Einführung
Stellung in der Welt
In Raum und Zeit
 Die Evolution
 Aberglaube,Religion
Das Gehirn versagt
Zahlenspiele
Relativitätstheorien
Quantenphysik
Chaos und Fraktale
Die Erde
Aufbau der Materie
Stichwort Realität

Zurück zu Willkommen


Die Erde
 

In memoriam Alfred Wegener









Alfred Wegener (1880-1930) war der erste, der  die Puzzle-Passung zwischen Europa/Afrika und den Amerikas nicht nur bemerkte, sondern aus Geologie, Fauna und Flora Belege dafür zusammentrug, dass diese Erdteile einst in einem Riesenkontinent Pangäa vereint waren.
Die Hypothese des Meteorologen und Polarforschers wurde nicht akzeptiert. 50 Jahre später, nach der Entdeckung des "Seafloor Spreading",  wurde die Plattentektonik zur anerkannten  Erklärung für viele verschiedene Phänomene der Erdkruste.
 

Inhalt

Zeitskala
Entstehung der Erde
Aufbau der Erde
Die Gesteine
Plattentektonik
Kontinentaldrift
Gebirgsbildung und Erosion
Vulkanismus
Erdbeben
Die Meere
Die Atmosphäre
Das Magnetfeld
Der Mond

Literatur
 
 

Die Zeitskala


 

Diese Zeitskala mit einigen markanten Meilensteinen soll die Einordnung von später erwähnten Ereignissen erlauben. Die Zeitangaben sind in Millionen Jahren vor der Gegenwart. Man beachte den Maßstabswechsel zwischen den zwei Zeitsäulen.

Die in der zweiten Säule angezeigten Erdzeitalter wurden zunächst nur qualitativ als Abschnitte der Erdgeschichte identifiziert, an deren Grenze die Fossilien einen markanten Wechsel der Lebensformen anzeigen – Hinweis auf ein Massen-Artensterben.

Erst mit der Entdeckung der Radioaktivität und ihrer Gesetze wurde eine – recht genaue – Altersbestimmung möglich. Viele chemische Elemente treten in verschiedenen Isotopen auf (unterschiedliche Zahl der Neutronen im Kern), von denen einige spontan zerfallen. Aus dem Mengenverhältnis der Zerfallsprodukte zum radioaktiven Ausgangsisotop lässt sich die vergangene Zeit ermitteln. Das funktioniert sinnvoll nur bei Ergussgesteinen. Sedimentgesteine, die ja aus viel älterem Material gebildet wurden, muss man interpolieren. Und die Entstehungszeit des Gesteins sagt nicht unmittelbar etwas über die Entstehungszeit eines Gebirges,

Entstehung der Erde

Die Sonne entstand vor rund 4,6 Milliarden Jahre. Sie ist ein Stern der zweiten oder  dritten Generation. Daher enthielt die Materiewolke, aus der sie durch Gravitationskollaps entstand, auch jene schweren Elemente, die nur in Supernova-Explosionen entstehen. Die Sonne selbst enthält 99,86% der Gesamtmasse des Systems.

Die um die Sonne kreisende Scheibe der restlichen Materie – Gase und Staub – fand sich in den Planeten, Monden, und Asteroiden des Sonnensystems zusammen. Die Erde ist mithin rund 4,6 Milliarden Jahre alt. Planetenentstehung ist eine im Universum weit verbreitete Erscheinung; viele hundert Exoplaneten sind heute bekannt, darunter auch potentiell erdähnliche. In den ersten 600 Millionen war die Erde dem Bombardement chaotisch herumfliegenden Gesteinsmaterials, kleinen und großen Meteoriten, ausgesetzt,  die nicht nur zu ihrer Masse beitrugen, sondern sie mit ihrer Energie ihres Aufschlages kräftig aufheizten. Diese Zeitabschnitt wird auch als "formative Phase" bezeichnet.

Nicht alle Einzelheiten der Planetenentstehung sind geklärt. Am Sonnensystem erstaunt die Vielfalt der gebildeten Planeten und Monde. Im Oktober 2013 wurde aber die Entdeckung eines Sonnensystems mit sieben Planeten gemeldet, mit kleinen Gesteinsplaneten auf den inneren Bahnen und riesigen Gasplaneten auf den äußeren, also ähnlich unserem Sonnensystem (jedoch dichter zusammengedrängt).  Die Erde ist einer der drei kleinen Gesteinsplaneten der Sonne.
 

Astronomische Daten
Durchmesser am Äquator/polar    12756 / 12714 km
Dichte                                            5,52 g/m³
Masse                                            5,974 x 1024 kg   = 0,0003% der Sonnenmasse
Neigung Äquatorebene                 23° 26'
Mittl. Abstand zur Sonne               149,6 Mio km      ~ 8 Lichtminuten
Umlaufperiode                                365,256 Tage

Aufbau der Erde

Die Erde ist der dichteste der Planeten. Die massenanteilige Zusammensetzung der Erde besteht hauptsächlich aus Eisen (32,1 %), Sauerstoff (30,1 %), Silizium (15,1 %), Magnesium (13,9 %), Schwefel (2,9 %), Nickel (1,8 %), Calcium (1,5 %) und Aluminium (1,4 %) plus einem Rest diverse.

Die Erde ist schalenförmig aufgebaut. Der Erdkern besteht aus  Eisen und Nickel. Der innere Erdkern mit rund 2500 km Durchmesser ist fest (Temperatur 5000 – 8000(?)°), der 2200 km dicke äußere Erdkern ist flüssig, Temperatur 3000 – 5000°. Der Erdmantel ist rund 2900 km stark, gebildet aus Gestein (Silikate und Oxide). Die Temperatur im "Inneren Mantel" beträgt 2000°.

