Die innere Struktur der Erde bezieht sich auf die räumliche Verteilung der chemischen und physikalischen Eigenschaften innerhalb der festen und flüssigen Bestandteile des Planeten. Diese Struktur ist hauptsächlich durch eine Reihe unterschiedlicher Schichten gekennzeichnet: eine äußere Silikatkruste, eine mechanisch biegsame Asthenosphäre, einen festen Mantel, einen flüssigen äußeren Kern, der für die Erzeugung des Erdmagnetfelds durch seine Strömung verantwortlich ist, und einen festen inneren Kern.
Das wissenschaftliche Verständnis der inneren Architektur der Erde basiert auf verschiedenen empirischen Quellen, darunter topografische undbathymetrische Beobachtungen, geologische Aufschlüsse und tief liegende Gesteinsproben, die von an die Oberfläche transportiert wurden vulkanische Prozesse, Analyse der Ausbreitung seismischer Wellen durch den Planeten, Messungen der Gravitations- und Magnetfelder der Erde sowie Laborexperimente an kristallinen Festkörpern unter Bedingungen, die das tiefe Innere nachahmen.
Globale Merkmale
Hinweis: Das Chondrit-Modell (1) postuliert Silizium (Si) als leichtes Element im Kern. Das Chondrit-Modell (2) beschreibt die chemische Zusammensetzung des Mantels, die mit dem Kernmodell des Chondrit-Modells (1) übereinstimmt.
Die Masse der Erde kann durch Messung der von ihr ausgeübten Gravitationskraft oder durch die Analyse der Umlaufmechanik von Satelliten durch Astronomen genau bestimmt werden. Die durchschnittliche Dichte des Planeten lässt sich durch gravimetrische Experimente ermitteln, bei denen früher Pendel zum Einsatz kamen. Die ungefähre Masse der Erde beträgt 6×1024 kg, mit einer durchschnittlichen Dichte von 5,515 g/cm§1112§.
Schichtung
Die innere Struktur der Erde kann durch zwei primäre Klassifizierungsschemata beschrieben werden: mechanische Eigenschaften, insbesondere Rheologie, oder chemische Zusammensetzung. Mechanisch ist der Planet in Lithosphäre, Asthenosphäre, mesosphärischen Mantel, äußeren Kern und inneren Kern unterteilt. Chemisch gesehen besteht die Erde aus der Kruste, dem oberen Erdmantel, dem unteren Erdmantel, dem äußeren Kern und dem inneren Kern. Diese geologischen Schichten sind mit zunehmender Tiefe von der Oberfläche nacheinander angeordnet.
Die Kruste und Lithosphäre
Die äußerste Schicht der Erde, die Kruste, variiert in der Tiefe zwischen 5 und 70 Kilometern (3,1–43,5 Meilen). Die dünnere ozeanische Kruste, die den Ozeanbecken (5–10 km) zugrunde liegt, zeichnet sich durch ihre mafische Zusammensetzung aus, die aus dichten Eisen-Magnesium-Silikatmineralien oder magmatischen Gesteinen besteht. Im Gegensatz dazu ist die dickere kontinentale Kruste weniger dicht und felsreich und besteht aus magmatischen Gesteinen, die reich an Elementen sind, die Feldspat und Quarz bilden. Krustengesteine werden grob in Sial (Aluminiumsilikat) und Sima (Magnesiumsilikat) eingeteilt. Es wird geschätzt, dass Sima etwa 11 km unterhalb der Conrad-Diskontinuität beginnt; Diese Diskontinuität ist jedoch nicht immer klar definiert und kann in bestimmten Kontinentalgebieten fehlen.
Die Lithosphäre der Erde umfasst sowohl die Kruste als auch den obersten Teil des Erdmantels. Die Grenze zwischen Kruste und Mantel wird durch zwei unterschiedliche physikalische Phänomene manifestiert. Erstens stellt die Mohorovičić-Diskontinuität (Moho) eine starke Änderung der seismischen Wellengeschwindigkeit dar, die auf eine Änderung der Gesteinsdichte zurückzuführen ist. Oberhalb des Moho stimmen die Geschwindigkeiten der primären seismischen Welle (P-Welle) mit denen in Basalt überein (6,7–7,2 km/s), während unterhalb davon die Geschwindigkeiten mit denen in Peridotit oder Dunit (7,6–8,6 km/s) vergleichbar sind. Zweitens besteht innerhalb der ozeanischen Kruste eine chemische Diskontinuität zwischen ultramafischen Kumulaten und tektonisierten Harzburgiten. Dies wurde durch Beobachtungen tiefer ozeanischer Krustenabschnitte belegt, die auf die kontinentale Kruste verschoben und als Ophiolithsequenzen konserviert wurden.
