Erde - Astronomie.

Erde - Astronomie. 1 EINLEITUNG Erde, der dritte Planet und der fünftgrößte der neun größeren Planeten unseres Sonnensystems. Die mittlere Entfernung der Erde von der Sonne beträgt 149 503 000 Kilometer. Sie ist der einzige bekannte Planet, auf dem Leben möglich ist, obwohl auch einige andere Planeten Atmosphären und Wasser aufweisen. Die Erde ist keine vollkommene Kugel, sondern hat die Form eines Ellipsoides. Allerdings zeigen Berechnungen von künstlichen Satelliten, dass die in der Äquatorebene liegende Achse um 21 Kilometer länger ist, als sie bei einem normalen Ellipsoid sein müsste. Der Nordpol wölbt sich zehn Meter nach außen, der Südpol liegt 31 Meter zu tief. Der Erdkörper lässt sich nicht durch einen einfachen geometrischen Körper beschreiben. Man spricht deshalb bei der Erdfigur auch vom Geoid. 2 BEWEGUNG Mit dem gesamten Sonnensystem bewegt sich die Erde mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20,1 Kilometern pro Sekunde oder 72 360 Kilometern pro Stunde durch den Raum auf das Sternbild des Herkules zu. Die Milchstraße als Ganzes bewegt sich mit ungefähr 600 Kilometern pro Sekunde auf das Sternbild Löwe zu. Erde und Mond bewegen sich auf einer elliptischen Bahn um die Sonne. Die Exzentrik der Bahn ist allerdings so gering, dass diese ihrem Wesen nach als Kreis betrachtet werden kann. Der Umfang der Erdbahn beträgt ungefähr 938 900 000 Kilometer, und die Erde bewegt sich auf ihr mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 106 000 Kilometern pro Stunde. Die Erde dreht sich alle 23 Stunden, 56 Minuten und 4,1 Sekunden einmal um ihre Achse. Ein Punkt auf dem Äquator dreht sich daher mit einer Geschwindigkeit von etwas mehr als 1 600 Kilometern pro Stunde, ein Punkt auf dem 45. nördlichen Breitengrad dreht sich mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 073 Kilometern pro Stunde. Neben diesen Primärbewegungen gibt es noch weitere Komponenten, die die Gesamtbewegung der Erde ausmachen: Diese umfassen die Vorverlagerung der Tagundnachtgleichen (siehe Ekliptik) und die Nutation (eine periodische Änderung der Neigung der Erdachse, die durch die Anziehungskräfte von Sonne und Mond bewirkt wird). 3 ZUSAMMENSETZUNG Die Erde besteht aus fünf Bereichen (,,Sphären"): Der erste, gasförmige, ist die Atmosphäre. Der zweite Bereich, die Hydrosphäre, ist flüssig. Dritter, vierter und fünfter Bereich sind die Lithosphäre, der Erdmantel und der Erdkern. Die Lithosphäre, die hauptsächlich aus der starren Erdkruste besteht, reicht bis in eine Tiefe von 100 Kilometern. Der Mantel und der Kern bilden das schwerere Erdinnere, das den größten Teil der Erdmasse ausmacht. Die Atmosphäre ist eine gasförmige Hülle, die unseren Planeten umgibt. Obwohl sie mehr als 1 100 Kilometer mächtig ist, befindet sich die Hälfte ihrer Masse in den unteren 5,6 Kilometern. Die Hydrosphäre schließt neben den Ozeanen auch alle Binnenmeere, Seen und Flüsse und das Grundwasser ein. Die mittlere Tiefe der Ozeane beträgt 3 794 Meter. Die Masse der Ozeane beträgt ungefähr 1 350 000 000 000 000 000 (1,35 × 1018) Tonnen, das ist ungefähr der 4 400. Teil der gesamten Erdmasse. Die Hydrosphäre bedeckt ungefähr 70,8 Prozent der Erdoberfläche. Die Lithosphäre weist eine mittlere Dichte auf, die 2,7-mal so groß ist wie die von Wasser. Sie besteht fast vollständig aus elf Elementen, die zusammen 99,5 Prozent seiner Masse ausmachen. Den größten Anteil hat Sauerstoff (46,60 Prozent der Gesamtmasse), gefolgt von Silicium (27,72 Prozent), Aluminium (8,13 Prozent), Eisen (5,0 Prozent), Calcium (3,63 Prozent), Natrium (2,83 Prozent), Kalium (2,59 Prozent), Magnesium (2,09 Prozent) sowie Titan, Wasserstoff und Phosphor (zusammen weniger als ein Prozent). Weitere elf Elemente sind in Spuren von 0,1 bis 0,02 Prozent vorhanden. Diese Elemente sind, nach Häufigkeit ihres Vorkommens, Kohlenstoff, Mangan, Schwefel, Barium, Chlor, Chrom, Fluor, Zirconium, Nickel, Strontium und Vanadium. Die Elemente kommen in der Lithosphäre fast ausschließlich in Form von Verbindungen vor. Die Lithosphäre gehört zu zwei Schalen, sie umfasst die Erdkruste und reicht in den oberen Mantel. Sie gliedert sich in ungefähr ein Dutzend starre Platten (siehe Plattentektonik). Die kontinentale Erdkruste besteht aus zwei Teilen. Das Sial oder die obere Erdkruste setzt sich aus sauren Gesteinen zusammen. Durchschnittlich ähnelt die chemische Zusammensetzung der Sialschicht der von Granit. Die spezifische Dichte liegt bei 2,7 bis 2,8 Gramm pro Kubikzentimeter. Die simatische oder untere Erdkruste besteht aus basischerem, dunklerem und schwererem Gesteinsmaterial wie Gabbro und Basalt. Ihre mittlere Dichte liegt bei 2,9 bis 3,0 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Lithosphäre schließt auch den oberen Erdmantel ein. Er ist von der Erdkruste durch die Mohorovi?i ?-Diskontinuität und vom unteren Mantel durch die 100 Kilometer mächtige Asthenosphäre getrennt. Das dichte, schwere Erdinnere besteht aus dem Mantel und dem annähernd kugelförmigen Kern. Der Mantel reicht vom unteren Ende der Erdkruste bis in eine Tiefe von ungefähr 2 900 Kilometern. Mit Ausnahme des Bereichs der Asthenosphäre besteht er aus festem Material und seine Dichte steigt mit zunehmender Tiefe von 3,3 auf sechs Gramm pro Kubikzentimeter. Der obere Mantel besteht aus Eisen- und Magnesiumsilicaten. Diese Mineralien werden als Olivin klassifiziert. Der untere Teil besteht wahrscheinlich aus einer Mischung aus Magnesium-, Silicium- und Eisenoxid. Seismologische Untersuchungen lassen einen äußeren von einem inneren Kern unterscheiden. Der äußere Kern ist etwa 2 225 Kilometer mächtig, hat eine mittlere Dichte von zehn Gramm pro Kubikzentimeter und ist wahrscheinlich flüssig. Wie Analysen zeigen, weist die Oberfläche des Kerns Vertiefungen und Erhöhungen auf. Letztere bilden sich dort, wo warmes Material aufsteigt. Im Gegensatz dazu ist der innere Kern mit einem Radius von ungefähr 1 275 Kilometern fest. Der Erdkern besteht vermutlich zum großen Teil aus Eisen mit einem geringen Prozentsatz Nickel oder anderen Elementen. Die Temperaturen im inneren Kern liegen schätzungsweise um 6 650 °C, die mittlere Dichte bei 13 Gramm pro Kubikmeter. 1996 wurde entdeckt, dass der Erdkern relativ zur Erdkruste und zum Erdmantel etwas schneller rotiert und sich pro Jahr um etwa 1,1 Grad ostwärts bewegt; das entspricht einer Verschiebung von 20 Kilometern. Die Forschungsergebnisse werden zu einem besseren Verständnis der komplexen, dynamischen Prozesse im Erdinneren beitragen - dazu gehören die Erzeugung des Erdmagnetfeldes und die Wärmeübertragung durch die Erde. Die Grenzflächen des Erdinneren werden seit einigen Jahren mit neuen Methoden untersucht, viel versprechend ist dabei vor allem die Computertomographie, eine Methode, die in der Medizin schon vielfältige Anwendungen gefunden hat. Mit Hilfe dieser Methode ist es möglich, von inneren Organen anhand von Röntgenstrahlen dreidimensionale Bilder zu entwerfen. Geophysiker übertragen dieses Verfahren auf seismische Wellen, um Strukturen des Erdinneren, z. B. die Grenzflächen zwischen Erdkruste und Erdmantel oder zwischen Erdmantel und Erdkern, besser darstellen zu können. 