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Physik der Erde

By Joan Bell,2014-06-02 20:45
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Physik der Erde

    Physik der Erde

    SS 2005

    Wilfried Schranz

    Inhaltsverzeichnis

    1. Einführung über den Aufbau der Erde 2. Physikalische Eigenschaften des Erdinneren ; Erdmodelle

    ; Dichte- und Druckverteilung in der Erde 3. Thermische Modelle

    4. Erdmagnetfeld

    5. Wichtige Phasenübergänge im Erdinneren unter

    extremen Bedingungen von Druck und

    Temperatur

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    UNSERE ERDE

    Aus der Sicht, die wir von der Erde haben, erscheint die Erde als groß und robust, mit einem endlosen Ozean aus Atemluft. Aus dem Weltraum betrachtet bekommen Astronauten aber den Eindruck, daß die Erde klein ist und nur eine dünne, zerbrechliche Schicht aus Atmosphäre besitzt. Und für einen Reisenden durch den Weltraum sind die deutlichsten Merkmale die blauen Gewässer, braune und grüne Landmassen und die weißen Wolken vor einem schwarzen Hintergrund. Viele träumen davon, durch den Weltraum zu reisen und die Wunder des Weltalls zu bestaunen. Tatsächlich sind wir alle Weltraumreisende. Unser Raumschiff ist die Erde, die sich mit einer Geschwindigkeit von 108.000 Kilometer in jeder Stunde

    durch den Raum bewegt.

    Die Erde ist der dritte Planet, mit einem Abstand zur Sonne von ungefähr 150

    Millionen Kilometern. Die Erde benötigt 365,256 Tage für eine Reise um die Sonne und 23,9345 Stunden, um sich vollständig um sich selbst zu drehen. Sie hat einen Durchmesser von 12.756 Kilometern, nur ein paar hundert Kilometer mehr als die

    Venus. Unsere Atmosphäre besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff, zu 21 Prozent aus Sauerstoff und zu einem Prozent aus anderen Bestandteilen.

    1Die Erde ist der einzige Planet im Sonnensystem, der Leben beherbergt. Die

    schnelle Erddrehung und der flüssige Kern aus Nickel und Eisen bewirken ein umfassendes Magnetfeld, das, zusammen mit der Atmosphäre, uns vor all den gefährlichen Strahlen schützt, die von der Sonne oder anderen Sternen stammen. Die Erdatmosphäre schützt uns außerdem vor Meteoren, von denen die meisten verbrennen, bevor sie die auf Oberfläche treffen können.

    Aus den Reisen in den Weltraum haben wir viel über unseren Heimatplaneten gelernt. Der erste amerikanische Satellit, Explorer 1, entdeckte eine Zone starker Strahlungen, die wir heute als Van-Allen-Gürtel bezeichnen. Diese Schicht besteht aus sich schnell bewegenden geladenen Teilchen, die vom Erdmagnetfeld in einer ringförmigen Region um den Äquator gefangen gehalten werden. Andere Erkenntnisse aus den Beobachtungen der Satelliten zeigen, daß das Magnetfeld unseres Planeten vom Sonnenwind tropfenförmig verformt wird. Wir wissen heute

    auch, daß die dünne obere Atmosphäre, die man einst für still und ereignislos hielt, vor Aktivitäten wimmelt -- tagsüber anschwellend und nachts stark abnehmend. Abhängig von Veränderungen der Sonnenaktivität wirkt die obere Atmosphäre bei der Entstehung von Wetter und Klima auf der Erde mit.

    Neben den Effekten auf das irdische Wetter bewirkt die Sonnenaktivität auch ein dramatisches sichtbares Phänomen in unserer Atmosphäre. Sobald geladene Teilchen des Sonnenwindes vom Erdmagnetfeld gefangen werden, kollidieren sie über den magnetischen Polen unseres Planeten mit Luftmolekülen. Diese Luftmoleküle beginnen zu leuchten und bilden die Auroren oder Nord- und Südlichter.

     1 stimmt vielleicht so nicht mehr: auf dem Mars wurde Wasser und Methan entdeckt! Es gibt nur wenige Gründe für Entstehung von Methan: Kometen,

    Vulkanismus oder Leben.