Der oberste Teil des Mantels ist als Asthenosphäre bekannt (Tiefe 60-300 km, Temperatur um 1000°). Sie ist zähplastisch, das heißt, sie ist zum langsamen Fließen fähig. Auf ihr schwimmen die leichteren Lithosphärenplatten, ihre oberste Schicht bildet die Erdkruste. An der Unterseite der Kruste ändern sich die mineralogischen und seismologischen Eigenschaften, die Grenzzone wird als Mohorovicic-Diskontinuität, kurz "Moho", bezeichnet.

Mit einer Bohrung auf der russischen Halbinsel Kola wurde eine  Rekordtiefe von 12.262 m erreicht. Aufschluss über tiefere Schichten ergibt die Beobachtung der von  Erdbeben ausgehenden seismischen Wellen ("Refraktionsseismik"). Für gezielte Untersuchungen im Bereich der Erdkruste, zumal in der Erdölexploration, wird mit Sprengungen  oder auf See mit Luftpulsern gearbeitet; die Signalaufnahme erfolgt mit Geophonen resp. Hydrophonen ("Reflexionsseismik")

Gesteine


Reihen von oben nach unten:
Magmatische und Metamorphe Gesteine – Sedimentgesteine – Mineralien – Versteinerungen



Im alltäglichen Wortsinne sind Gesteine feste Verbindungen von Mineralien oder Rückständen von Organismen. Mineralische Bestandteile sind vor allem Silikate (Quarz (Si O2), Feldspat,  Glimmer ...) und Karbonate (Calcit ( Ca[CO3] ), Dolomit)

Nach ihrer Entstehung unterscheidet man

Magmatische Gesteine (Ergussgesteine), die beim Erkalten von Magma aus dem Erdinneren entstehen. Geschieht dies in einiger Tiefe als "Intrusiv-gestein", erstarrt die Masse nur langsam und es entstehen große Kristalle, sogenannte "Plutonite": Granit, Syenit, Diorit ... Erstarren sie schnell an der freien Atmosphäre, so entstehen feinkörnige "Vulkanite": Basalt, Andesit, ... oder ganz ohne kristalline Struktur (amorph):  Obsidian.

Sedimentgesteine, entstanden aus Ablagerungen mineralischen Erosionsma-terials (Sand), oder aus organischer Produktion (Kalkpanzer von Kleinstlebewesen des Meeres, Muscheln, Korallenbauten .... ): Sandstein, Schiefer,  Kalkstein, Kalksandstein....

Metamorphe Gesteine entstehen aus älteren Gesteinen durch Umwandlung bei hohem Druck und hoher Temperatur. Beispiele: Aus Quarzsand wird Quarzit, aus Kalksteinen wird Marmor. Hoher Druck bei der Auffaltung von Gebirgen kann aus tonigen Sedimenten Schiefer, aus magmatischem Gestein Gneis entstehen lassen.

Das mit 4 Milliarden Jahren älteste bisher sicher datierte Gestein ist ein Gneis im Nordwesten  Kanadas.

Auch Steinkohle ist eigentlich ein Sedimentgestein. Im Karbon und Perm – etwa in der Zeit von vor 350 bis 250 Millionen Jahren, wurden große Flächen der Kontinente immer wieder überschwemmt.  Farne, Kalamiten und Schuppenbäume bildeten große Sumpfwälder. Die am Sumpfboden angehäufte Biomasse (man vergleiche mit heutigen Torfmooren!) wurden immer wieder durch Flusssedimente (Tone, Sand) abgedeckt. Unter Luftabschluss, bei hohem Druck, wurde die Biomasse entwässert und schließlich zu Steinkohle umgewandelt.

Ebenso ist Erdöl ein Sediment, entstanden aus der Ablagerung von Meereskleinstlebewesen (Algen) überwiegend in Schelfmeeren. Es entstand ein Faulschlamm, aus dem, überdeckt von anorganischen Sedimenten, unter hohem Druck und Temperatur das Erdöl wurde.

Die Reste von Lebewesen können unter bestimmten Bedingungen "versteinern", sie werden in Sedimente eingebettet und können mineralisieren.

Plattentektonik

Die Oberfläche der Erde ist aus einzelnen Platten aufgebaut, sie sind im Verhältnis zum Erdkörper in geologischen Zeiträumen verschiebbar.

Platten der Erdkruste (nach Wikipedia, Public Domain)

Platten umfassen in der Regel Kontinente plus ausgedehnte Bereiche des Meeresbodens, oder auch nur Meeresboden. Die Platten "schwimmen" als relativ starre Gebilde ("Lithosphäre") auf dem kriechfähigen, dem Schmelzpunkt nahen Material der "Asthenosphäre", die bis rund 300 km reicht. Die Platten sind im Bereich der Kontinente im Mittel 110 km dick, im Bereich Ozeane im Mittel 70 km und . Die oberste Schicht, die Kruste, ist im Bereich der Ozeane nur 5-10 km dick und basaltisch, im Bereich der Kontinente 30 – 40 km und gneisisch-granitisch. Die Kontinentalplatten reichen um so
weiter nach unten in die Asthenospäre, je höher sie sich über die Erdoberfläche erheben.

Passive Küste

Die Kontinente sind im Kern sehr alt, wohl in der Frühzeit einer festen Erdkruste entstanden. Dagegen wird die Kruste im Bereich der Ozeanböden ständig neu gebildet und ist damit sehr jung; die Hälfte aller Ozeanböden ist jünger als 65 Millionen Jahre, nirgendwo ist der Ozeanboden älter als 200 Millionen Jahre.

