Erdwissenschaften

Die Erd- oder Geowissenschaften umfassen alle Bereiche der Naturwissenschaften, die sich mit dem Planeten Erde befassen . ^{[ 1 ]} Sie sind ein Wissenschaftszweig, der sich mit den komplexen physikalischen, chemischen und biologischen Zusammensetzungen und Wechselwirkungen der vier Sphären der Erde beschäftigt: Biosphäre , Hydrosphäre / Kryosphäre , Atmosphäre und Geosphäre (oder Lithosphäre ). Die Erdwissenschaften können als ein Teilgebiet der Planetenwissenschaften betrachtet werden , blicken aber auf eine viel ältere Geschichte zurück.

Die Geologie ist die Wissenschaft von Struktur, Beschaffenheit und Prozessen der Erde. Sie befasst sich hauptsächlich mit der Lithosphäre , also der Erdoberfläche, einschließlich Erdkruste und Gesteinen . Dazu gehören die physikalischen Eigenschaften und Prozesse in der Lithosphäre sowie deren Beeinflussung durch Geothermie . Aspekte der Chemie, Physik und Biologie fließen in die geologischen Wechselwirkungen ein. Die historische Geologie wendet geologische Erkenntnisse an, um die Erdgeschichte und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit zu interpretieren.

Die Geochemie untersucht die chemischen Bestandteile und Prozesse der Erde. Die Geophysik untersucht die physikalischen Eigenschaften der Erde. Die Paläontologie untersucht fossilisiertes biologisches Material in der Lithosphäre. Die Planetengeologie befasst sich mit den Geowissenschaften im Zusammenhang mit extraterrestrischen Körpern. Die Geomorphologie untersucht die Entstehung von Landschaften. Die Strukturgeologie untersucht die Verformung von Gesteinen, die zur Bildung von Gebirgen und Tiefebenen führt. Die Ressourcengeologie untersucht, wie Energieressourcen aus Mineralien gewonnen werden können. Die Umweltgeologie untersucht, wie Verschmutzung und Schadstoffe Boden und Gestein beeinflussen. ^{[ 2 ]} Die Mineralogie ist die Lehre von den Mineralien und umfasst die Untersuchung der Mineralbildung, der Kristallstruktur , der mit Mineralien verbundenen Gefahren sowie der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Mineralien. ^{[ 3 ]} Die Petrologie ist die Lehre von den Gesteinen, einschließlich ihrer Entstehung und Zusammensetzung. Die Petrophysik befasst sich mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Gesteinen. Die Petrographie ist ein Teilgebiet der Petrologie, das sich mit der Typologie und Klassifizierung von Gesteinen befasst. ^{[ 4 ]}

Plattentektonik , Gebirgszüge , Vulkane und Erdbeben sind geologische Phänomene, die sich durch physikalische und chemische Prozesse in der Erdkruste erklären lassen. ^{[ 6 ]} Unter der Erdkruste liegt der Erdmantel , der durch den radioaktiven Zerfall schwerer Elemente erhitzt wird . Der Mantel ist nicht vollständig fest und besteht aus Magma , das sich in einem Zustand ständiger Konvektion befindet . Diese Konvektion bewirkt die – wenn auch langsame – Bewegung der Lithosphärenplatten. Dieser Prozess wird als Plattentektonik bezeichnet. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Bereiche der Kruste, in denen neue Kruste entsteht, werden als divergente Plattengrenzen bezeichnet , solche, in denen Kruste in die Erde zurückgeführt wird, als konvergente Plattengrenzen , und solche, in denen Platten aneinander vorbeigleiten, ohne dass neues Lithosphärenmaterial entsteht oder abgebaut wird, als transformierende (oder konservative) Plattengrenzen. ^{[ 8 ] [ 10 ] [ 11 ]} Erdbeben entstehen durch die Bewegung der Lithosphärenplatten und treten häufig in der Nähe von konvergenten Plattengrenzen auf, wo Teile der Erdkruste im Zuge der Subduktion in die Erde gedrückt werden. ^{[ 12 ]}

Die Plattentektonik kann als der Prozess verstanden werden, durch den die Erdoberfläche erneuert wird. Infolge der Ozeanbodenspreizung entsteht neue Kruste und Lithosphäre durch den Magmafluss aus dem Mantel zur Erdoberfläche durch Spalten, wo das Magma abkühlt und erstarrt. Durch Subduktion strömt ozeanische Kruste und Lithosphäre mit großer Wucht zurück in den konvektierenden Mantel. ^{[ 8 ] [ 10 ] [ 13 ]} Vulkane entstehen hauptsächlich durch das Aufschmelzen von subduziertem Krustenmaterial. Krustenmaterial, das in die Asthenosphäre gedrückt wird , schmilzt, und ein Teil des geschmolzenen Materials wird leicht genug, um zur Oberfläche aufzusteigen – wodurch Vulkane entstehen. ^{[ 8 ] [ 12 ]}