4 INNERE WÄRMESTRÖME Die Temperatur der festen Erde nimmt von der Erdoberfläche zum Erdmittelpunkt hin zu, durchschnittlich um etwa drei Grad pro 100 Meter. Diese Wärme entsteht vor allem beim Zerfall radioaktiver Elemente, in erster Linie von Kalium-40. Konvektionsströme innerhalb des Mantels transportieren den größten Teil dieser Wärmeenergie aus dem Erdinneren an die Oberfläche. Sie sind auch die treibende Kraft, die hinter den Plattenbewegungen steht. Konvektionsströme fördern auch heißes, geschmolzenes Gestein (siehe Magmatite) in das weltweite System der Mittelozeanischen Rücken (siehe Ozeane und Ozeanographie) und an Land in Vulkangebiete und Gebirge. 5 ALTER UND URSPRUNG DER ERDE Radiometrische Bestimmungen lassen das Alter der Erde auf 4,65 Milliarden Jahre schätzen ( siehe Altersbestimmung, Verfahren zur; geologische Zeitrechnung). Obwohl die ältesten Gesteine auf der Erde nicht ganz vier Milliarden Jahre alt sind, liefern Meteoriten, die geologisch dem Erdkern entsprechen, Altersangaben von etwa 4,5 Milliarden Jahren. Die Kristallisation des Erdkernes und der ursprünglichen Teile von Meteoriten hat schätzungsweise zur gleichen Zeit, etwa 150 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde und des Sonnensystems, stattgefunden (siehe Sonnensystem: Ursprungstheorien). Nachdem sich die Erde einer gängigen Theorie zufolge ursprünglich durch die Anziehungskraft aus kosmischem Staub und Gas verdichtet hatte, muss sie fast homogen und relativ kalt gewesen sein. Danach verursachte die ständige Verdichtung dieser Stoffe ebenso wie die Radioaktivität einiger schwererer Elemente die Erwärmung. Im nächsten Stadium ihrer Entstehung wurde die Erde heißer und begann unter dem Einfluss der Schwerkraft zu schmelzen. Dabei bildeten sich Erdkruste, Mantel und Kern aus. Durch die Verlagerung der leichteren Silicate nach oben wurden der Mantel und die Erdkruste gebildet. Aus den schwereren Elementen, hauptsächlich Eisen und Nickel, die zum Erdmittelpunkt absanken, bildete sich der Kern. Währenddessen wurden durch Vulkanausbrüche leichte, flüchtige Gase und Dämpfe aus dem Mantel und der Erdkruste freigesetzt. Einige dieser Gase, hauptsächlich Kohlendioxid und Stickstoff, wurden durch die Schwerkraft der Erde festgehalten und bildeten die Uratmosphäre. Aus der Kondensation von Wasserdampf entstanden die ersten Ozeane. 6 ERDMAGNETISMUS Das Phänomen des Erdmagnetismus resultiert aus der Tatsache, dass sich die ganze Erde wie ein riesiger Magnet verhält. Der englische Physiker und Naturphilosoph William Gilbert zeigte als erster um 1600 diese Ähnlichkeit, obwohl die Wirkung des Erdmagnetismus schon viel früher für einfache Kompasse genutzt wurde. 6.1 Magnetische Pole Die Lage der magnetischen Pole der Erde stimmt nicht mit den geographischen Polen (Schnittpunkte der Rotationsachse der Erde mit der Erdoberfläche) überein. Die magnetischen Pole sind jene beiden Punkte auf der Erdoberfläche, wo die tatsächlich gemessenen Magnetfeldlinien senkrecht auf dieser stehen. Die magnetischen Pole sind für kartographische und navigatorische Zwecke relevant. Daneben existieren die in geophysikalischen Zusammenhängen interessanten geomagnetischen Pole; sie beruhen auf Berechnungen, die einen beliebig kleinen Stabmagneten im Erdmittelpunkt als Ursache des Erdmagnetfeldes annehmen. Die Schnittpunkte der verlängerten Achse dieses Stabmagneten mit der Erdoberfläche bilden die geomagnetischen Pole. Der magnetische Südpol oder auch boreale Magnetpol liegt zurzeit auf