Mittelozeanischer Rücken

Die jungen Ozeanischen Böden werden an den Bruchlinien zwischen zwei Platten gebildet. Die Platten werden von den langsamen Konvektionsströmen der Asthenosphäre mitgenommen;  an der Bruchlinie treiben sie auseinander.  Magma steigt auf und tritt in Vulkanen an die Oberfläche. Entlang der Bruchlinie bilden sich langgezogene "Mittelozeanische Rücken" Die Lava fließt nach beiden Seiten ab und bildet den neuen Ozeanboden. Die ursprüngliche schwache Magnetisierung der Lava (geringer Eisenanteil), erfolgt  während des Erstarrens, bleibt erhalten. Die regelmäßige Umpolung des Erdmagnetfeldes lässt sich in einem symmetrischen Streifenmuster zu den beiden Seiten des Ozeanischen Rückens nachweisen.  Mit dem Auseinanderdriften der Platten driften auch die zugehörigen Kontinente auseinander.  Im Südpazifik wurde eine Driftgeschwindigkeit von 10 cm pro Jahr festgestellt, im Südatlantik 3cm pro Jahr.

Mittelozeanische Rücken (nach Wikipedia, Public domain)

Island ist ein über die Meeresoberfläche hinausragender Teil des Mittelatlantischen Rückens.  Das Driften der Platten ist dort in der Umgebung von Thingvellir gut zu beobachten, in der Allmännerschlucht und in der Silfraspalte. Die Silfraspalte reicht an der tiefsten Stelle bis 63 m unter dem Meeresspiegel, sie wird jedes Jahr 7 mm breiter.

...

Island – Allmännerschlucht, Silfraspalte
Die Amerikanische Platte liegt links, die Europäische rechts (Eigene Fotos)
 
 

Subduktion

Da die Gesamtoberfläche der Erde sich nicht ändert, verschwindet an anderen Stellen Ozeanische Kruste, indem sie unter eine Kontinentalplatte abtaucht ("Subduktion"). Es bilden sich tiefe, langgestreckte  Gräben im Meeresboden.

Tiefseegräben
(Wikipedia, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License; Author: Lencer)

Eine Ozeanische Platte kann auch unter eine andere, leichtere Ozeanische Platte abtauchen.

Die Plattentektonik liefert die Erklärung für die Verschiebung der Kontinente im Laufe der Erdgeschichte, die Auffaltung von Gebirgen und die Verteilung von Vulkanismus und Erdbeben auf der Erde.

Kontinentaldrift

Die allerersten Anfänge der Kontinente sind unklar. Die Kontinente wurden nach heutiger Auffassung durch die Plattentektonik aus kleineren Fragmenten ("Terrane") zusammengesetzt, die bereits vor 4,2 Milliarden Jahren entstanden waren.  Erstmals vor rund 1,6 Milliarden Jahren waren die Kontinente im heutigen Sinne annähernd zu identifizieren. Vor 1 Milliarde Jahre sollen, so sagt eine Hypothese, alle Kontinente zum ersten Mal zusammen vereinigt gewesen sein; dieser Kontinent "Rodinia " löste sich aber noch vor dem Ende des Proterozoikums wieder auf.

Erste Spuren von Leben (Bakterien) finden sich im Proterozoikum aus der Zeit vor 3 Milliarden Jahre. Erst zu seinem Ende finden sich komplexere Lebensformen, darunter die geheimnisvolle und ohne Nachfolge gebliebene Ediacara-Fauna.

Vor 540 Millionen Jahren, zu Beginn des Kambrium, hingen Südamerika, Afrika und Bruchstücke des heutigen östlichen Asien in "Gondwana" zusammen. Nordamerika lag abseits und gedreht im Westen, dazwischen Baltica und Sibirien.  Vor 400 Millionen Jahren (Beginn des Devon) stieß Nordamerika/Grönland mit Baltika und mit von Gondwana abgespaltenen Terranen zusammen.

Im Kambrium (vor 540 bis 500 Millionen Jahren), entwickelte sich eine große Zahl von Tierstämmen, mit gut fossilierenden harten Schalen und Skeletten. Noch aber spielte sich alles Leben im Meer ab. Erst im Silur ( vor 440 bis 400 Millionen Jahren) eroberten die Pflanzen die Kontinente, denen bald Gliederfüssler folgten. Gegen Ende des Devon (vor 410 bis 360 Millionen Jahren) betraten die ersten Wirbeltiere das Land.

Der Südkontinent Gondwana und der Nordkontinent Laurasia trieben auf einander zu. Als sich das Meer zwischen ihnen schloss und die Kontinente zusammenstießen, wurden in der Zeit von vor 400 bis 300 Millionen Jahren in einem breiten Streifen von den Appalachen in Amerika über Europa bis nach China Gebirge gebildet ("Variskische Orogenie = Gebirgsbildung"); in Deutschland sind die Mittelgebirge Reste dieses Gebirges.

Im Karbon, vor 360 bis 290  Millionen Jahren lag Afrika weit im Süden und erlebte zeitweise eine Eiszeit, während die heute gemäßigten Gebiete unter dem Äquator lagen und tropisches Klima erlebten. Wahrscheinlich durch den Rhythmus wechselnder Eiszeiten in Afrika bedingt, schwankte der Meeresspiegel immer wieder, so dass Sumpfwälder bald üppig wachsen konnten, bald abstarben und von Sedimenten überdeckt wurden. Schließlich wurde aus der Biomasse Steinkohle.
 
