erdinneren mechanische Energie in magnetische umgewandelt wird. Im äußeren, zähflüssigen Kern herrscht eine differenzielle Rotation vor. Das heißt, dass diese Flüssigkeit anders rotiert als die übrige feste Materie, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit mit 1 [m] pro Stunde nur gering ist. Hierdurch wird aber in der elektrisch leitfähigen Materie durch mitgeführte Ladungen ein elektrischer Strom induziert, welcher die entsprechenden Magnetfelder erzeugt.
Aus der Untersuchung von Gesteinen weiß man, dass sich das Erdmagnetfeld gelegentlich umpolt, dass also der magnetische Nordpol zum Südpol wird und umgekehrt. In den letzten 5 Millionen Jahren ist dies mehrmals unregelmäßig mit Abständen von Hunderttausend bis 1 Million Jahre erfolgt.
Modell des Erdmagnetfeldes Der genaue Prozess, der zur Umpolung des Feldes innerhalb von ein paar Tausend Jahren führt, ist noch nicht bekannt. Durch Computersimulationen untermauert glaubt man aber, dass Teile des äußeren Mantels gelegentlich abkühlen und nach innen fallen. Gleichzeitig steigen eisenreiche Magmen aus dem äußeren Kern auf, wodurch es zu Strömungen im Erdinneren kommt, welche noch durch die Erddrehung beeinflusst werden. Diese Vorgänge können die Umpolungen auslösen, weil hierdurch die Magnetfeldlinien ähnlich "verwuselt" werden wie es durch die differentielle Rotation in der Sonne geschieht.
Die Abbildung zeigt eine Sequenz aus einer Reihe von Simulationen, in denen die Umpolung des Erdmagnetfeldes mit dem Computer berechnet wird. Die blauen Feldlinien treten aus der Erde aus, während die gelben eindringen. Im Erdkörper sind die Feldlinien bereits chaotisch miteinander verwoben.
Mit freundlicher Genehmigung von Gary A. Glatzmaier (UCSC)
Dem Hauptmagnetfeld der Erde, welches in ihrem Innern erzeugt wird, ist ein weiteres schwaches Feld überlagert. Dieses Feld wird durch die Ionosphäre hervorgerufen. Elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes dringen in die Ionosphäre ein und wechselwirken mit den ionisierten Teilchen der Atmosphäre, wodurch elektrische Ströme fließen. Letztere wiederum erzeugen ein schwaches Magnetfeld.
Plasmasphäre der ErdeWie hier im Ultraviolettlicht in einer Aufnahme des IMAGE- Satelliten erstmals zu sehen, ist die Erde von einem heißen, dünnen Plasmafeld umgeben. Der rechte "Arm" weist zur Sonne. Die hellen Ringe in der Bildmitte sind Auroren über der nördlichen Hemisphäre, welche man vom Erdboden als Nordlichter sieht. Das Erdmagnetfeld steuert und bestimmt die Bewegungen der geladenen Teilchen des Plasmafelds. Das Plasma selbst wird durch die energiereiche UV- Strahlung der Sonne erzeugt.
Mit freundlicher Genehmigung von EUV, IMAGE Science Team, NASA
ErdmagnetosphäreDas Erdmagnetfeld wird durch Wechselwirkung mit den elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes verformt. Es wirkt als Hindernis für die mit Überschallgeschwindigkeit auftreffenden Teilchen, sie werden hier auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst und es bildet sich eine Stoßfront aus. Dabei erhitzen sie sich stark und das Magnetfeld wird soweit zusammengepresst, bis der innere Druck des Feldes gleich dem kinetischen Druck der Teilchen ist.
Mit freundlicher Genehmigung von SOHO/LASCO, SOHO/EIT, und SOHO/CDS (ESA & NASA)
Diese Fläche gleichen Drucks bezeichnet man als die Magnetopause. Weil die Teilchen des Sonnenwindes in ihrer Anzahl und Geschwindigkeit variieren, ändert sich auch die Distanz der Magnetopause von der Erde. Sie liegt zwischen 10 und 12 Erdradien von der Erdoberfläche entfernt, während die Bugstoßfront (im Bild violett dargestellt) rund 14 bis 16 Erdradien weit entfernt ist. Zwischen der Bugstoßfront und der Magnetopause befindet sich ein turbulenter Bereich magnetischer Ladungen. Auf der sonnenabgewandten Seite wird das Magnetfeld zu einem Schweif von 1000 Erdradien Länge gedehnt. Hier können entgegen gerichtete Feldlinien parallel verlaufen, zwischen ihnen herrscht dann eine neutrale Zone in der hohe Ströme fließen. Die Feldlinien können sich hierbei auch neu orientieren, wodurch eine energetisch günstigere Situation für das gesamte Magnetfeld entsteht. Magnetische Energie wird dann in thermische umgewandelt und Teilchen werden beschleunigt. Dringen diese in die Ionosphäre ein, beobachten wir vermehrt Polarlichter.
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