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Prof. Dr. Ulrich Hansen
Corrensstraße 24 48149 Münster
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Die Erde in Bewegung

Aussehen und Magnetfeld der Erde

werden von Konvektionsströmungen geprägt

Gifanim

Ulrich Hansen & Jörg Schmalzl

Einleitung
Der Aufbau der Erde
Die dynamische Erde
Die Instrumenste der Geodynamik: Wissenschaftliches Rechnen und Computermodellierung
Die Mantelkonvektion als Antrieb der Plattentektonik
Die Entstehung des Erdmagnetfeldes
Ausblicke

 

Die dynamische Erde

 Das geschilderte statische Schalenmodell der Erde ist mit vielen geophysikalischen Beobachtungen verträglich. Erschüttert wurde dieses Modell allerdings in den sechziger Jahren, als sich immer deutlicher abzeichnete, dass sich die Erde ständig großräumig verändert. Aufgrund zunächst indirekter Hinweise kam man zu dem Schluss, dass die Lithosphäre in Platten zersplittert ist, die sich gegeneinander bewegen.
 Plattengrenzen
 Abb. 2 : Die äußere Haut der Erde, die etwa 100 km dicke Lithosphäre, ist in Platten zersplittert. Hier sind die Plattengrenzen durch schwarze Linien dargestellt. Eine Grenze verläuft zum Beispiel im Atlantik, der so genannte mittelatlantische Rücken, ein riesiges untermeeriges Gebirge, an dem ständig neue Erdkruste gebildet wird.


Mithilfe von Satelliten kann man heute diese Bewegungen direkt messen. So weiß man, dass sich die Platten mit Geschwindigkeiten von einigen cm pro Jahr bewegen. An den Begrenzungsflächen der Platten kommt es zum Aufbau von Spannungen, die sich häufig in starken Erdbeben lösen. Die bekannten Erdbebengürtel der Erde sind dabei praktisch identisch mit den Plattengrenzen. Vereinfacht dargestellt stellt sich das Phänomen der Plattentektonik wie folgt dar: An ozeanischen Rücken, mächtigen untermeerischen Gebirgen, gelangt ständig heißes Material aus dem Erdmantel an die Oberfläche. Von diesen Spreizungszonen aus driften die Platten weg, kühlen dabei aus und sinken schließlich, wenn sie durch Abkühlung hinreichend dicht geworden sind an so genannten Subduktionszonen wieder in den Erdmantel ein. So entsteht ein Kreislauf, in dem ständig neues Plattenmaterial gebildet, und altes vernichtet wird. Einige der Lithosphärenplatten tragen Kontinente, andere bestehen nur aus ozeanischem Material. Die Kontinente spielen dabei eine Sonderrolle. In ihnen hat sich während der Differenzierungsphase der Erde besonders leichtes Material angesammelt, so dass Kontinente nicht wieder in den Erdmantel abtauchen. Daher findet man auf Kontinenten Gestein, dass fast so alt ist wie die Erde selber (ca. 4.5 Milliarden Jahre), während Ozeanboden bei einem Alter von ca. 100 Millionen Jahren wieder ins Erdinnere abtaucht und ältere ozeanische Proben daher nicht gefunden werden. Entsprechend der passiven Rolle, die die Kontinente für die Dynamik der Erde spielen, vermeidet man heute den Terminus Kontinentalverschiebung und verwendet statt dessen den Ausdruck Plattentektonik.

Im selben Zeitraum, in dem die sich Vorstellung der Plattentektonik entwickelte, mehrten sich die Anzeichen, dass auch das Erdmagnetfeld nicht nur stetige, sondern auch abrupte Änderungen aufwies. Zur Untersuchung der zeitlichen Geschichte des Erdmagnetfelds machte man sich einen physikalischen Effekt zunutze . Kühlt erhitztes Gestein ab, so nimmt es beim Erreichen einer bestimmten Temperatur (der Curie-Temperatur) das Magnetfeld der Umgebung an und konserviert es. Das Magnetfeld vergangener Zeiten ist sozusagen in vielen Gesteinen eingefroren. Zunächst fand man an mehreren Stellen der Erde Gesteine mit einer Polarität, die gegensätzlich zur Richtung des heutigen Erdmagnetfeldes ist. Man zögerte lange ehe man die Vorstellung aufgriff, dass es eine Phase in der Erdgeschichte gegeben hat, in der die magnetischen Pole vertauscht gewesen sein müssen. Wenn es tatsächlich zu Umpolungen (sog. Reversals) gekommen war, so müssten sie im Gestein an ozeanischen Rücken sichtbar werden. Hier steigt das heiße Material auf und sollte beim Erreichen der Curie-Temperatur das momentane Magnetfeld konservieren. Systematische Untersuchungen an mittelozeanischen Rücken ergaben den deutlichen Beweis.