 

Vor 250 Millionen Jahren, zum Ende des Perm, wuchsen alle Kontinente zu einer riesigen Landmasse zusammen, die man als Pangäa bezeichnet. Der Superkontinent wanderte langsam nach Norden. Von Osten schnitt das Thetys-Meer in die Landmasse hinein.

Trias, Jura und Kreide (vor 250-210/210-140/140-65 Millionen Jahren) waren die hohe Zeit der Saurier, welche Meer, Land und Luft beherrschten – immerhin rund 200 Millionen Jahre lang!.

Vor 170 Millionen Jahren, im Jura, zeigte Pangäa  erste Auflösungserscheinungen. Das Thetysmeer andererseits verengte sich, da der nördliche Teil des Kontinents (Laurasia), im Urzeigersinn drehte. Nord- und Südamerika trennten sich wieder. Es entstand eine Verbindung von Thetys und "Pazifischen Ozean"

Vor etwa 130 Millionen Jahren (in der frühen Kreidezeit) brach die Landmasse "endgültig"  auseinander. Im Norden bildeten sich Nordamerika und Eurasien, aus Gondwana im Süden wurden Südamerika, Afrika, Indien, die Antarktis und Australien getrennt.

Nordamerika/Südamerika (noch lange getrennt) und Eurasien/Afrika begannen auseinander zu driften. (Es war das Zusammenpassen der amerikanischen und der afrikanisch-europäischen Küsten, welche Alfred Wegener auf seine Theorie der Kontinentaldrift brachte; er hinterlegte sie mit weiteren geologischen Argumenten und mit Beobachtungen zur Ähnlichkeit von Flora und Fauna).

Das Ende der Kreidezeit wird durch das Aussterben der Saurier  vor 65 Millionen Jahren markiert. Jetzt konnten die schon lange existierenden Säugetiere die Führung übernehmen und sich ausbreiten. Als vor 55 Millionen Jahren das erste Gras auf den Kontinenten wuchs,  wurde das Entstehen großer Tierherden möglich, was wiederum vielen Raubtieren die Existenz ermöglichte.

Am Ende der Kreide, hatte sich der Atlantik deutlich geöffnet. Der Prozess setzt sich bis heute fort mit einer Geschwindigkeit von rund 2 cm pro Jahr ("mit der Geschwindigkeit mit der Fingernägel wachsen").

Das Thetysmeer verschwand, die Afrikanische und die Eurasische Platte bewegten sich auf einander zu, was zur Bildung der Alpen führte.

Australien wanderte weit nach Osten, die Antarktis noch etwas nach Süden.

Die indische Platte driftete (geologisch gesehen) sehr schnell nach Norden. Als Indien vor 40 Millionen Jahren auf die Eurasische Platte traf, begann die Auffaltung des Himalaja. Noch heute dringt die Indische Platte mit 5cm pro Jahr gegen die Asiatische Platte vor.

Erst vor 4 Millionen Jahren schloss sich der Isthmus von Panama.

Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass die Kontinentaldrift in (geologisch) ab-sehbarer Zeit zum Stillstand kommen wird.

Seit 2,7 Millionen Jahren haben die vorrückenden und sich wieder zurückziehenden Gletschermassen der Eiszeiten große Landschaften umgestaltet, in Europa zumal Norddeutschland und Dänemark.

Die Umrisse der Kontinente (im Sinne trockenen Landes) waren durchaus nicht immer konstant. Sie sind in den vorstehenden Abbildungen in ihrer heutigen Gestalt angedeutet, um die Identifizierung zu ermöglichen. (Die Abbildungen orientieren sich an den Grafiken des Buches von J.D.Macdougall)

Geologische Gebiete.          Orange: Schilde        Pink: Tafeln/Plattformen
(nach Wikipedia,  USGS,  Public domain)

Die Kontinente haben sich um alte präkambrische Kerne ("Kratone") gebildet, bestehend aus stark metamorphen Gesteinen. Wo das Grundgebirge zutage tritt, werden sie als Schilde bezeichnet, wo sie von jüngeren Sedimenten überdeckt sind, heißen sie "Plattformen" oder "Tafeln".

Vulkanismus vergrößerte die Landmassen; kleine Lithosphärenplatten mit Kontinentstücken ("Mikroplatten", "Terrane") wurden angelagert oder abgespalten. Abhängig vom Meeresspiegel und Hebung oder Senkung der Landmasse konnte das Meer als seichter Meeresarm ins Land eindringen oder musste sich wieder zurückziehen ("Transgression – Regression"). Bei der Regression konnten abgetrennte Meeresteile zurückbleiben und austrocknen; Salz lagerte sich ab.  Wo sich der Vorgang mehrfach wiederholte, entstanden bis 1000m mächtige Salzlagerstätten.

Besonders niedrig war der Meeresspiegel, wenn viel Wasser in Gletschern oder Eiskappen gebunden war. Während der letzten Eiszeit war der Meeresspiegel um 120m niedriger als heute;  es existierte eine Landbrücke zwischen Asien und Nordamerika an der Stelle der heutigen Beringsee sowie eine Landbrücke von Asien nach Australien (mit nur kleiner Lücke vor Australien). Würde alles heutige arktische und antarktische Eis schmelzen, würde der Meeresspiegel noch einmal um 70m steigen (anthropogene Klimaerwärmung?!).