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5,976?10+24 Masse (kg)

    1,0000?1000 Masse (Erde = 1)

    6.378,14 Äquatorialer Radius (km)

    1,0000?1000 Äquatorialer Radius (Erde = 1)

    5,515 Durchschnittliche Dichte (g/cm3)

149.600.000 Durchschnittlicher Abstand zur Sonne (km)

    1,0000 Durchschnittlicher Abstand zur Sonne (Erde = 1)

    0,99727 Rotationsdauer (Tage)

    23,9345 Rotationsdauer (Stunden)

    365,256 Umlaufdauer (Tage)

    29,79 Durchschnittliche Umlaufgeschwindigkeit (km/s)

    0,0167 Orbitale Exzentrizität

    23,45 Neigung der Achse (Grad)

    0,000 Orbitale Neigung (Grad)

    11,18 Äquatoriale Fluchtgeschwindigkeit (km/s)

    9,78 Äquatoriale Oberflächengravitation (m/s2)

    0,37 Sichtbare geometrische Albedo

    15? C Durchschnittliche Oberflächentemperatur

    1,013 Atmosphärischer Druck (Bar)

     Atmosphärische Zusammensetzung

    77% Stickstoff

    21% Sauerstoff

    2% Sonstige

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Aufbau der Erde

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    Zusammensetzung der Erde

    Seismische Übergänge helfen bei der Einteilung der Erde in einen Inneren Kern, einen Äußeren Kern, einer D"-Schicht, Unterer Mantel, einer Übergangszone, dem Oberen Mantel und der Kruste (sowohl ozeanische wie auch kontinentale). Laterale Übergänge können ebenfalls unterschieden und in einer seismischen Topographie dargestellt werden, sollen aber hier nicht weiter besprochen werden. ; Innerer Kern: 1,7% der Erdmasse; Tiefe von 5.150-6.370 Kilometer

    Der Innere Kern ist fest und nicht mit dem Mantel verbunden, weil beide vom

    geschmolzenen Äußeren Kern getrennt werden. Man glaubt, er habe sich als

    Resultat des Druckgefrierens verfestigt, wie es bei Flüssigkeiten auftritt,

    sobald die Temperatur fällt oder der Druck steigt.

    ; Äußerer Kern: 30,8% der Erdmasse; Tiefe von 2.890-5.150 Kilometer

    Der äußerer Kern besteht aus einer heißen, elektrisch leitenden Flüssigkeit, in

    der konvektive Bewegungen auftreten. Diese leitende Schicht zusammen mit

    der Erdrotation bewirkt einen Dynamoeffekt, der ein System elektrischer

    Ströme auslöst, die man als Erdmagnetfeld kennt. Sie ist auch für die feinen

    Schwankungen in der Geschwindigkeit der Erdrotation verantwortlich. Diese

    Schicht ist nicht so dicht wie reines geschmolzenes Eisen, was die Gegenwart

    leichterer Elemente anzeigt. Wissenschaftler vermuten, daß diese Schicht zu

    10% aus Schwefel bzw. Sauerstoff besteht, weil diese Elemente reichlich im

    Kosmos vorhanden sind und sich leicht in gescholzenem Eisen lösen. ; D"-Schicht: 3% der Erdmasse; Tiefe von 2.700-2.890 Kilometer

    Diese Schicht ist 200 bis 300 Kilometer stark und stellt etwa 4% der Mantel-

    Kruste-Masse dar. Obwohl sie oft zum Unteren Mantel gezählt wird, weisen

    seismische Übergänge darauf hin, daß sie sich chemisch vom darüber

    liegenden Unteren Mantel unterscheidet. Wissenschaftler vermuten, daß das

    Material entweder aus dem Kern ausflockte oder durch den Mantel absank, 2wegen seiner Dichte aber nicht in den Kern eindringen konnte

    ; Unterer Mantel: 49,2% der Erdmasse; Tiefe von 650-2.890 Kilometer

    Der Untere Mantel umfaßt 72,9% der Mantel-Kruste-Masse und setzt sich

    wahrscheinlich hauptsächlich aus Silizium, Magnesium und Sauerstoff

    zusammen. Wahrscheinlich enthält er auch etwas Eisen, Kalzium und

    Aluminium. Wissenschaftler leiten dies von der Annahme ab, daß sich die

    Erde aus ähnlichen Elementen nach Art und Umfang zusammensetzt wie die

    Sonne und primitive Meteoriten.