Während ein erheblicher Teil der Erdkrustengesteine in den letzten 100 Millionen Jahren entstanden ist, lässt die Entdeckung von Mineralkörnern, die etwa 4,4 Milliarden Jahre alt sind, darauf schließen, dass es mindestens für diesen Zeitraum eine feste Kruste auf der Erde gab.
Der Mantel
Der Erdmantel erstreckt sich bis zu einer Tiefe von 2.890 Kilometern (1.800 Meilen) und stellt die substanziellste Schicht des Planeten dar. Er macht etwa 45 % des gesamten Erdradius (6.371 km oder 3.959 Meilen) aus und macht 83,7 % seines Volumens aus, deutlich mehr als die 0,6 % der Kruste. Strukturell ist der Mantel in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt, die durch eine deutliche Übergangszone abgegrenzt sind. Die D''-Schicht (D-Double-Prime) bezeichnet den tiefsten Bereich des Mantels, unmittelbar angrenzend an die Kern-Mantel-Grenze. An seiner Basis ist der Mantel einem Druck von etwa 140 GPa (1,4 Matm) ausgesetzt. Seine Zusammensetzung besteht hauptsächlich aus Silikatgesteinen, die im Vergleich zur darüber liegenden Kruste höhere Konzentrationen an Eisen und Magnesium aufweisen. Trotz seines festen Zustands weist das äußerst heiße Silikatmaterial des Mantels rheologische Eigenschaften auf, die es ihm ermöglichen, über geologische Zeitskalen hinweg zu fließen. Die Mantelkonvektion ist der grundlegende Mechanismus, der die Bewegung tektonischer Platten innerhalb der Erdkruste antreibt. Dieser Konvektionsprozess wird durch Wärme angetrieben, die beim Zerfall radioaktiver Isotope in der Kruste und im Mantel entsteht, ergänzt durch restliche Urwärme aus der Akkretion des Planeten, die aus der potenziellen Energie, die beim Gravitationskollaps freigesetzt wird, und der kinetischen Energie der akkretierenden Materie stammt.
Der zunehmende Druck in größeren Tiefen innerhalb des Mantels hemmt die Strömung seiner unteren Regionen, obwohl auch intrinsische chemische Variationen eine wichtige Rolle spielen können. Die Viskosität des Mantels erstreckt sich über einen beträchtlichen Bereich von 1021 bis 1024 Pascalsekunden und weist einen Anstieg proportional zur Tiefe auf. Zum Vergleich: Wasser bei 300 K (27 °C; 80 °F) hat eine Viskosität von 0,89 Millipascalsekunden, während die Tonhöhe ungefähr (2,3 ± 0,5) × 108 Pascalsekunden beträgt.
Kern
Der äußere Kern der Erde ist eine flüssige Schicht mit einer Dicke von etwa 2.260 Kilometern (1.400 Meilen), die etwa 36 % des Erdradius und 15,6 % ihres Gesamtvolumens ausmacht. Diese Schicht besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel und befindet sich zwischen dem festen inneren Kern und dem darüber liegenden Mantel. Seine obere Grenze liegt 2.890 Kilometer (1.800 Meilen) unter der Erdoberfläche. Die Grenzfläche zwischen dem inneren und dem äußeren Kern befindet sich in einer Tiefe von etwa 5.150 Kilometern (3.200 Meilen) unter der Oberfläche. Der innere Kern der Erde stellt die innerste geologische Schicht des Planeten dar. Diese Schicht ist überwiegend eine feste Kugel mit einem Radius von etwa 1.220 Kilometern (760 Meilen), was etwa 19 % des Erdradius und 0,7 % ihres Volumens oder 70 % des Mondradius entspricht.
Der innere Kern wurde 1936 von Inge Lehmann entdeckt und besteht überwiegend aus Eisen mit einem geringen Anteil an Nickel. Seine Fähigkeit, Scherwellen (transversale seismische Wellen) zu übertragen, ist ein überzeugender Beweis für seinen festen Zustand. Allerdings weichen die experimentellen Ergebnisse gelegentlich von den vorherrschenden Kristallmodellen des Kerns ab. Weitere experimentelle Untersuchungen offenbaren Diskrepanzen unter extremen Druckbedingungen: Statische Diamantambossstudien, die bei Kerndrücken durchgeführt wurden, deuten auf Schmelztemperaturen hin, die etwa 2000 K niedriger sind als die, die aus dynamischen Schocklaserstudien abgeleitet wurden. Die laserbasierten Experimente erzeugen Plasma, was darauf hindeutet, dass eine genaue Definition der inneren Kernbedingungen die Bestimmung erfordert, ob es als Festkörper oder als Plasma mit festkörperähnlicher Dichte vorliegt. Dies bleibt ein aktives Feld wissenschaftlicher Forschung.