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Abb. 3: Schematische Darstellung des Meeresbodenwachstums und der damit verbundenen Ausbildung der paläomagnetischen Streifenmuster. Das an den ozeanischen Rücken aufsteigende Material konserviert bei Abkühlung das momentan vorherrschende Magnetfeld (zone of magnetization). Mit anwachsendem Abstand vom Rücken findet man abwechselnd Zonen mit normaler (d.h. heutiger) Polarität (grau) und Zonen mit umgekehrter Polarität (schwarz).


Mit wachsenden Abstand vor der Rückenachse fanden sich Streifen unterschiedlicher Polarität im Gestein. Offensichtlich gab es nicht nur eine Periode umgekehrter Polarität in der Erdgeschichte sondern hatte sich das Erdmagnetfeld viele hundert Male umgekehrt. Heute weiß man, dass die letzte Feldumkehr etwa 780.000 Jahre zurückliegt und es gibt einige Hinweise darauf, dass wir uns einer neuen Feldumkehr nähern. Messungen während der letzten 150 Jahre weisen auf eine stete Abnahme der Magnetfeldstärke hin und Untersuchungen an magnetisierten Partikeln in römischer Keramik lassen darauf schließen, dass das Erdmagnetfeld vor 2000 Jahren erheblich stärker als heute war.

Konvektionsströme im Erdinneren stellen nach heutiger Ansicht den Mechanismus dar, der die Dynamik des Erdinneren bestimmt. Solche Konvektionsströme sind als wichtiger Transportmechanismus in der Atmosphäre und in den Ozeanen bekannt und wurden schon seit geraumer Zeit untersucht. Das Prinzip ist einfach und lässt sich an einem Wassertank erklären, der von unten beheizt wird. Bei ausreichender Heizung steigen warme Flüssigkeitspakete empor, kühlen an der Oberfläche ab, um dann wieder abzusinken. Ganz ähnlich funktioniert in der Erdatmosphäre die so genannte. Headley Zirkulation, bei der warme Luft über dem Äquator aufsteigt, sich auf dem Weg zu den Polen abkühlt und schließlich wieder absinkt. Wir wissen heute, dass diese Zirkulation von großer Bedeutung für die Dynamik der Erdatmosphäre ist. Wie weiter unten ausgeführt stellen Konvektionsströme im Erdmantel den einzigen plausiblen Antriebsmechanismus der Plattentektonik dar und als Entstehungsmechanismus für das Erdmagnetfeld kommen nach heutigen Wissensstand nur Konvektionsströmungen im äußeren Erdkern in Frage. So erklärt sich das große Interesse geodynamischer Forschung an dem Prozess der Konvektion. Doch obgleich dieser Mechanismus von großer Bedeutung für viele natürliche Phänomene, aber auch für viele technische Anwendungen ist, und obwohl der Konvektionsprozess seit Anfang des Jahrhunderts untersucht wurde, sind viele Eigenschaften diese Prozesses bis heute unbekannt. Die mathematischen Gleichungen, die das Phänomen der Konvektion beschreiben, sind nichtlinear und können unter den meisten Umständen nicht einfach mit analytischen Methoden gelöst werden. Die Konvektion entzieht sich so einer rigorosen theoretischen Untersuchung. Laborexperimente an verschiedenen Flüssigkeiten haben unterschiedliche Aspekte aufgedeckt, jedoch kein eindeutiges Bild geliefert. So weiß man unter vielen Umständen nicht welches Strömungsmuster sich in einem von unten beheizten, mit Flüssigkeit gefüllten Tank entwickelt oder wie groß die Effektivität des Wärmetransports dieser Strömung sein wird. Gerade in neuerer Zeit sind nichtlineare Phänomene in den Mittelpunkt theoretischer und angewandter physikalischer Forschung gerückt. Insbesondere das plötzliche Entstehen von chaotischem Verhalten der Systeme fasziniert die Forscher. Auch hier dient der Prozess der Konvektion als Paradebeispiel für ein nichtlineares System, in dem derartige Phänomene auftauchen. Die Erforschung des Konvektion im Erdinnern stellt sich als besonders schwieriges Unterfangen dar, ist es doch weitestgehend unmöglich, die Verhältnisse im Inneren unseres Planeten im Labor nachzustellen. Über die Untersuchungsmethoden der Geodynamik möchte ich im folgenden berichten.



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