Die Atmosphärenwissenschaft entwickelte sich ursprünglich im späten 19. Jahrhundert, um mithilfe der Meteorologie , der Wissenschaft vom Wetter, das Wetter vorherzusagen. Die Atmosphärenchemie entstand im 20. Jahrhundert zur Messung der Luftverschmutzung und wurde in den 1970er Jahren als Reaktion auf den sauren Regen erweitert . Die Klimatologie untersucht das Klima und den Klimawandel . ^{[ 14 ]}

Die Troposphäre , Stratosphäre , Mesosphäre , Thermosphäre und Exosphäre bilden die fünf Schichten der Erdatmosphäre. 75 Prozent der Masse der Atmosphäre befinden sich in der Troposphäre, der untersten Schicht. Insgesamt besteht die Atmosphäre aus etwa 78,0 % Stickstoff , 20,9 % Sauerstoff und 0,92 % Argon sowie geringen Mengen anderer Gase, darunter CO₂ _und Wasserdampf. ^{[ 15 ]} Wasserdampf und CO₂ _{bewirken , dass die Erdatmosphäre durch den} Treibhauseffekt die Sonnenenergie einfängt und speichert . ^{[ 16 ]} Dadurch wird die Erdoberfläche warm genug für flüssiges Wasser und Leben. Neben der Wärmespeicherung schützt die Atmosphäre Lebewesen auch vor kosmischer Strahlung . ^{[ 17 ]} Das Magnetfeld – erzeugt durch die inneren Bewegungen des Erdkerns – bildet die Magnetosphäre , welche die Erdatmosphäre vor dem Sonnenwind schützt . ^{[ 18 ]} Da die Erde 4,5 Milliarden Jahre alt ist, ^{[ 19 ] [ 20 ]} hätte sie ihre Atmosphäre längst verloren, wenn es keine schützende Magnetosphäre gäbe.

Das Erdmagnetfeld , auch geomagnetisches Feld genannt, erstreckt sich vom Erdinneren bis in den Weltraum, wo es mit dem Sonnenwind , einem Strom geladener Teilchen der Sonne , interagiert . Es entsteht durch elektrische Ströme, die durch Konvektionsströme einer Mischung aus geschmolzenem Eisen und Nickel im äußeren Erdkern verursacht werden . Diese Konvektionsströme entstehen durch die aus dem Kern entweichende Wärme – ein natürlicher Prozess, der als Geodynamo bezeichnet wird .

Die Stärke des Erdmagnetfelds an der Erdoberfläche liegt zwischen 25.000 und 65.000 nT (0,25 bis 0,65 G). ^{[ 23 ]} Vereinfacht lässt es sich durch das Feld eines magnetischen Dipols beschreiben , der um etwa 11° gegenüber der Erdrotationsachse geneigt ist – so, als ob ein riesiger Stabmagnet unter diesem Winkel durch den Erdmittelpunkt platziert wäre. Der geomagnetische Nordpol (auf Ellesmere Island , Nunavut , Kanada) entspricht dem Südpol des Erdmagnetfelds, und umgekehrt entspricht der geomagnetische Südpol dem Nordpol (da sich entgegengesetzte Magnetpole anziehen und die Nordspitze eines Magneten, ähnlich einer Kompassnadel, zum südlichen Erdmagnetfeld zeigt).

Während sich die magnetischen Nord- und Südpole üblicherweise in der Nähe der geografischen Pole befinden , bewegen sie sich über geologische Zeiträume hinweg langsam und kontinuierlich – jedoch so langsam, dass herkömmliche Kompasse weiterhin zur Navigation genutzt werden können. In unregelmäßigen Abständen von durchschnittlich mehreren hunderttausend Jahren kehrt sich das Erdmagnetfeld jedoch um, und die magnetischen Nord- und Südpole tauschen abrupt ihre Plätze. Diese Polumkehrungen hinterlassen Spuren in Gesteinen, die für Paläomagnetiker wertvoll sind , um vergangene Erdmagnetfelder zu berechnen. Solche Informationen wiederum sind hilfreich, um die Bewegungen von Kontinenten und Meeresböden zu untersuchen. Die Magnetosphäre ist die Ausdehnung des Erdmagnetfelds im Weltraum . Sie erstreckt sich über die Ionosphäre hinaus , mehrere zehntausend Kilometer in den Weltraum , und schützt die Erde vor den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und der kosmischen Strahlung , die andernfalls die obere Atmosphäre, einschließlich der Ozonschicht , die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt, abtragen würden .

