Grundlagen der Geologie und Atmosphärenwissenschaften

Aufbau der Erde und die Lithosphäre

Die Erdkruste nimmt volumenmäßig 0,6 % und massenmäßig 0,4 % der gesamten Erde ein. Die Kruste ist im Vergleich zum Erdradius sehr dünn; unter den Ozeanen ist sie im Durchschnitt etwa 7 km dick und nimmt unter den Kontinenten auf 35–40 km zu. Unter der Kruste befinden sich nacheinander der äußere Mantel, der flüssige äußere Kern und der innere Kern im Zentrum des Planeten, welcher wahrscheinlich fest ist. Diese Schichten repräsentieren unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, aber es gibt auch eine Klassifizierung auf der Grundlage des physikalischen Verhaltens. Diese erkennt die Existenz der Lithosphäre an, der äußeren, starren Schicht der Erde, die aus tektonischen Platten zusammengesetzt ist und die ersten 75 bis 100 km Tiefe umfasst. Diese Platten schwimmen auf einem teilweise geschmolzenen Teil des Erdmantels, der Asthenosphäre, die ca. 200 km dick ist. Das Magma in diesem Bereich kann bei einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt fließen, wenn auch langsam. Dies impliziert, dass sich die Lithosphärenplatten (tektonische Platten) verschieben können.

Die Theorie der Kontinentalverschiebung

Bis vor etwa 35 Jahren glaubten Geologen, dass die Kruste unbeweglich sei und dass die Kontinente bereits in der frühen Geschichte des Planeten geformt wurden. Heute wissen wir dank der Theorie der Kontinentalverschiebung, die 1912 durch den deutschen Meteorologen Alfred Wegener vorgeschlagen (aber erst sehr spät anerkannt) wurde, dass sich Kontinente bewegen und dass die bestehende marine Kruste erst in den letzten 200 Millionen Jahren gebildet wurde. Dies stellte in den späten 60er Jahren eine echte geistige Revolution im geologischen Denken dar.

Geologische Prozesse und Bodenbildung

Konstruktive und destruktive Kräfte

Prozesse, welche die Oberfläche verändern, können in konstruktive und destruktive unterteilt werden. Das Klima, Erosion und Erdrutsche degradieren die Landschaft; sie tendieren dazu, das Relief zu ebnen, indem sie Stoffe in Höhenlagen entziehen und in tieferen Bereichen ablagern. Verwitterung bezieht sich auf die Auflösung und Zersetzung der Gesteine an der Oberfläche der Erde durch physikalische, chemische und biologische Prozesse. Erosion ist der Transport des zerlegten Materials durch ein mobiles Agens: Wasser, Wind oder Eis. Massenbewegung ist der Transfer von Material die Hügel hinunter durch die Schwerkraft.

Entstehung des Bodens

Die wichtigsten Determinanten der Verwitterungsraten sind klimatische Faktoren, insbesondere die Temperaturregelungen und die Luftfeuchtigkeit. Die erzeugten Mineralfragmente bilden zusammen mit Wasser, Luft und organischer Substanz oder Humus (verwesende Überreste von Pflanzen und Tieren) den Boden, der pflanzliches Leben und damit alle weiteren Prozesse ermöglicht. Die konstruktiven Prozesse, die Relief schaffen und den vorgenannten Kräften entgegenwirken, sind der Vulkanismus und die Gebirgsbildung (Orogenese), die von der internen Wärme der Erde abhängen. Diese werden durch die Plattentektonik erklärt, das akzeptierte Modell der inneren Abläufe der Erde, das aus der von Alfred Wegener im Jahr 1912 vorgeschlagenen Theorie der Kontinentalverschiebung hervorging.

Minerale und der Gesteinszyklus

Definition von Mineralen und Gesteinen

Ein Mineral ist ein natürlich vorkommender anorganischer Stoff mit einer definierten internen Struktur und einer spezifischen chemischen Zusammensetzung. Ein Gestein ist ein Aggregat aus einem oder mehreren Mineralien. Das Konzept des Gesteinszyklus hilft dabei, die Prozesse der Entstehung der drei grundlegenden Arten von Gesteinen zu verstehen und wie sich Gesteine von einer Art in eine andere verwandeln. Es wurde im späten 18. Jahrhundert von James Hutton vorgeschlagen und stellt das Grundgerüst der geologischen Wissenschaft dar.

Die drei Gesteinsarten

• Magmatische Gesteine: Sie entstehen durch Kristallisieren, das heißt durch Abkühlen und Erstarren von Magma. Dies kann unter der Oberfläche geschehen (Plutonite oder intrusive magmatische Gesteine) oder darauf, wenn Lava erstarrt (Vulkanite oder extrusive magmatische Gesteine). Man geht davon aus, dass die ursprüngliche Kruste des Planeten ausschließlich aus magmatischen Gesteinen bestand.
• Sedimentgesteine: Wenn Gesteine an der Oberfläche durch tektonische Prozesse freigelegt werden, leiden sie unter Verwitterung. Die Materialien werden abtransportiert und durch Erosion (Schwerkraft, Wasser, Gletscher, Wind, Wellen) abgelagert. Diese Teilchen bilden Sedimente, die sich verfestigen (Lithifizierung), indem sie durch Druck verdichtet oder zementiert werden.
• Metamorphe Gesteine: Wenn Gesteine hohen Temperaturen und hohem Druck ausgesetzt werden, können sie sich in metamorphe Gesteine umwandeln. Bei noch höheren Werten schmelzen sie zu Magma, das schließlich wieder zu magmatischem Gestein erstarrt und den Zyklus schließt.