dem Packeis des Nordpolarmeeres nördlich von Kanada. Der magnetische Nordpol oder australe Magnetpol liegt heute am Rand des antarktischen Kontinents im Adélieland, ungefähr 1 930 Kilometer nordöstlich von Little America. Die magnetischen Pole sind nicht fix, sondern wandern auf der Erdoberfläche. Zurzeit beschleunigt sich die Geschwindigkeit der magnetischen Polwanderung. Betrug sie vor einem Jahrhundert noch wenige Kilometer pro Jahr, so sind es derzeit etwa 40 Kilometer pro Jahr. Seit 1831 ist eine stetige Wanderung des borealen Magnetpols in Richtung Nord beobachtet worden. Um das Jahr 2020 dürfte der boreale Magnetpol in der Nähe des geographischen Nordpols liegen; um 2050 wird er die Küste Sibiriens erreichen. In Verbindung mit der beschleunigten Bewegung wird eine Abschwächung des Magnetfeldes der Erde gemessen. In den letzten 150 Jahren hat die Magnetfeldstärke um etwa 8 Prozent abgenommen. Dies deutet auf eine bevorstehende Polumkehr (siehe unten) hin, die schätzungsweise 1 000 bis 2 000 Jahre andauern wird. Die letzte Polumkehr liegt 750 000 Jahre zurück. 6.2 Dynamotheorie Messungen der großräumigen Verschiebung zeigen, dass das gesamte Magnetfeld dazu neigt, sich mit einer Geschwindigkeit von 19 bis 24 Kilometern pro Jahr nach Westen zu verlagern. Zurückzuführen ist dies auf die dynamischen Bedingungen, die möglich sind, da der Eisenkern der Erde nicht aus einem magnetisierten Feststoff besteht. Eisen behält bei Temperaturen über 540 °C dauermagnetische Eigenschaften nicht bei. Die Temperatur im Erdmittelpunkt wird mit bis zu 6 650 °C angenommen. Die Dynamotheorie geht nun davon aus, dass der Eisenkern flüssig ist. Eine Ausnahme stellt nur der innerste Teil des Kernes dar, wo der hohe Druck den Kern verfestigt. Die Konvektionsströme innerhalb des flüssigen Kernbereiches verhalten sich wie die einzelnen Drähte in einem Dynamo und bauen so ein riesiges Magnetfeld auf. Da sich der innere Kern langsamer als der äußere Kern dreht, entsteht so langfristig eine Westverschiebung. Für die unregelmäßigeren Änderungen des Feldes ist möglicherweise die unregelmäßige Oberfläche des äußeren Kernes verantwortlich. 7 FELDSTÄRKE Die Erforschung des Erdmagnetismus ist nicht nur aus rein wissenschaftlicher und technischer Sicht sinnvoll, sondern dient auch der geologischen Suche nach Mineral- und Energievorkommen. Messungen der Feldstärke werden mit Magnetometern durchgeführt, die die gesamte Feldstärke und die Feldstärken in horizontaler und vertikaler Richtung messen. Die Stärke des Magnetfeldes der Erde ist an verschiedenen Stellen ihrer Oberfläche unterschiedlich groß. 7.1 Paläomagnetismus Untersuchungen von altem Vulkangestein zeigen, dass die Mineralien nach dem Magnetfeld, das zur Zeit ihrer Abkühlung existierte, ausgerichtet waren. Weltweite Auswertungen solcher Minerallagerstätten zeigen, dass sich im Lauf der Erdgeschichte die Ausrichtung des Magnetfeldes in Bezug auf die Kontinente verschoben hat, obwohl angenommen wird, dass die Erdachse die gleiche geblieben ist. Der magnetische Nordpol lag z. B. vor 500 Millionen Jahren südlich von Hawaii, während der nächsten 300 Millionen Jahre verlief der magnetische Äquator durch die Vereinigten Staaten. Um dies zu erklären, nehmen die Geologen an, dass sich Teile der äußeren Erdkruste allmählich in verschiedene Richtungen verschoben haben. Wenn dies richtig wäre, wären die Klimagürtel dieselben geblieben, aber die Kontinente hätten sich langsam durch die verschiedenen Breitengrade bewegt. 