Die Hydrologie ist die Wissenschaft von der Hydrosphäre und den Wasserbewegungen auf der Erde . Sie konzentriert sich auf die Nutzung und den Umgang des Menschen mit Süßwasserressourcen. Die Erforschung der Wasserbewegung ist eng mit der Geomorphologie und anderen Bereichen der Geowissenschaften verknüpft. Die angewandte Hydrologie umfasst ingenieurtechnische Maßnahmen zur Erhaltung aquatischer Ökosysteme und zur Wasserverteilung. Zu den Teildisziplinen der Hydrologie gehören Ozeanographie , Hydrogeologie , Ökohydrologie und Glaziologie . Die Ozeanographie befasst sich mit den Ozeanen. ^{[ 24 ]} Die Hydrogeologie ist die Lehre vom Grundwasser . Sie umfasst die Kartierung von Grundwasservorkommen und die Analyse von Grundwasserverunreinigungen. Die angewandte Hydrogeologie zielt darauf ab, die Verunreinigung von Grundwasser und Mineralquellen zu verhindern und diese als Trinkwasser verfügbar zu machen . Die früheste Nutzung von Grundwasserressourcen lässt sich bis 3000 v. Chr. zurückverfolgen, und die Hydrogeologie als Wissenschaft wurde ab dem 17. Jahrhundert von Hydrologen entwickelt. ^{[ 25 ]} Die Ökohydrologie ist die Wissenschaft von den ökologischen Systemen in der Hydrosphäre . Die Ökohydrologie lässt sich in die physikalische Erforschung aquatischer Ökosysteme und die biologische Erforschung aquatischer Organismen unterteilen. Sie umfasst die Wechselwirkungen zwischen Organismen und aquatischen Ökosystemen sowie die Auswirkungen des Menschen auf diese Ökosysteme. ^{[ 26 ]} Die Glaziologie befasst sich mit der Kryosphäre, einschließlich Gletschern und der Eis- und Schneebedeckung der Erde. Zu ihren Forschungsschwerpunkten gehören der Zugang zu Gletscherwasser, die Minderung von Gletschergefahren, die Gewinnung von Ressourcen unter gefrorenem Land und die Bewältigung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Kryosphäre. ^{[ 27 ]}

Ökologie ist die Wissenschaft von der Biosphäre . Sie umfasst die Erforschung der Natur und der Wechselwirkungen von Lebewesen mit der Erde und untereinander sowie die daraus resultierenden Folgen. Sie untersucht, wie Lebewesen Ressourcen wie Sauerstoff , Wasser und Nährstoffe der Erde nutzen, um zu überleben. Außerdem betrachtet sie, wie Menschen und andere Lebewesen Veränderungen in der Natur verursachen. ^{[ 28 ]}

Die physische Geographie untersucht die Systeme der Erde und deren Wechselwirkungen als Teil eines in sich geschlossenen Systems. Sie umfasst Astronomie, mathematische Geographie, Meteorologie, Klimatologie, Geologie, Geomorphologie, Biologie, Biogeographie, Bodenkunde und Bodenkunde. Die physische Geographie unterscheidet sich von der Humangeographie , die die menschlichen Populationen der Erde untersucht, obwohl auch sie die Auswirkungen des Menschen auf die Umwelt berücksichtigt. ^{[ 29 ]}

Die Methoden variieren je nach Art des untersuchten Gegenstands. Studien lassen sich typischerweise in eine von drei Kategorien einteilen: Beobachtungsstudien, experimentelle Studien oder theoretische Studien. Geowissenschaftler führen häufig aufwendige Computeranalysen durch oder besuchen interessante Orte, um Erdphänomene zu untersuchen (z. B. die Antarktis oder Hotspot- Inselketten). ^{[ 30 ]}

Ein Grundprinzip der Geowissenschaften ist der Uniformitarismus , der besagt, dass „geologische Merkmale der Vergangenheit durch das Verständnis aktiver, leicht beobachtbarer Prozesse interpretiert werden“. Anders ausgedrückt: Alle geologischen Prozesse, die heute wirken, haben im Laufe der Erdgeschichte auf dieselbe Weise funktioniert. ^{[ 31 ]} Dies ermöglicht es Forschern der Erdgeschichte , ihr Wissen über die gegenwärtigen Prozesse der Erde anzuwenden, um Einblicke in die Entwicklung und die Veränderungen unseres Planeten im Laufe der Erdgeschichte zu gewinnen.