Gebirgsbildung und Erosion

Gebirge entstehen durch Druck auf eine Kontinentalplatte,

wenn eine ozeanische Platte unter  eine Kontinentalplatte abtauchen muss ("Subduktion"). Dieser Vorgang ist gewöhnlich mit Erdbeben und starkem Vulkanismus verbunden, der zum  Aufbau des Gebirges beiträgt. Beispiel:  wo die  Nazcaplatte unter die Südamerikanische Platte taucht werden die Anden aufgefaltet. Vor der Küste entstehen durch die Subduktion tiefe Gräben (Perugraben, Atacamagraben).

oder wenn zwei Kontinentalplatten gegeneinander stoßen. Beispiel: wo die Indische Platte auf  die Asiatische Platte prallt, entsteht der Himalaja. Der Ozeanische Boden ist in der Asthenosphäre verschwunden, der Tiefseegraben überrollt, die Kontinente prallen auf einander. Es bildet sich eine sehr dicke Lithosphäre.

Zusammenstoß von Kontinenten

Die Gebirge "schwimmen"  als Teil einer Kontinentalplatte im isostatischen Gleichgewicht: sie reichen auf der Unterseite der Kontinentalplatte eisbergartig um ein mehrfaches ihrer Höhe in die Asthenosphäre hinunter.  Die Auffaltung eines Gebirges kann sich über einige zig Millionen  Jahre hinziehen. Die jungen Faltengebirge (Pyrenäen, Alpen, Himalaja ) sind in den letzten 50 Millionen Jahren entstanden. Die Bildung der Anden begann bereits vor 150 Millionen Jahren, doch erst in den letzten Jahrmillionen wurde daraus ein Hochgebirge.

Die Hebung der Gebirge kann 1-1,5 mm pro Jahr erreichen (Anden) . Aber bereits während der Auffaltung setzt die Erosion ein, die durch Frost, Gletscher, Wind, Was-ser das Gebirge wieder abbauen will. 0,1 mm pro Jahr dürfte ein typischerer Mittelwert für die Höhenzunahme sein (Alpen).  Kommt die Auffaltung zum Ende, wird das Gebirge abgebaut, der Stumpf taucht dabei wieder hoch und wird weiter eingeebnet.

Das abgebaute Material wird von Gletschern und Wasserläufen transportiert, in Seen und vor den Flussmündungen im Meer abgelagert. Große Sedimentbecken erreichen Tiefen von über 10 km (Beispiel: Norddeutsches Becken). An den Küsten der Kontinente nagt die Brandung. Meeresströmungen transportieren Sandmengen. Sinkt der Untergrund ab, so können kilometerdicke Sandablagerungen entstehen. Sie können zu neuem Gestein verfestigt und erneut zu Gebirgen hochgedrückt werden.

Im Meer können unzählige Schalen von Muscheln und Kleinlebewesen dicke Schichten bilden, aus denen unter Druck Kalkstein wird. Fossilien von Meerestieren finden sich so im Hochgebirge.
 

...

Dover......................................................................Coccolithen
(Eigenes Foto, eigene Zeichnung)

Die Kreidefelsen von Dover und der östlichen Jurassic Coast Englands, der Inseln Rügen und Mön bestehen praktisch ausschließlich aus den Schalen von winzigen Coccolithen, das sind Kalkschildchen bis 0,01mm Durchmesser, welche die kugel-förmigen Körper von Kalkalgen schützten.
 

Vulkane können ihrerseits zum Aufbau von Gebirgszügen beitragen, ihr Auswurf auch große Landflächen überdecken. Vulkane am Meeresboden können neue Inseln aufbauen.

Wo unter einem Kontinent sich eine Senke für die Erdkruste ausbildet, die später einmal zur Abtrennung eines Teiles vom Kontinent führen wird, entsteht ein Grabenbruch – eine Absenkung des Landes mit tiefen Seen, flankiert von steilen Felswänden und begleitet von Vulkanen. Bekanntestes gegenwärtiges  Beispiel ist der Afrikanische Grabenbruch (auch "Rift  Valley"), der vom Auseinanderdriften der Afrikanischen, der Arabischen und der sich neu formierenden Somalischen Platte zeugt. Das Eindringen des Meeres in den Grabenbruch wird in 10 – 20 Millionen Jahren erwartet.

Vulkanismus

Sammelt sich aufgeschmolzenes Gestein in einem Magmaherd in 2-50 km Tiefe, so kann es nach oben durch die feste Erdkruste ausbrechen und in einem Vulkan an die Erdoberfläche treten. Beim Ausbruch werden neben der flüssigen Lava auch feste und gasförmige Stoffe ausgeworfen. Die chemische Zusammensetzung der Lava, insbesondere der Gehalt an Siliciumdioxid (Si O2) beeinflusst die Heftigkeit des Ausbruchs und die Form in der sich die Lava ausbreitet. ( Lavadome, Schildvulkane, Schichtvulkane ....). Die Schmelztemperaturen liegen bei 600-1300°C, je nach chemischer Zusammensetzung und Wassergehalt.

Vulkane finden sich vornehmlich

>   in Subduktionszonen, wo Meeresboden unter eine Kontinentalplatte taucht  ("Ring of Fire"); der erhöhte Wassergehalt der Ozeanischen Kruste setzt die Schmelztemperatur des Magma herab.

