Ursprung, Aufbau und Erforschung der Erde

1. Ursprung und Aufbau der Erde

Die Planetesimal-Theorie

1. Solare Nebel: Vor etwa 4600 Millionen Jahren begann sich eine rotierende Wolke aus Staub und Gas, deren Ausmaße das heutige Sonnensystem übertrafen, zusammenzuziehen.

2. Gravitationskollaps: Durch die Kontraktion bildete sich eine zentrale Masse, umgeben von einer rotierenden Scheibe.

3. Bildung der Protosonne: Die Kollision von Teilchen in der zentralen Masse setzte enorme Energie frei. Die einsetzende Kernfusion von Wasserstoff markierte die Geburt der Protosonne im Nebel.

4. Bildung von Planetesimalen: In der rotierenden Scheibe um die Protosonne gruppierten sich Staub und Gas. Zunächst entstanden millimetergroße Granula, aus denen durch Kollisionen und Verschmelzungen größere Körper, die Planetesimalen, mit Größen von mehreren hundert Metern bis Kilometern hervorgingen.

5. Bildung von Protoplaneten: Durch die Kollision und Vereinigung (Akkretion) von Planetesimalen entstanden die ursprünglichen Protoplaneten.

Entstehung der Erde

Nach der Planetesimal-Theorie verlief die Bildung der Erde in folgenden Schritten:

• Bildung von Protoplaneten: Innerhalb der Nebelscheibe führte die Akkretion von Planetesimalen zum ursprünglichen Erdkörper. Mit zunehmender Größe stieg das Gravitationsfeld, was die weitere Akkretion begünstigte. In diesem Stadium stieg die Temperatur der Erde durch die Einschläge der Planetesimalen stark an.
• Differenzierung nach Dichte: Die Ur-Erde war heiß genug, um teilweise zu schmelzen. Dies ermöglichte eine Verteilung der Komponenten nach ihrer Dichte. Eisen sank in tiefere Bereiche und bildete den Kern – ein Prozess, der als Eisen-Katastrophe bekannt ist. Gleichzeitig trat die Entgasung des Planeten ein, bei der interne Gase entwichen und die Atmosphäre bildeten.
• Abkühlung und Bildung der Ozeane: Als das Bombardement durch Planetesimalen nachließ, begann die Erde abzukühlen. Durch die sinkenden Oberflächentemperaturen konnte Wasserdampf kondensieren. Das Wasser sammelte sich in den tiefsten Bereichen und bildete die Ozeane.

Ursprung des Mondes

Die heute am meisten akzeptierte Theorie von William Hartmann und Donald Davis besagt, dass in der Frühzeit der Erde ein Protoplanet (etwa von der Größe des Mars) mit der Erde kollidierte. Die Trümmerwolke aus diesem Aufprall bildete einen Ring um die Erde, aus dessen Material durch Akkretion der Mond entstand.

2. Erforschung des Erdinneren

Um die Zusammensetzung des Erdinneren zu verstehen, werden zwei Methoden angewandt:

• Direkte Methoden: Beobachtung von Materialien, die aus tieferen Bereichen an die Oberfläche gelangen.
• Indirekte Methoden: Rückschlüsse auf das Innere durch Daten wie das Verhalten seismischer Wellen.

Minen und Bohrungen

Minen dienen der Gewinnung von Mineralien, während Bohrungen (z. B. bei der Ölförderung) tief in den Boden reichen. Beide liefern Informationen über die Zunahme der Temperatur mit der Tiefe, den sogenannten geothermischen Gradienten.

Vulkane

Vulkanausbrüche fördern Material aus dem Inneren an die Oberfläche. Oft entsteht Magma durch teilweises Aufschmelzen von Gestein. Manchmal reißt das Magma aus tieferen Bereichen Gesteinsfragmente mit, die nicht geschmolzen sind – sogenannte Einschlüsse (Xenolithe), die wertvolle Informationen über die durchquerten Schichten liefern.

Erdbeben und seismische Wellen

Die seismische Methode basiert auf der Untersuchung von Erdbeben und der Ausbreitung seismischer Wellen.

• Erdbeben (Seismen): Bodenschwingungen, die durch plötzliche Energiefreisetzung bei Gesteinsbrüchen (Verwerfungen/Störungen) entstehen.
• Seismischer Fokus (Hypozentrum): Der Ort im Untergrund, von dem das Erdbeben ausgeht.
• Epizentrum: Der Punkt an der Erdoberfläche, der dem Hypozentrum am nächsten liegt.
• Seismische Wellen: Vibrationen, die sich vom Fokus in alle Richtungen ausbreiten.

Arten seismischer Wellen

• P-Wellen (Primärwellen): Sie bewegen sich am schnellsten und treffen zuerst ein. Es sind Longitudinalwellen, bei denen die Teilchen in Ausbreitungsrichtung schwingen (Kompression und Expansion).
• S-Wellen (Sekundärwellen): Sie sind langsamer als P-Wellen. Es sind Transversalwellen, bei denen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen.
• Oberflächenwellen: Sie entstehen, wenn S-Wellen die Erdoberfläche erreichen.

Registrierung von Erdbeben

Zur Messung von Erdbeben werden Seismographen verwendet, die Aufzeichnungen in Form von Seismogrammen erstellen.

Ausbreitung seismischer Wellen

Die Geschwindigkeit seismischer Wellen hängt von den Materialeigenschaften ab. Jede Geschwindigkeitsänderung führt zu einer Ablenkung der Ausbreitungsrichtung der Welle.