In den Geowissenschaften ist es üblich, die Erdoberfläche in mehrere Schichten zu unterteilen, die oft als Sphären bezeichnet werden: Lithosphäre , Hydrosphäre , Atmosphäre und Biosphäre . Dieses Sphärenkonzept ist ein hilfreiches Instrument zum Verständnis der Erdoberfläche und ihrer vielfältigen Prozesse ^{[ 32 ]} ; diese entsprechen Gesteinen , Wasser , Luft und Leben . Manche betrachten auch die Kryosphäre ( Eis ) als eigenständigen Teil der Hydrosphäre und die Pedosphäre ( Boden ) als aktive und durchmischte Sphäre. Folgende Wissenschaftsbereiche werden im Allgemeinen den Geowissenschaften zugeordnet:

• Die Geologie beschreibt die Gesteinsbestandteile der Erdkruste (oder Lithosphäre ) und ihre historische Entwicklung. Wichtige Teilgebiete sind Mineralogie und Petrologie , Geomorphologie , Paläontologie , Stratigraphie , Strukturgeologie , Ingenieurgeologie und Sedimentologie . ^{[ 33 ] [ 34 ]}
• Die Physische Geographie konzentriert sich auf die Geographie als Teilgebiet der Erdwissenschaften. Sie untersucht die Jahreszeiten, das Klima, die Atmosphäre, die Böden, die Flüsse, die Landformen und die Ozeane der Erde. Die Physische Geographie lässt sich in verschiedene Teilgebiete unterteilen, darunter Geomorphologie , Biogeographie , Umweltgeographie , Paläogeographie , Klimatologie , Meteorologie , Küstengeographie , Hydrologie , Ökologie und Glaziologie .
• Geophysik und Geodäsie untersuchen die Form der Erde , ihre Reaktion auf Kräfte sowie ihre Magnet- und Gravitationsfelder . Geophysiker erforschen den Erdkern und -mantel sowie die tektonische und seismische Aktivität der Lithosphäre. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} Die Geophysik wird häufig zur Ergänzung der Arbeit von Geologen eingesetzt , um ein umfassendes Verständnis der Krustengeologie zu entwickeln, insbesondere bei der Mineral- und Erdölexploration. Seismologen nutzen die Geophysik , um die Plattentektonik zu verstehen und seismische Aktivitäten vorherzusagen.
• Die Geochemie untersucht die Prozesse, die Häufigkeit, Zusammensetzung und Verteilung chemischer Verbindungen und Isotope in geologischen Umgebungen bestimmen. Geochemiker nutzen die Methoden und Prinzipien der Chemie, um die Zusammensetzung, Struktur, Prozesse und andere physikalische Aspekte der Erde zu erforschen. Wichtige Teilgebiete sind die wässrige Geochemie , die Kosmochemie , die Isotopengeochemie und die Biogeochemie .
• Die Bodenkunde befasst sich mit der äußersten Schicht der Erdkruste, die Bodenbildungsprozessen unterliegt ( Pedosphäre ). ^{[ 37 ]} Zu den wichtigsten Teilgebieten dieses Forschungsfeldes gehören die Edaphologie und die Pedologie . ^{[ 38 ]}
• Die Ökologie befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt. Dieses Forschungsgebiet unterscheidet die Erforschung der Erde von der anderer Planeten im Sonnensystem , da die Erde der einzige Planet ist, der von Leben nur so wimmelt.
• Hydrologie , Ozeanographie und Limnologie sind Wissenschaften, die sich mit der Bewegung, Verteilung und Qualität des Wassers befassen und alle Komponenten des Wasserkreislaufs auf der Erde und in ihrer Atmosphäre ( Hydrosphäre ) umfassen. „Zu den Teildisziplinen der Hydrologie gehören Hydrometeorologie, Oberflächenwasserhydrologie, Hydrogeologie, Gewässerökologie, Waldhydrologie und Wasserchemie.“ ^{[ 39 ]}
• Die Glaziologie befasst sich mit den eisigen Teilen der Erde (oder der Kryosphäre ).
• Die Atmosphärenwissenschaften umfassen die gasförmigen Bestandteile der Erde (oder Atmosphäre ) zwischen der Oberfläche und der Exosphäre (etwa 1000 km). Zu den wichtigsten Teildisziplinen gehören Meteorologie, Klimatologie, Atmosphärenchemie und Atmosphärenphysik .

• Earth Science Picture of the Day , ein Service der Universities Space Research Association , gesponsert vom NASA Goddard Space Flight Center .
• Geoethik in der Planeten- und Weltraumforschung .
• Geologie-News: Geowissenschaften (Archiviert am 04.11.2021 im Internet Archive)