>   wo zwei Ozeanische Platten aufeinanderprallen und die eine unter die andere taucht.  Es entsteht eine Kette vulkanischer Inseln. Beispiel: im westlichen Pazifik taucht die Pazifische Platte unter die Philippinische Platte.

wo Platten aufeinander prallen (z.B. Europäische -Afrikanische Platte)

über sogenannten Hotspots, an denen beständig Magma aus großer Tiefe hochsteigt (auch als "Plume" bezeichnet). Die Hotspots sind selbst ortsfest. Wenn eine   Platte über sie hinweggleitet,  entstehen Vulkaninseln in einer Reihe angeordnet (Beispiel: Hawai-Inseln);

>   bei weitem am zahlreichsten wohl in den unterseeischen Mittelozeanischen Rücken, wo zwei Platten auseinander treiben.

Plattentektonik und Vulkanismus
(nach USGS/Cascades Vulcano Observatory Vancouver; Public domain)

Es gibt heute etwa 1500 aktive (d.h. in den letzten 10 000 Jahren mindestens einmal ausgebrochene) Vulkane  an der Erdoberfläche.

Besonders eindrucksvoll ist der Vulkanismus auf Island. Diese große vulkanische Insel liegt genau über der Grenze zwischen Amerikanischer und Europäischer Platte, sie ist ein Teil des  hier aus dem Meer ragenden  Mittelatlantischen Rückens. 1963 erhob sich vor der Südküste Islands eine neue vulkanische Insel aus dem Meer: Surtsey.

Island
(Wikipedia, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, Autor: Dudy001).

Extrem große Vulkane werden als Supervulkane bezeichnet, die Wirkung ihres Ausbruches ist weitreichend. Vor 75 000 Jahren soll der Ausbruch des Vulkans Toba auf Sumatra zur Reduzierung der Menschheit auf wenige tausend Personen geführt haben (als "Genetischer Flaschenhals" bekannt).

Ruhende Supervulkane liegen unter dem Yellowstonepark (die in rund acht Kilometer Tiefe liegende Kammer  ist rund 60 km lang, 35 km breit, 8-10 km mächtig, der nächste Ausbruch ist in wenigen tausend Jahren fällig); den Phlegräischen Felder (150 km² nördlich des Vesuv); der Lazufre-Region an der Grenz zwischen Chile und Argentinien (das 50x35 km große Gebiet hebt sich im Zentrum jedes Jahr um 3 cm!).

Erdbeben

Erdbeben – messbare Erschütterungen des Erdkörpers – werden durch Masseverschiebungen ausgelöst. Bewegen sich Lithosphärenplatten auseinander, prallen sie zusammen oder gleiten sie aneinander vorbei (Andreas-Fault in Kalifornien!), so bauen sich Spannungen auf, die sich durch ruckartige Bewegungen der Erdkruste lösen.

Die folgende Abbildung lässt den Zusammenhang mit den geologisch aktiven Plattenkanten erkennen. In den Subduktionsgebieten bleiben die relativ kalten abtauchenden Ozeanische Platten lange Zeit bruchfähig, so dass Beben auch in großer Tiefe ausgelöst werden können. 90% aller schweren Erdbeben ereignen sich am Rande des Pazifik, wo fast überall Ozeanische Platten abtauchen.

Epizentren der Erdbeben (Nach NASA)

Unterseeische Beben können Tsunamis auslösen, die auf freier See kaum wahrzunehmen sind, in Landnähe sich aber bis zu 100m Flutwelle aufbauen können.

Die Meere


 
 

Die Ozeane
(Wikipedia, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, Author Alexrk2)

71,8 % der Erdoberfläche ist von Meeren bedeckt. Gäbe es keine Kontinente, könnte die Erde gleichmäßig von einem 2,6 km  tiefen Ozean bedeckt werden. Tatsächlich variiert die Tiefe der Ozeane sehr stark, die tiefste bekannte Stelle liegt im Marianengraben im westlichen Pazifik  bei 11 034 m, einer Subduktionszone. Die Randmeere sind durchweg flacher als die Ozeane.

Meeresströmungen -  Globales Förderband
(links: Wikipedia,Public domain, US Gov. –  rechts: Wikipedia, Creative Commons Attribution-Share
Alike 3.0 Unported license; Author: Miraceti)

Kalte und warme Strömungen durchziehen als "Globales Förderband" die Weltmeere und verbinden die Ozeane.  Sie sorgen für den Transport großer Wärmemengen, sind daher für das Klima von hoher Bedeutung (Golfstrom!). Die Strömungen werden primär durch Temperaturunterschiede und Unterschiede im Salzgehalt des Meers angetrieben. Der Einfluss des Windes auf die Meeresoberfläche liefert einen weiteren Beitrag. Geschwindigkeiten von 30 – 60 km pro Tag können erreicht werden.

Wie sich Meeresströmungen überhaupt ausbilden können, hängt von Anordnung der Kontinente ab. Ändern sich die Meeresströmungen signifikant, so hat das große Auswirkungen auf das Klima.

Die Atmosphäre

Erdatmosphäre bei den Anden (Wikipedia, NASA)

Die Atmosphäre bis 90km Höhe hat eine weitgehend gleichförmige Zusammensetzung : 78,08 % Stickstoff, 21,95 Sauerstoff, 0,93% Argon, dazu Kohlendioxyd, Wasserdampf, Methan , Stickoxide ... Diese Verhältnisse sind Endergebnis einer langen Geschichte.

Die anfängliche Gashülle der Erde vor 4,6 Milliarden Jahren aus den sehr leichten Elementen  Wasserstoff und Helium ging schnell verloren. Der starke Vulkanismus brachte Gase aus dem Erdinneren heraus und ließ eine Atmosphäre mit etwa 80% Wasserdampf, 10% Kohlendioxid und bis 7% Schwefelwasserstoff entstehen. Nachdem die Temperatur der Atmosphäre unter den Siedepunkt des Wassers fiel, kam es zu einem extrem langen Dauerregen, nach dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten und dementsprechend die anderen Atmosphärengase relativ zum Wasserdampf angereichert wurden. Methan und Ammoniakmoleküle wurden photochemisch aufgespalten, der chemisch inerte Stickstoff reicherte sich in der  Atmosphäre an.

