Anatomie der Erde

Die Erde ist aus verschiedenen konzentrischen Schalen aufgebaut. Jede Schale besitzt eine besondere chemische Zusammensetzung sowie besondere physikalische Eigenschaften. Diese Schalen nehmen drei Bereiche innerhalb der Erde ein: Zuinnerst befindet sich der Erdkern, diesen umgibt der Erdmantel, die äußerste Schale wird als Erdkruste bezeichnet. Die feste Erdkruste, auf der wir leben, ist vergleichsweise nicht dicker als eine Eierschale, sie nimmt nur 1,5 Prozent des gesamten Volumens der Erde ein. Wissenschaftler können aufgrund direkter Beobachtungen sehr viel über den obersten Teil der Kruste erfahren. Ihr demgegenüber bescheidenes Wissen über das Erdinnere stammt unter anderem aus dem Studium des Verlaufs von Erdbebenwellen. Wenn Erdbebenwellen Gesteine unterschiedlicher Dichte durchlaufen, werden sie gekrümmt – ähnlich wie Licht, das Glas durchdringt. Treffen die Wellen die Grenzflächen unter einem sehr kleinen Winkel, werden sie reflektiert. Wellen von weit entfernten Erdbeben dringen aus tiefen Bereichen steil in die Kruste ein, solche naher Beben unter flachen Winkeln. Durch die Kenntnis dieser Winkel, der Geschwindigkeit der Wellen sowie des zurückgelegten Weges können Geophysiker die Lage und Dichte der Erdschalen berechnen. Der Wissensstand über jede Schale nimmt ab mit der Entfernung von der Erdoberfläche. Über die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Erdkerns lässt sich noch nicht viel Gesichertes sagen. Die Erdkruste
Die chemische Zusammensetzung der Erdkruste und des oberen Erdmantels ist bekannt, da man die Gesteine auf oder nahe der Erdoberfläche direkt untersuchen kann. Über den Bereich unterhalb des äußeren Mantels wissen wir dagegen wenig, obschon vermutet wird, dass gewisse Ähnlichkeiten zwischen Eisen- und Steinmeteoriten und dem Erdinneren bestehen. Die obere Kruste in Festlandgebieten wird als »Sial« (abgeleitet von den Anfangsbuchstaben der beiden wichtigsten Elemente Silicium und Aluminium), bezeichnet. Die Krustenteile unterhalb der Sial-Kruste und in Ozeangebieten nennt man »Sima« (abgeleitet von Silicium und Magnesium). Das Sial hat eine Dichte von 2,7 g/cm3, es ist leichter als das Sima (2,9 g/cm3). Sial baut vor allem die Kontinente auf, die ozeanische Kruste ist aus Sima gebildet, mit einer dünnen Überlagerung von Sedimenten und Laven. Der plötzliche Dichtesprung von Kruste zu Mantel (2,9 zu 3,3 g/cm3) wirkt als guter Reflektor für Erdbebenwellen. Diese Grenzfläche wird »Mohorovicic-Diskontinuität« (Kurzform: Moho) genannt, nach dem kroatischen Wissenschaftler, der sie 1909 entdeckte und als Basis der Kruste betrachtete. Die Moho liegt in einer durchschnittlichen Tiefe von 35 km unter den Kontinenten und 10 km unter den Ozeanen. Die Bereiche unterhalb der Erdkruste
Der obere Mantel besteht aus einer dünnen starren Lage, die von der Moho bis zu einer Tiefe von 60 bis 100 km reicht, aus einer zähplastischen Schicht (Asthenosphäre) bis zu 200 km Tiefe und einer mächtigen untersten Lage zwischen 200 und 700 km. Die oberste Schicht formt zusammen mit der Kruste die starre Lithosphäre, die wiederum in einzelne Platten geteilt ist. Diese Platten driften auf der Asthenosphäre. Der obere Mantel wird vom unteren durch eine zweite Diskontinuität getrennt, die Dichte der Gesteine steigt von 3,3 auf 4,5 g/cm3. Man nimmt an, dass die Zusammensetzung weitgehend der des Tiefengesteins Peridotit entspricht, dass sie zudem aus Mineralien hoher Dichte besteht, die sich aufgrund des Druckes der überlagernden Gesteine bilden konnten. Zwischen dem unteren Mantel und dem Kern befindet sich eine weitere Diskontinuität in einer Tiefe von 2900 km, wobei die Dichte von 5,7 auf 9,7 g/cm3 ansteigt. Dies ist die 1914 entdeckte Gutenberg-Diskontinuität. Der Kern selbst wird bei einer Tiefe von 5150 km in eine äußere und eine innere Zone unterteilt, er setzt sich aus einer Eisen-Nickel-Legierung zusammen. Die äußere Zone dürfte flüssig sein, da S-Wellen (Sekundärwellen) sie nicht durchdringen, die innere Zone fest, weil P-Wellen (Primärwellen) sich hier schneller fortbewegen. Die Dichte wechselt an der Grenze vom äußeren zum inneren Kern von 11,8 zu annähernd 14 g/cm3 und erreicht etwa 16 g/cm3 im Erdmittelpunkt, bei einer Tiefe von 6371 km. Meteoriten, die auf die Erdoberfläche einschlugen, dienen als Schlüssel zum Verständnis der Zusammensetzung des Erdinneren. Es handelt sich dabei um Stein- oder vorwiegend aus Eisen aufgebaute Meteoriten. Das Verhältnis von Stein- zu Eisenmeteoriten entspricht ungefähr der Relation der Massen von Erdmantel und Erdkern. Temperaturverhältnisse
Das Ausmaß der Wärmeenergie, die die Erdoberfläche vom Erdinneren aus erreicht, kann anhand eines sogenannten Wärmeflussdiagramms veranschaulicht werden. Die Temperatur steigt mit der Tiefe allmählich um einen Betrag von durchschnittlich 3 °C pro 100 m an, erreicht im oberen Mantel bei 50 km Tiefe 800 °C und bei 1000 km 1800 °C. Die geschätzten Temperaturen für den unteren Mantel sind: 2250 °C bei 2000 km Tiefe und 2500 °C bei 2900 km Tiefe, der Mantel-Kern-Grenze. Im Erdmittelpunkt herrscht eine Temperatur von mehr als 3000 °C. Der Wärmetransport zur Oberfläche erfolgt durch Konvektion und Wärmeleitung. Dabei wird in den festen Schichten besonders die Wärmeleitfähigkeit wirksam, in den geschmolzenen Partien die Konvektion.