Während der frühen Stadien der Erdentstehung, vor etwa 4,6 Milliarden Jahren, erleichterte ausgedehntes Schmelzen einen Prozess, der als Planetendifferenzierung bekannt ist, bei dem dichtere Substanzen zum Zentrum des Planeten hin zogen, während weniger dichte Materialien aufstiegen, um die Kruste zu bilden. Daher wird angenommen, dass der Kern hauptsächlich aus Eisen (ungefähr 80 %) besteht, begleitet von Nickel und verschiedenen leichten Elementen. Andere dichte Elemente wie Blei und Uran sind entweder zu selten, um wesentliche Bestandteile zu sein, oder sie verbinden sich bevorzugt mit leichteren Elementen und verbleiben so in der Kruste. Eine Hypothese geht davon aus, dass der innere Kern aus einem einzelnen Eisenkristall bestehen könnte.
In einem Laborexperiment wurde eine Probe einer Eisen-Nickel-Legierung Drücken ausgesetzt, die denen im Erdkern ähneln, indem sie in einer Diamantambosszelle komprimiert und anschließend auf etwa 4000 K erhitzt wurde. Die anschließende Röntgenbeobachtung der Probe lieferte eine starke Bestätigung für die Theorie, dass der innere Kern der Erde aus kolossalen Kristallen besteht, die entlang einer Nord-Süd-Achse ausgerichtet sind.
Die Zusammensetzung der Erde weist erhebliche Ähnlichkeiten mit bestimmten Chondriten-Meteoriten und sogar mit bestimmten elementaren Bestandteilen auf, die in den äußeren Schichten der Sonne vorkommen. Ab den 1940er Jahren entwickelten Geophysiker, insbesondere Francis Birch, geophysikalische Modelle, die auf der Annahme basierten, dass die Zusammensetzung der Erde die von gewöhnlichen Chondriten widerspiegelt, den am häufigsten beobachteten Meteoriten, die auf die Erde einschlagen. Diese vorherrschende Ansicht übersieht jedoch die weniger häufigen Enstatit-Chondrite. Diese Meteoriten stammen aus Umgebungen mit extrem eingeschränkter Sauerstoffverfügbarkeit, was dazu führt, dass einige typische oxyphile Elemente entweder teilweise oder vollständig in der Legierungskomponente vorhanden sind, analog zum Erdkern.
Die Dynamo-Theorie geht davon aus, dass das Erdmagnetfeld durch Konvektion im äußeren Kern in Verbindung mit dem Coriolis-Effekt entsteht. Während die Temperatur des festen inneren Kerns, die seine Curie-Temperatur überschreitet, die Aufrechterhaltung eines permanenten Magnetfelds verhindert, wird angenommen, dass es zur Stabilisierung des vom flüssigen äußeren Kern erzeugten Magnetfelds beiträgt. Das Magnetfeld im äußeren Erdkern beträgt schätzungsweise durchschnittlich 2,5 Millitesla (25 Gauss), eine Stärke, die fünfzigmal größer ist als die an der Planetenoberfläche beobachtete Stärke.
Das durch die Strömung im Kern erzeugte Magnetfeld ist entscheidend, um Leben vor interplanetarer Strahlung zu schützen und zu verhindern, dass die Erdatmosphäre durch den Sonnenwind zerstört wird. Obwohl die genaue Abkühlungsrate durch Leitung und Konvektion ungewiss bleibt, deutet eine Prognose darauf hin, dass sich der Kern voraussichtlich erst in etwa 91 Milliarden Jahren verfestigen wird. Dieser Zeitrahmen geht deutlich über die erwartete Lebensdauer der Sonne hinaus, die sich voraussichtlich ausdehnen, die Oberfläche des Planeten sterilisieren und schließlich nicht mehr existieren wird.
Seismologie
Die innere Schichtung der Erde wurde indirekt durch die Analyse der Laufzeiten gebrochener und reflektierter seismischer Wellen, die durch Erdbeben erzeugt werden, abgeleitet. Insbesondere behindert der Kern die Übertragung von Scherwellen und die seismische Geschwindigkeit variiert deutlich zwischen den verschiedenen Schichten. Schwankungen der seismischen Geschwindigkeit zwischen diesen Schichten induzieren im Einklang mit dem Snelliusschen Gesetz eine Brechung, analog zur Lichtbeugung beim Durchgang durch ein Prisma. In ähnlicher Weise kommt es aufgrund erheblicher Erhöhungen der seismischen Geschwindigkeit zu Reflexionen, ähnlich wie bei der Reflexion von Licht durch einen Spiegel.
Hohle Erde
- Hohle Erde
- Geologische Geschichte der Erde
- Große Provinzen mit geringer Schergeschwindigkeit
- Lehmann-Diskontinuität
- Rain-Out-Modell
- Seismische Tomographie: Eine Methode zur Abbildung des Erduntergrunds durch die Analyse seismischer Wellen.
- Reise zum Mittelpunkt der Erde
- Feste Erde
Referenzen
- Medien zum Thema Struktur der Erde bei Wikimedia Commons