Kohlendioxid wurde in den Ozeanen gelöst oder von Bakterien  verbraucht. Cyanobakterien verbrauchten einerseits Kohlenstoffdioxid, setzten andererseits aber  Sauerstoff frei. Vor einer Milliarde Jahre wurden ein Anteil von 3% Sauerstoff an der Atmosphäre erreicht (Beginn der Ozonbildung). Vor 350 Millionen Jahren erreichte der Sauerstoffanteil erstmals den heutigen Wert und überschoss ihn für einige Zeit unter dem Einfluss des üppigen Wuchses der Landpflanzen (Karbon!).
Die Wettererscheinungen spielen sich in der sogenannten Troposphäre ab, die in den Tropen bis 17km, in den Polargebieten aber nur bis 9km reicht. Niederschläge, Wind und Frost spielen die entscheidende Rolle bei der Erosion von Gebirgen.

Durch die unterschiedlichen und im Jahresverlauf variierenden Einstrahlungsverhältnisse bilden sich Klimazonen heraus. Es entstehen gürtelförmig Gebiete mit hohem resp. niedrigem Bodenluftdruck. Sie führen zu einem System regelmäßig wehender Winde, der "globalen Zirkulation" der Luft. Diese sorgt für den Ausgleich der Energiebilanzen. Auf der Nordhalbkugel  werden aus Nordwinden durch die Erdrotation Nordostwinde, auf der Südhalbkugel werden aus Südwinden Südostwinde.  Die Luft strömt in der Höhe zurück.

Um ein lokales Hochdruckgebiete wehen auf der Nordhalbkugel die Winde im Uhrzeigersinne, um Tiefdruckgebiete ("Zyklone")  gegen den Uhrzeigersinn. Auf der Südhalbkugel ist es entsprechend andersherum.

...

Klimazonen und Globale Zirkulation
(links: Wikipedia, Creative Commons Attribution –Share Alike 3.0 Unported license; Autor:LordToran;
rechts NASA, Public domain)

Die Gestalt der Landmassen und der Lage zum Meer hin führt zu Unterschieden im Klima. Meeresnähe wirkt ausgleichend zwischen Sommer und Winter, im Inneren eines Kontinents dagegen gibt es große jahreszeitliche Temperaturunterschiede. Landmassen, die sich im Inneren im Sommer kräftig aufheizen und ein "Monsuntief" bilden, führen zu einem regenreichen "Sommermonsun" von Richtung Meer zum Land; im Winter kehrt sich die Situation um. Monsun- und Passatwinde überlagern sich.

In großen Wirbelstürmen (Hurrikane, Tropische Zyklone, Taifune...) und lokalen Tornados können Windgeschwindigkeiten über 300 km/h ereicht werden.

Die Strahlkraft der Sonne hat in den vergangenen 4,5 Milliarden zugenommen, es werden 30-40% genannt. Dennoch waren die Temperaturen auf der Erde (nach der ersten sehr heißen Phase) konstanter als zu erwarten ("Rätsel der schwachen Sonne"). Sie haben sogar im großen Mittel etwas abgenommen, schwanken aber zwischen warmen und kalten Phasen. Seit etwa 50 Millionen Jahren zeigt sich ein Trend zu – im Mittel! – kühleren Temperaturen.

In warmen Zeiten der Erdgeschichte verschoben sich die Klimazonen zu den Polen hin, in Kaltzeiten (Eiszeiten!) zum Äquator hin. Drifteten Kontinente in Nordsüd-Richtung, so durchwanderten sie verschiedene Klimazonen.  Warmzeiten werden auf ungewöhnlich starken Vulkanismus zurückgeführt, der viel Treibhausgas CO2 in die Atmosphäre entließ. Andererseits brachte der Einschlag eines Meteoriten von 10-14 km Durchmesser vor Yukatan (Chicxulub-Krater ) vor 65 Millionen Jahren so viel Staub in der Atmosphäre, dass das Klima über mehrere hundert Jahre abkühlte mit der Folge, dass die Saurier ausstarben – mit Ausnahme der Vögel. Ähnliches kann man für das große Artensterben am Ende des Perm und andere kleinere Massensterben nur spekulieren, es gibt auch andere Hypothesen.

Mit der Anordnung der Kontinente änderten sich die großen Meeresströmungen und damit das Klima. Als sich vor 55 Millionen Jahren Indien und Australien von der Antarktis gelöst hatten, wurde die heutige circumpolare Meeresströmung um die Antarktis möglich, die Zufuhr warmen Wassers aus dem Norden wurde versperrt, die Antarktis begann zu vereisen, das Erdklima wurde kälter. Als vor 4 Millionen Jahren sich die Lücke zwischen Nord- und Südamerika schloss, änderten sich die Strömungsverhältnisse drastisch und trugen zum Einsetzen der Eiszeiten bei. Die Entstehung von Eiszeiten ist aber nicht völlig geklärt.

Man glaubt,  Eiszeiten mit großräumiger Vergletscherung der Erdoberfläche zuerst für die Zeit vor 850 – 600 Millionen Jahren, später unzweifelhaft für die Zeit vor 450 Millionen und vor 300 Millionen Jahren nachweisen zu können. Umstritten ist die "Schneeball Erde"-These, nach der die Erde vor etwa 750 bis 600 Millionen Jahren ganz mit Eis überzogen war.