    ; Übergangszone: 7,5% der Erdmasse; Tiefe von 400-650 Kilometer

    Die Übergangszone oder Mesosphäre (für Mittlerer Mantel), manchmal auch

    fruchtbare Schicht genannt, umfaßt 11,1% der Mantel-Kruste-Masse und ist

    Ursprung basaltischer Magma. Sie enthält auch Kalzium, Aluminium und

    Granat, das ein komplexes aluminiumhaltiges silikathaltiges Mineral ist. Diese

    Schicht ist wegen des Granats dicht, sobald sie erkaltet. Sie ist sehr lebhaft,

    wenn sie sich erhitzt, weil die Mineralien leicht schmelzen und Basalt bilden,

    der dann als Magma durch die darüber liegenden Schichten aufsteigen kann. ; Oberer Mantel: 10,3% der Erdmasse; Tiefe von 10-400 Kilometer

    Der Obere Mantel umfaßt 15,3% der Mantel-Kruste-Masse. Bruchstücke

    treten an erodierten Bergketten und bei vulkanischen Ausbrüchen zu Tage,

     2 Nach neuesten Untersuchungen besteht die D“ Schicht aus demselben Material wie der Untere Mantel, d.h. hs. aus MgSiO3 und in dieser Schicht soll es

    einen strukturellen Phasenübergang geben, der für die seismischen Anomalien in der D“ Schicht verantwortlich ist (siehe Nature 430, 445 (2004)).

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    um von uns studiert werden zu können. Olivin (Mg,Fe)2SiO4 und Pyroxin

    (Mg,Fe)SiO3 sind die wesentlichen Mineralien, die auf diese Weise gefunden

    wurden. Diese und andere Mineralien sind bei hohen Temperaturen

    hitzebeständig und kristallin; deshalb lagert sich das meiste davon ab und

    bildet entweder neues Krustenmaterial oder verläßt niemals den Mantel. Ein

    Teil des Oberen Mantel mit Namen Asthenosphäre könnte teilweise

    geschmolzen sein.

    ; Ozeanische Kruste: 0,099% der Erdmasse; Tiefe von 0-10 Kilometer

    Die ozeanische Kruste umfaßt 0,147% der Mantel-Kruste-Masse. Der Großteil

    der Erdkruste entstand aus vulkanischer Aktivität. Das ozeanische Gratsystem,

    ein 40.000-Kilometer-Netzwerk, generiert neue ozeanische Kruste mit etwa 17

    km3 pro Jahr und überzieht dabei den Meeresboden mit Basalt. Hawaii und

    Island sind zwei Beispiele für Ansammlungen basaltischer Massen.

    ; Kontinentale Kruste: 0,374% der Erdmasse; Tiefe von 0-50 Kilometer.

    Die Kontinentale Kruste umfaßt 0,554% der Mantel-Kruste-Masse. Sie ist der

    äußere Teil der Erde und setzt sich im wesentlichen aus kristallinem Gestein

    zusammen. Es handelt sich dabei um leichte Mineralien niedriger Dichte, die

    von Quartz (SiO2) und Feldspaten (metallarme Silikate) dominiert werden. Die

    Kruste (sowohl die ozeanische wie die kontinentale) bilden die Oberfläche der

    Erde; als solche sind sie die kühlsten Teile unseres Planeten. Weil sich kühler

    Felsen sehr langsam verformt, bezeichnen wir diese feste äußere Hülle auch

    als Lithosphäre (die felsige oder starke Schicht).

    Herkunft des irdischen Wassers

    Die Herkunft des irdischen Wassers und damit der Ozeane ist bisher noch umstritten. Diskutiert werden drei Möglichkeiten, welche zum Wassergehalt der Erde beigetragen haben könnten:

    ; Ausgasen aus dem Inneren der Erde (vulkanisch)

    ; Einschlag eines oder mehrerer Kometen oder Transneptunische Objekte

    ; Einschlag eines oder mehrerer wasserreicher Asteroiden (Protoplaneten) aus den

    äußeren Bereichen des Asteroidengürtels

    Bereits in den Planetesimalen, welche die Erde bildeten, war vermutlich etwas Wasser vorhanden. Dieses Wasser und andere leicht flüchtige Stoffe wie Kohlenstoffdioxid (CO), Methan (CH) und Stickstoff (N) gasten aus der 242

    grösstenteils aus flüssigem Magma bestehenden Ur-Erde aus und bildeten eine frühe wasserdampfreiche Ur-Atmosphäre. Diese Ur-Atmosphäre wurde nach heutigen Modellvortellungen durch einen Sonnenwind, der zur Zeit der Erdentstehung sehr

    viel heftiger war als heute, mitgerissen und entwich somit von der Erde. Durch Vulkanismus kam es später zur Bildung einer neuen Atmosphäre, die auch aus dem Erdinnern ausgegasten Wasserdampf enthalten haben dürfte. Mit der Bildung einer festen Kruste und der weiteren Abkühlung kam es demnach zur Kondensation von Wasserdampf und zur Bildung von ersten Ozeanen.

    Die große Menge an Wasser, die auf der Erde im Vergleich zu anderen erdähnlichen Planeten vorhanden ist, lässt sich nur schwer allein durch Ausgasen aus dem

    Erdinneren zu erklären. Die Planetesimale aus denen die Erde sich bildete,

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