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Prof. Dr. Ulrich Hansen
Corrensstraße 24 48149 Münster
Tel.: +49 251 83-33590
Fax: +49 251 83-36100

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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 Instrumente der Geodynamik: Wissenschaftliches Rechnen und Computermodellierung
Die Mantelkonvektion als Antrieb der Plattentektonik
Die Entstehung des Erdmagnetfeldes
Ausblicke

Die Mantelkonvektion als Antrieb der Plattentektonik

Mit der Entwicklung der Plattentektonik wurde auch deutlich, dass sich die mächtige Gesteinsschicht, die wir Erdmantel nennen über geologische Zeiträume wie eine sehr zähe Flüssigkeit verhält. Dabei ist der Erdmantel keinesfalls aufgeschmolzen, sondern er verhält sich gegenüber kurzzeitigen Beanspruchungen wie ein fester Körper. So entstehen bei Erdbeben elastische Wellen, die sich durch den Erdkörper fortpflanzen. Ein einfaches Beispiel für das Materialverhalten des Erdmantels liefert eine Wachskerze. Es gelingt, die Kerze mit einer abrupten Beanspruchung durchzubrechen, legt man sie jedoch über eine Tischkante, so wird man beobachten wie sich die Kerze aufgrund der Schwerkraft langsam nach unten biegt. Das Materialverhalten des Erdmantels ist kompliziert. Die Zähigkeit hängt extrem stark von der Temperatur ab. Kaltes Mantelgestein ist um Größenordnungen zäher als heißes Material. Ähnlich, nur weit weniger extrem, verhält sich Honig. Warmer Honig ist viel fließfähiger (also weniger zäh) als kalter. Neben der Temperatur hängt die Fliessfähigkeit des Mantelmaterials von weiteren Parametern ab. Dazu zählen Druck und Wassergehalt des Gesteins. Die Erkenntnis, dass der Erdmantel dynamisch eine Flüssigkeit darstellt, stellte einen entscheidenden Schritt in der geodynamischen Forschung dar. Es war nun möglich, die physikalischen Gesetze, die das Verhalten von Flüssigkeiten beschreiben, auf den Erdmantel anzuwenden. Insbesondere kann man mithilfe einer Untersuchungsmethode, der linearen Stabilitätsanalyse, abschätzen, ob im Erdmantel Konvektionsströmungen existieren. Die Stabilität einer Flüssigkeitsschicht kann anhand der Rayleighzahl bestimmt werden. Die Rayleighzahl ist ein dimensionsloser Parameter und beschreibt das Verhältnis von Konvektionstreibenden (Auftrieb) zu Konvektionshindernden Einflüssen (Wärmeleitung und viskose Reibung). Der kritische Wert der Rayleighzahl, oberhalb dessen Konvektion einsetzt, liegt etwa bei 1000. Bei allen Unsicherheiten über die Verhältnisse im Erdmantel, schätzt man ein Werte der Rayleighzahl von 106 - 108an, der deutlich über dem kritischen Wert liegt. Die Analyse lieferte somit das Ergebnis: Konvektionsströme existieren im Erdmantel. Inzwischen konnten mithilfe der seismischen Tomographie auch direkte Hinweise auf die Existenz der Mantelkonvektion erbracht werden. Ähnlich wie in der Medizin werden dreidimensionale Schnittbilder nicht des menschlichen Körpers sondern des Erdmantels erstellt. Durchleuchtet wird der Erdmantel dabei von Erdbebenwellen. Diese Untersuchungen zeigen deutlich das Vorhandensein kalter Ab- und heißer Aufströme. Allerdings liefen die Untersuchungen nur Schnappschüsse der Entwicklung. Zum Verständnis der Gesamtentwicklung ist ein Verständnis des Prozesses, eben der Mantelkonvektion, notwendig. Die hohen Werte der Rayleighzahl weisen darauf hin, dass die Konvektion nicht nur stattfindet, sondern den Wärmetransport im Erdmantel weitgehend bestimmt. Angetrieben wird die Konvektionsströmung durch Wärme, die im darunter befindlichen Erdkern gespeichert ist, sowie durch Wärme, die beim Zerfall radioaktiver Materialien im Erdmantel frei wird. Vereinfacht ergibt sich folgendes Bild: Die Wärme im Innern der Erde wird durch Konvektionsströme in mechanische Arbeit umgewandelt, und dies stellt letztlich den Antrieb der Plattentektonik dar. Wie aber sehen die Konvektionsströme im Erdmantel aus? Welches Strömungsmuster nehmen sie an und wie viel Wärme können sie transportieren? Mithilfe der linearen Analyse vermag man lediglich abzuschätzen ob Konvektion einsetzt - das Strömungsmuster und die Transporteigenschaften lassen sich nicht vorhersagen. Hier helfen die Computermodelle. Sie erlauben die Berechnung der räumlichen und zeitlichen Entwicklung der Strömung. Die Untersuchungen der letzten Jahre haben dabei ergeben, dass die Mantelkonvektion eine irreguläre Strömung ist, die sich graduell, aber auch spontan (im geologischen Sinne mag dies ungewöhnlich klingen) ändern kann. Heiße, pilzförmige Aufströme entwickeln sich an der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel, durchdringen den Erdmantel und erreichen schließlich die Oberfläche.
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 Abb. 5: Computersimulation der Mantelkonvektion. Dargestellt ist ein Schnappschuss aus der zeitlichen Entwicklung einer Konvektionsströmung in einer extrem zähen Flüssigkeit. Gelbe Flächen deuten heiße, blaue Flächen kühle Bereiche an. Deutlich zu sehen sind die pilzförmigen Aufströme, auch Plumes genannt. Eine Animation im MPEG-Format zeigt das Verhalten deutlich.

