Grundlagen der Geothermie und Erdbebendynamik

Binnenmarkt für Energie

Energiequellen der Erde

Auf der Erde treffen zwei Energiebereiche aufeinander: das Magnetfeld und das Schwerefeld. Die Erde erhält Solarenergie und setzt von innen Wärme sowie mechanische Energie frei. Es gibt zwei Hauptquellen für die Wärme der Erde:

• Radioaktiver Zerfall: Die Wärme, die durch den Zerfall radioaktiver Mineralien freigesetzt wird.
• Ursprungswärme: Diese unterteilt sich wiederum in zwei Quellen:
  • Die Aufprallenergie der Akkretion während der Planetenentstehung, die aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit im Inneren gespeichert wurde.
  • Die Energie der katastrophalen Kernbildung.

Geothermische Konzepte

• Geothermischer Gradient: Der Temperaturanstieg von 1 °C pro 33 Metern Tiefe.
• Geothermische Tiefenstufe: Die Anzahl der Meter, die man absteigen muss, damit die Temperatur um 1 °C steigt.

Vulkanismus

Der Ursprung der vulkanischen Wärme ist zweigeteilt:

• Tiefenursprung: Weltweit einheitlicher Wert.
• Krustenursprung: Variiert je nach Gehalt an radioaktiven Elementen. Dies beeinflusst die Dynamik der Lithosphärenplatten maßgeblich.

Vulkanisches Material kann sein:

• Gasförmig
• Flüssig: Lavaströme und Lava
• Fest: Asche etc.

Elastische Energie von Erdbeben

Es gibt drei Arten von Verformungen: elastisch, plastisch und spröde. Nach der Theorie des elastischen Rückpralls können Gesteine elastische Verformungen aufnehmen, bis die Materialfestigkeit überschritten wird. Der Bruch setzt die gespeicherte Energie schlagartig frei. Nicht die gesamte Energie wird als seismische Welle freigesetzt; ein Teil wandelt sich durch Reibung in Wärme um.

Erdbeben entstehen durch drei Arten von Spannungen in der Lithosphäre:

• Horizontaler Druck: Verursacht Aufschiebungen.
• Horizontale Zugspannung: Erzeugt Abschiebungen.
• Horizontale Scherspannung: Erzeugt Blattverschiebungen.

Wärmefluss

Der Wärmefluss ist die Menge der Wärmeleitungsenergie, die aus dem Inneren des Planeten die Erdoberfläche erreicht. Da Gesteine schlechte Wärmeleiter sind, erfolgt der Transport über lange Zeiträume. Die Formel lautet: Q = K • dT / dz.

Konvektion

Da Gesteine schlechte Wärmeleiter sind, ist die Leitung nicht der einzige Mechanismus. Ein weiterer Prozess ist die Konvektion: Eine Flüssigkeit dehnt sich beim Erhitzen aus, verliert an Dichte, steigt auf, kühlt ab und sinkt wieder ab. Konvektionsbewegungen finden in der Atmosphäre, der Hydrosphäre und im Erdinneren statt.

Modelle der Konvektion

• Einschicht-System
• Zweischicht-System: Trennung zwischen oberem und unterem Erdmantel.
• Hybrid-Modell: Ein Modell, das beide Ebenen kombiniert. Der aufsteigende Ast aus dem unteren Mantel erzeugt schmale, heiße Materialströme (Plumes).

Diese Hot Spots führen zur Entstehung von Vulkanen, die nicht direkt an die Plattentektonik gebunden sind. Bewegt sich die Platte über einen stationären Hot Spot, entstehen Vulkanketten (z. B. Inselketten im Meer).