Dieser Zyklus verläuft nicht immer vollständig; es gibt Abkürzungen. Zum Beispiel können magmatische Gesteine direkt eine Metamorphose durchlaufen oder jede Gesteinsart kann erneut der Verwitterung ausgesetzt werden und Sedimente bilden.

Prinzipien der Geologie und Klimatologie

Uniformitarismus

Ein grundlegendes Konzept in der modernen Geologie ist der Uniformitarismus. Er besagt, dass die Gesetze der Physik, Chemie und Biologie, die heute operieren, auch in der Vergangenheit gültig waren. Das heißt, die Kräfte und Prozesse, die die Welt gestalten, die wir heute beobachten, sind schon seit langer Zeit wirksam. „Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit.“ Historisch entstand dies als Reaktion auf katastrophistische Modelle.

Wetter und Klima

Wenn wir aktuell verschiedene atmosphärische Variablen wie Temperatur, Niederschlag, Bewölkung, Luftfeuchtigkeit, Wind und Druck an einem bestimmten Ort betrachten, sprechen wir vom Wetter. Wenn man das Wetter über einen ausreichend langen Zeitraum (mehrere Jahrzehnte) beobachtet, kann man den Mittelwert, die Variabilität und saisonale Muster beschreiben. Wir sprechen dann vom Klima eines Ortes. Das Klima bestimmt die Verfügbarkeit von Wasser und die Temperatur, welche die wichtigsten Faktoren bei der Bodenbildung sind. Ein bestimmtes Klima kann, basierend auf der Geologie, die Art der Vegetation bestimmen, welche wiederum die Zyklen von Wasser und Nährstoffen sowie die Photosyntheseraten beeinflusst.

Skalen des Klimas

• Global: Die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre.
• Regional (kontinental): Wirkung von Bergketten und großen Gewässern, die globale Muster verändern.
• Lokal (Meso- und Mikroebene): Täler, Hangorientierung oder Vegetation, welche die regionalen Muster beeinflussen.

Atmosphärische und ozeanische Zirkulation

Äquatoriale und tropische Regionen erhalten aufgrund des Einstrahlungswinkels mehr Energie als gemäßigte oder polare Zonen. Um das Gleichgewicht zu halten, muss ein Wärmestrom vom Äquator zu den Polen stattfinden. Diese Umverteilung der Wärme über den Globus wird als allgemeine atmosphärische Zirkulation bezeichnet. Dieses Muster von Wind und Druck wird durch die Breite sowie die Verteilung von Ozeanen und Kontinenten bestimmt. Der Energiefluss tritt hauptsächlich in Form von Wasserdampfverkehr (latenter Wärmestrom) auf. Wenn der Dampf in hohen Breiten kondensiert, wird die Wärme freigesetzt, die bei der Verdunstung absorbiert wurde.

Coriolis-Effekt und Druckzentren

Aufgrund der Erdrotation haben Winde eine Ost-West-Komponente. Der Coriolis-Effekt bewirkt, dass sich jedes frei bewegliche Objekt scheinbar ablenkt (auf der Südhalbkugel nach links). Das Ergebnis ist ein Muster aus Zirkulationszellen, die jeweils ca. 30° Breitengrad abdecken. Wegen der ungleichen Verteilung von Land und Meer entstehen keine kontinuierlichen Bänder, sondern semi-permanente Hoch- und Tiefdruckgebiete (Aktionszentren). Hochdruckgebiete sind Antizyklonen. Diese definieren Druckbereiche, die sich saisonal mit dem thermischen Äquator verschieben.

Fronten und Meeresströmungen

Kurzfristige Störungen entstehen durch Fronten, die mit dem Durchzug von Zyklonen (außertropischen Tiefdruckgebieten) assoziiert sind. Diese entstehen an Diskontinuitäten zwischen Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften, normalerweise um 60° Breite (Polarfront). Die atmosphärische Zirkulation bestimmt auch die ozeanischen Zirkulationsmuster. Meeresströmungen sind ebenfalls ein Mechanismus zur Umverteilung von Energie, jedoch in Form von fühlbarer Wärme. Die Atmosphäre ist für etwa 85 % des Energieaustauschs verantwortlich, Meeresströmungen für den Rest. Das Klima ist entscheidend für das Entstehen verschiedener Biome: große regionale Ökosysteme mit ähnlichen Pflanzengesellschaften. In den Bergen verursachen Temperaturänderungen mit der Höhe eine Zonierung, die der Breitengrad-Zonierung über viel kürzere Distanzen ähnelt.