Temperaturverlauf an zwei Punkten der Antarktis, Eisvolumen
(nach Wikipedia, Autor Robert A. Rohde, GNU License)

Nachdem vor 30 Millionen Jahren die Antarktis vergletscherte, begann vor 2,7 Millionen Jahren auch die Vereisung der Arktis. Etwa alle 100 000 Jahre wechselten Kalt- und Warmzeiten ab. Seit 11 000 Jahren befindet sich die Erde in einer Warmzeit (Zwischeneiszeit).

In Eiszeiten wird eine große Menge Wasser in Form von Eis gespeichert, es wird dem Meer entzogen. Am Höhepunkt  der letzten Eiszeit, welche unsere Landschaft im Norden so stark geprägt hat, vor rund 18 000 Jahren, lag der Meeresspiegel um 120 m tiefer als heute. Die großen Eismassen hatten das Land darunter in die Lithosphäre gedrückt. Von der Last befreit, hebt sich Skandinavien heute noch um 10 – 11 mm Pro Jahr.
 

Das Erdmagnetfeld

Die Entstehung des Erdmagnetfeldes wird kompliziert erklärt mit im flüssigen Erdkern umlaufenden elektrischen Strömen. Es tritt nahe dem geografischen Südpol aus der Erdkugel aus und nahe dem geografischen Nordpol wieder ein. Physikalisch gesehen liegt also neben dem geografischen Nordpol der magnetische Südpol. Der magnetische Pol wandert beständig, so dass die notwendige Korrektur des Kompasskurses auf rechtweisend Nord sich von Jahr zu Jahr ändert. Im letzten Jahrhundert ist er von Alaska fast in Richtung zum geografischen Pol gewandert. Etwa alle 250 000 Jahre kehrt sich das Magnetfeld um; der Nord- wird zum Südpol. Die von einem ozeanischen Rücken nach beiden Seiten abströmende ozeanische Kruste ist daher abwechselnd in symmetrischen Streifen magnetisiert.

In größerer Entfernung von der Erde wird das Magnetfeld durch den Sonnenwind – elektrisch geladene Teilchen von der Sonne mit 300 – 800 km/sec – an der Vorderseite zusammengestaucht, an der Rückseite auseinander gezogen .
 
 

Polarlicht (Eigene Zeichnung an Bord MS Fram)

Das Magnetfeld lenkt die eintreffenden Sonnenwindteilchen zu den magnetischen Polen. In der Atmosphäre treffen die Teilchen auf Sauerstoff –  und Stickstoffionen auf und rufen die  als Polarlichter bekannten Leuchterscheinungen hervor.

Der Erdmond


Erde und Mond maßstäblich.
Die Entfernung müsste  30,1 Erddurchmesser sein:

Heute geht man davon aus, dass der Mond zeitgleich mit der Erde entstand. Die derzeit bevorzugte Theorie besagt, dass ein kleinerer Protoplanet seitlich mit dem Protoplaneten  Erde kollidierte; die abgesprengten Trümmer sammelten sich zum Mond.
 

Der Mond ist von allen Planetenbegleitern des Sonnensystems der größte.  Er ist ein von Meteoriteneinschlägen gezeichneter, heute geologisch toter Körper. Er besitzt keinen Eisenkern, daher ist seine Dichte geringer als die der Erde.

Durchmesser                                 3476 km
Dichte                                            3,34 g/m³
Masse                                           7,35 x 1022 kg   = 1,23 % der Erdmasse

Der Mond ist der Hauptverursacher von Ebbe und Flut und nimmt damit großen Einfluss auf die Uferregionen der Kontinente. Während der Tidenhub auf offenem Ozean nur  0,5 – 1m erreicht, kann er lokal  mehrere Meter betragen (Am La-Rance-Kraftwerk 8m;    im  Bristolkanal  bis 12 m; in der Bay of Fundy , Kanada, 15m). Lokal können sehr starke Strömungen die Folge sein.

Durch die Reibung der bewegten Wassermassen geht Rotationsenergie verloren - die Erdumdrehung wird abgebremst. Daher werden die Tage länger. Vor 400 Millionen Jahren soll der Tag nur 21,9 Stunden gehabt haben. Während die Erde langsamer rotiert, entfernt sich der Mond zunehmend von der Erde (Erhalt des Drehimpulses), derzeit mit 4cm pro Jahr.
 
 
 

Literatur

Neben zahlreiche Artikeln aus Wikipedia wurden verendet:

Nicht mehr auf dem neusten Stand, aber immer noch informativ
David Dinley: Earth's Voyage Trough Time
Paladin 1975

Gute Übersicht über das gesamte Thema – zum Einstieg empfohlen.
Zur Zeit nur auf Englisch verfügbar
J.D. Macdougall: A Short History of Planet Earth
John Wiley & Sons 1996    ISBN 0-471-19703-3

Detailliert und wissenschaftlich,  zahlreiche Grafiken
Rolf Meissner : Geschichte der Erde
Verlag C.H. Beck 1999/2004     ISBN978 3 406 43310 8
 

Sehr reich mit Zeichnungen und Farbfotos illustriert, Geologie Deutschlands angesprochen, Akzent auf der Evolution des Lebens
Peter Rothe: Geschichte der Erde
Primus-Verlag 2010        ISBN 978-3-89678-825-2
 
 
 
 
 
 

Stellung in der Welt
In Raum und Zeit
Die Evolution
Aberglaube, Religion
Das Gehirn versagt

Zurück zu Willkommen