MPEG-Animation

 Die Hawaiianischen Inseln mit ihrem hohen Oberflächenwärmefluss werden als Ausdrucke so genannter heißer Mantelplumes angesehen. Die in den Modellen beobachtete Zeitabhängigkeit der Strömung passt gut zu vielen Beobachtungen. So weiß man, dass vor 200 Mio. Jahren alle Kontinente zu einem Superkontinent zusammen geschoben waren, der dann plötzlich wieder aufbrach. Derartige Phänomene können gut durch die zeitliche Abhängigkeit, die dem Prozess der Mantelkonvektion innewohnt, erklärt werden. Viele numerische Modellexperimente sind während der letzten Jahre durchgeführt worden und haben zu einem besseren Verständnis der Mantelkonvektion beigetragen. Allerdings hatten alle bisherigen Modelle einen entscheidenden Schönheitsfehler. An ihrer Oberfläche ergab sich kein plattenartiges Verhalten - stattdessen verhielt sich das Material an der Oberfläche eben auch wie eine Flüssigkeit Nur mit künstlichen Zwangsbedingungen gelang es, plattenartiges Verhalten zu erzeugen. Die Mantelkonvektion galt zwar unbestritten als einzig plausibler Antriebsmechanismus die Plattentektonik, es existierte jedoch kein Experiment (weder numerisch noch im Labor), in dem sich plattenartiges Verhalten als Folge der Konvektion ergab. Hier ist unsere Gruppe im letzten Jahr einen Schritt weitergekommen. Der Schlüssel liegt im Materialverhalten. Wir gehen in unseren Modellen von der realistischen Annahme aus, dass die Zähigkeit des Mantelmaterials extrem stark von der Temperatur abhängt. Unter diesen Umständen bildet sich an der Oberfläche zwar eine feste Platte unterhalb der es heftig konvektiert, allerdings bewegt die Platte sich nicht sondern verhält sich wie ein fester Deckel. Erst die Einführung einer Grenzspannung in das Modell führt dazu, dass verschiedene plattentektonische Phänomene auftreten. Vereinfacht kann man das zugrunde gelegte Materialverhalten so beschreiben: Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit ist die kühle Oberfläche fest. Durch die darunter befindliche Konvektionsströmungen werden Spannungen in der festen Platte aufgebaut. Erreichen diese Spannungen die Grenzspannung, so verhält sich der Teil der Platte wie eine zähe Flüssigkeit. So wird im Model nachgestellt, wie Lithosphärenplatten ihr Materialverhalten plötzlich ändern können, wenn hinreichend hohe Spannungen im Material erzeugt werden. Unter den geschilderten Umständen liefert das Model zahlreiche Phänomene, die auch in der Realität zu beobachten sind. Von heißen Aufströmen bewegen sich Platten auf Abströme zu, an denen sie wieder in das Innere absinken.

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 Abb. 6: In dieser Darstellung nach dem "Volume rendering"-Verfahren zur Darstellung von Eigenschaften der Plattentektonik werden den Temperaturen Farben zugeordnet (blau = kalt und rot = heiß) sowie unterschiedliche Grade von Transparenz. Hier ist eine Situation dargestellt, in der sich Material von dem zickzackförmigen ozeanischen Rücken auf ein kompliziertes Subduktionszonensystem zu bewegt. Die roten Pfeile deuten die Geschwindigkeit an. Deutlich ist das Abtauchen des kalten Materials zu sehen.

MPEG-Animation

Dabei erfahren die Platten nahezu keine interne Deformation. Die typischen Geschwindigkeiten liegen mit einigen cm/Jahr durchaus im realistischen Bereich. Das Modell zeigt, dass es möglich ist, Konvektionsbewegungen im Erdmantel in Plattenbewegung an der Oberfläche umzusetzen. Dennoch zeigt es auch wesentliche Abweichungen von der Realität. Unser Model hat stark episodischen Charakter. Durch Abkühlung entsteht feste Kruste - Subduktion setzt ein, die Platte bewegt sich und wird häufig völlig subduziert. Darauf folgt neues Krustenwachstum und so weiter. Obgleich es als wahrscheinlich gilt, dass es auch auf der Erde plattentektonische Zyklen gegeben hat, wird derzeitig eine so ausgeprägte Episodizität nicht beobachtet. Wir vermuten, dass die Einbeziehung weiterer realistischer Gegebenheiten zu einem Übergang vom episodischen zu mehr stetigen Verhalten führt, bei dem die Produktion neuer Platten und ihre Vernichtung an den Abtauchzonen weitgehend im Gleichgewicht ist.



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