7.2 Umpolung Neuere Untersuchungen von Restmagnetismus im Gestein und in magnetischen Anomalien auf dem Meeresboden haben gezeigt, dass das Magnetfeld der Erde in den letzten 100 Millionen Jahren seine Polarität mindestens 170-mal geändert hat. Die Kenntnis um diese Umpolungen, die mit Hilfe von radioaktiven Isotopen im Gestein datiert werden können, hatte großen Einfluss auf die Theorien der Kontinentalverschiebung und der Ausbreitung der Meeresböden. 8 ERDELEKTRIZITÄT Es gibt drei elektrische Systeme, die durch natürliche geophysikalische Vorgänge in der Erde und in der Atmosphäre gebildet werden. Eines davon befindet sich in der Atmosphäre, eines in der Erde, parallel ihrer Oberfläche. Das dritte, das ständig elektrische Ladung zwischen der Atmosphäre und der Erde transportiert, verläuft vertikal (siehe Elektrizität). Atmosphärische Elektrizität entsteht aus der Ionisation der Atmosphäre durch Sonnenstrahlung und durch die Bewegung von Ionenwolken, die durch atmosphärische Tiden transportiert werden. Eine Ausnahme bildet die Art von Elektrizität, die durch die Aufladungen in einer Wolke entsteht. Durch diese Aufladung entstehen Blitze. Atmosphärische Tiden entstehen durch den Einfluss der Anziehungskraft von Sonne und Mond auf die Erdatmosphäre ( siehe Gravitation), entsprechend steigen und fallen sie täglich wie die Tiden der Meere. Die Ionisierung und damit die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre ist in der Nähe der Erdoberfläche gering, nimmt aber mit größerer Höhe schnell zu. Zwischen 40 und 400 Kilometern über der Erde bildet die Ionosphäre eine fast perfekt leitende kugelförmige Hülle. Diese Hülle reflektiert Radiosignale einer bestimmten Wellenlänge, unabhängig davon, ob sie ihren Ursprung auf der Erde oder im Weltraum haben. Die Ionisierung der Atmosphäre schwankt nicht nur mit der Höhe, sondern auch mit der Tageszeit und dem Breitengrad sehr stark. 8.1 Erdströme Sie bilden ein weltweites System von acht Stromkreisen, die gleichmäßig auf beiden Seiten des Äquators verteilt sind. Außerdem gibt es eine Reihe kleinerer Stromkreise in der Nähe der Pole. Obwohl man bisher angenommen hat, dass dieses System vollständig durch die täglichen Veränderungen in der atmosphärischen Elektrizität induziert wird, sind die Ursprünge des Systems wahrscheinlich von komplexerer Natur. Der Erdkern, der aus geschmolzenem Eisen und Nickel besteht, leitet Elektrizität. Er kann mit dem Anker eines riesigen Generators verglichen werden. Es wird vermutet, dass thermische Konvektionsströme im Kern das geschmolzene Metall in kreisförmigen Bahnen zum Magnetfeld der Erde bewegen und dadurch ein System von Erdströmen erzeugen. 8.2 Die Oberflächenladung der Erde Die Oberfläche der Erde trägt eine negative elektrische Ladung, die ständig ergänzt wird. Alle Messungen bei schönem Wetter haben ergeben, dass positiv geladene Ströme aus der Atmosphäre zur Erde fließen. Der Grund dafür ist die negative Ladung der Erde, die positive Ionen aus der Atmosphäre anzieht. Nach einer älteren Theorie wird der Strom zur Erde durch Ströme zur Atmosphäre in den Polarregionen ausgeglichen. Die heute anerkannte Theorie hingegen geht davon aus, dass negativ geladene Teilchen bei Stürmen zur Erde fließen, bei schönem Wetter wird die zur Erde fließende positive Ladung durch den Rückfluss aus stürmischen Gebieten ausgeglichen. Man konnte nachweisen, dass aus Gewitterwolken eine negative Ladung zur Erde fließt und dass die Menge an elektrischer Energie, die bei Stürmen erzeugt wird, ausreicht, um die Ladung der Erdoberfläche zu ergänzen. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.