Die Erde - Aufbau

Die Erde ist aus einem großen metallischen Kern und einem diesen umhüllenden dicken Mantel aus schweren und dichten Gesteinen aufgebaut. Dieser Erdmantel ist von einer vergleichsweise dünnen Kruste aus leichteren Gesteinen bedeckt.

Erdkern

Der Erdkern hat einen Durchmesser von ca. 6000 km und besteht zum größten Teil aus einer ca. 6000°C heißen Metallschmelze aus Eisen und Nickel. Aufgrund des im Zentrum der Schmelze herrschenden hohen Drucks (330 GPascal in ca. 5000 km Tiefe) ist das Metall im Zentrum des Erdkerns kristallisiert. Daher ist der Erdkern innerhalb eines Radius von ca. 1200 km fest, während der äußere Bereich des Erdkerns flüssig ist. Infolge der Rotation der Erde um ihre Achse entstehen in der elektrisch leitenden Metallschmelze spiralförmige Strömungen, die einen Dynamoeffekt anregen, durch den das Magnetfeld der Erde erzeugt wird. Die Masse des Erdkerns beträgt ca. 1,9 Trilliarden Tonnen, das ist ein Drittel der Masse der Erde. Er ist heißer als die Oberfläche der Sonne und leuchtet daher heller als diese, aber sein Licht bleibt uns verborgen.

Erdmantel

Um den Erdkern liegt der ca. 3000 Kilometer dicke Erdmantel. Seine Temperatur nimmt mit wachsender Tiefe zu, außen beträgt sie mehrere 100°C, nahe der Grenze zum Kern ca. 3500°C. Im inneren Bereich des Erdmantels ist das Gestein trotz der dort herrschenden hohen Temperaturen nicht geschmolzen, da durch den mit der Tiefe wachsenden Druck (25 GPascal bereits in 700 km Tiefe) die Schmelztemperatur der Minerale des Erdmantels ansteigt und für die meisten Minerale über der in dieser Tiefe herrschenden Temperatur liegt. Dennoch ist das Gestein des Erdmantels nicht fest, sondern verhält sich unterhalb von 600 km Tiefe plastisch. Daher treten im Mantelgestein unterhalb von 600 km Tiefe keine Erdbeben auf. Die Masse des Erdmantels beträgt über 4 Trilliarden Tonnen, das sind 68% der Masse der Erde.

Die chemische Zusammensetzung des Gesteins im oberen Mantel unterscheidet sich von der des Gesteins im unteren Mantel. Die Übergangszone zwischen den beiden Mantelbereichen liegt in ca. 1800 km Tiefe. Die Gesteine des Erdmantels bestehen überwiegend aus magnesium- und eisenreichen Mineralen wie Olivin, Perowskit und Granat. Die Dichte, Zusammensetzung und Kristallstruktur dieser Minerale ist jeweils herrschenden Druck und der Temperatur abhängig. Bei Drücken oberhalb von 120 GPascal kristallisiert Perowskit z. B. in einer Struktur, die für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Im unteren Mantel sind Dichte und Temperatur höher, im oberen Mantel sind Dichte und Temperatur niedriger.

Wärmefluss

Das Material des Erdmantels transportiert Wärme aus dem Erdinneren zur Erdoberfläche. Dieser Transport erfolgt durch sehr langsame, vertikale Konvektionsströmungen im plastischen Mantelgestein (ca. 5cm/Jahr). Mit diesen Strömungen steigt heißeres Material langsam nach oben, kühleres Material sinkt langsam nach unten ab.

Die im Erdinneren vorliegende Wärme stammt zum Teil noch aus der Entstehungszeit der Erde. Damals stürzten über viele Millionen Jahre große Materialmengen mit hohen Geschwindigkeiten auf die Erdoberfläche, wobei deren Bewegungsenergie beim Einschlag in Wärme umgewandelt wurde. Eine weitere wesentliche Wärmequelle bildete der Zerfall kurzlebiger radioaktiver Elemente im Material der jungen Erde. Durch die hohe Wärmeproduktion wurde die Erde soweit aufheizt, dass sie komplett schmolz, worauf sich ihre Bestandteile nach ihrer Dichte differenzierten; schweres Material (Schwermetalle, Eisen, Nickel, Kupfer, Silber, Golf, Uran, …) sank in die Tiefe, leichteres Material (Alkalimetalloxide, Erdalkalimetalloxide, Nichtmetalloxide, …) blieb nahe der der Oberfläche.

Der Anteil des radioaktiven Zerfalls an der Wärmeproduktion im Erdinnern nahm in den 4,6 Milliarden Jahren seit Entstehung der Erde zunehmend ab, da die radioaktiven Elemente mit kurzer Halbwertszeit nach und nach zerfielen. Daher sind heute fast nur noch langlebige radioaktive Isotope vorhanden. Der Zerfall langlebiger radioaktiver Isotope erzeugt auch heute noch ständig Wärme und setzt im Erdinneren eine thermische Leistung von ca. 20 Terawatt frei. Da der Erdmantel nur ein begrenztes Wärmeleitvermögen hat und daher nur eine begrenzte Wärmemenge zur Erdoberfläche abführen kann, während im Erdinneren ständig neue Wärme freigesetzt wird, steigt die Temperatur im Erdinneren an, bis Wärmefreisetzung und Wärmeabtransport einen Gleichgewichtszustand erreichen. Dieser Gleichgewichtszustand stellt sich bei der Kerntemperatur von 6000°C ein.

Erdkruste

Der obere Mantel ist von der Erdkruste bedeckt, die aus 30 km bis 300 km dicken, dicht aneinander grenzenden Platten aus Gesteinen besteht, die leichter sind als das Material des oberen Erdmantels. Die Krustenplatten unter den Ozeanen sind 30 bis 100 km dick und bestehen aus Basalt. Die Krustenplatten der Kontinente sind 100 bis 300 km dick und bestehen aus Granit. Die Krustenplatten liegen auf dem schwereren Material des oberen Erdmantels. Da sich das Material an der Oberseite des oberen Erdmantels, angetrieben von  den Konvektionsströmungen im Erdmantel in horizontaler Richtung bewegt, bewegt es die darauf liegenden Krustenplatten mit. Wo Krustenplatten infolge dieser Bewegung aneinanderstoßen, werden ozeanischen Krustenplatten wegen ihrer größeren Dichte stets unter leichtere Kontinentalplatten gedrückt und schließlich in der Tiefe an der Grenze zum oberen Erdmantel langsam aufgeschmolzen. Wo Krustenplatten durch die Bewegung auseinander treiben, tritt glutflüssiges Basaltmagma an die Oberfläche, erstarrt und bildet neues Plattenmaterial.

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