Geologischer Querschnitt der Erde, der die verschiedenen Schichten des Erdinneren zeigt.

Die innere Struktur der Erde beschreibt die räumliche Verteilung der chemischen und physikalischen Eigenschaften im festen Erdinneren . Ihre primäre Struktur besteht aus mehreren Schichten: Die mechanische Struktur umfasst eine starre Lithosphäre , eine halbfeste Asthenosphäre , eine starre Mesosphäre , einen flüssigen äußeren Kern und einen festen inneren Kern . Die chemische Struktur besteht aus einer Silikatkruste , einem ferromagnesischen Mantel und einem Eisen-Nickel-Kern, dessen fließender oberer Teil das Erdmagnetfeld erzeugt .

Das wissenschaftliche Verständnis des inneren Aufbaus der Erde basiert auf Beobachtungen der Topographie und Bathymetrie , Beobachtungen von Gesteinsaufschlüssen , Proben, die durch Vulkane oder vulkanische Aktivität aus größeren Tiefen an die Oberfläche gebracht wurden , Analysen der seismischen Wellen , die die Erde durchdringen, Messungen der Gravitations- und Magnetfelder der Erde sowie Experimenten mit kristallinen Festkörpern bei Drücken und Temperaturen, die für das tiefe Erdinnere charakteristisch sind.

Globale Immobilien

Chemische Zusammensetzung der oberen inneren Struktur der Erde [ 1 ]
Chemisches Element/Oxid Chondritmodell (1) (%) Chondrit-Modell (2) (%)
MgO26.3 38.1
Al₂O₃​​​2.7 3.9
SiO 229,8 43.2
CaO2.6 3.9
FeO6.4 9.3
Andere Oxide N / A 5,5
Fe25,8 N / A
Ni1.7 N / A
Si3,5 N / A

Anmerkung: Im Chondritmodell (1) wird angenommen, dass das leichte Element im Kern Silizium (Si) ist. Das Chondritmodell (2) ist ein Modell der chemischen Zusammensetzung des Mantels, das dem im Chondritmodell (1) dargestellten Kernmodell entspricht. [ 1 ]

siehe Bildunterschrift
Eine Fotografie der Erde , aufgenommen von der Besatzung von Apollo 17 im Jahr 1972. Eine bearbeitete Version wurde weithin als „The Blue Marble“ bekannt . [ 2 ] [ 3 ]

Die Erdanziehungskraft lässt sich messen, um die Erdmasse zu berechnen . Astronomen können die Erdmasse auch durch Beobachtung der Bewegung von Satelliten im Orbit bestimmen . Die durchschnittliche Dichte der Erde kann durch gravimetrische Experimente ermittelt werden, für die traditionell Pendel verwendet wurden. Die Masse der Erde beträgt etwa6 × 10²⁴  kg . [ 4 ] Die durchschnittliche Dichte der Erde beträgt5,515  g/ cm³ . [ 5 ]

Schichten

Schematische Darstellung des Erdinneren.
  1. Mohorovičić-Diskontinuität
  2. Kern-Mantel-Grenze
  3. Grenze zwischen äußerem und innerem Kern

Die geologischen Schichten der Erde befinden sich in zunehmender Tiefe unter der Oberfläche. [ 6 ] : 146 Wie diese Schichten benannt werden und somit die Struktur des Planeten beschrieben wird, hängt vom jeweiligen wissenschaftlichen Ansatz ab.

Die Erdschichten werden chemisch in folgende Kategorien eingeteilt: Kruste (eine äußere Schicht, die hauptsächlich aus Silikatmineralen besteht – genauer gesagt aus dichter basaltischer ozeanischer Kruste und etwas weniger dichter granitischer kontinentaler Kruste ) [ 7 ] , Mantel (eine obere Schicht mit hohem Anteil an mafischen Gesteinen und eine untere Schicht mit hohem Anteil an Bridgmanit und Ferroperiklas ) und Kern (eine zentrale Eisen - Nickel- Schicht) [ 6 ] [ 8 ] .

Mechanisch betrachtet führen die physikalischen und insbesondere die rheologischen Eigenschaften und Verhaltensweisen der Erde zur Bildung von Schichten, die als Lithosphäre (eine starre, spröde äußere Schale, die sowohl die Erdkruste als auch den oberen Teil des Erdmantels umfasst); Asthenosphäre (eine duktile, halbfeste Schicht, hauptsächlich des oberen Erdmantels, in der tektonische Platten schwimmen und sich bewegen); Mesosphäre oder mesosphärischer Mantel (auch subasthenosphärischer Mantel genannt, eine Schicht des unteren Erdmantels, in der hoher Druck das Gestein verfestigt, nicht zu verwechseln mit der atmosphärischen Mesosphäre ); und ein flüssiger äußerer Kern und ein fester innerer Kern bezeichnet werden . [ 8 ]

Die unterschiedliche Beschaffenheit der durch diese beiden Ansätze dargestellten Schichten stimmt nur teilweise überein, weshalb ihre Bezeichnungen in der Geologie üblicherweise nicht vermischt werden.

Kruste und Lithosphäre

Karte der tektonischen Platten der Erde
Die wichtigsten Platten der Erde sind:

Die Erdkruste ist zwischen 5 und 70 Kilometern (3,1–43,5 Meilen) dick [ 9 ] und bildet die äußerste Schicht. [ 10 ] Die dünneren Abschnitte sind die ozeanische Kruste , die die Ozeanbecken unterlagert (5–10 km) und reich an mafischen Gesteinen ist [ 11 ] (dichte Eisen-Magnesium- Silikat-Minerale oder magmatische Gesteine ). [ 12 ] Die dickere Kruste ist die kontinentale Kruste , die weniger dicht ist [ 13 ] und reich an felsischen Gesteinen ist (magmatische Gesteine, die reich an Elementen sind, die Feldspat und Quarz bilden ). [ 14 ] Die Gesteine ​​der Kruste lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen – Sial (Aluminiumsilikat) und Sima (Magnesiumsilikat). [ 15 ] Man schätzt, dass Sima etwa 11 km unterhalb der Conrad-Diskontinuität beginnt , [ 16 ] obwohl diese Diskontinuität nicht deutlich ausgeprägt ist und in einigen kontinentalen Regionen fehlen kann. [ 17 ]

Die Lithosphäre der Erde besteht aus der Erdkruste und dem obersten Erdmantel . [ 18 ] Die Kruste-Mantel-Grenze manifestiert sich in zwei physikalisch unterschiedlichen Phänomenen. Die Mohorovičić-Diskontinuität ist eine deutliche Änderung der seismischen Wellengeschwindigkeit . Diese wird durch eine Änderung der Gesteinsdichte verursacht [ 19 ] : Unmittelbar oberhalb der Moho entsprechen die Geschwindigkeiten der primären seismischen Wellen ( P-Wellen ) denen in Basalt (6,7–7,2 km/s), darunter ähneln sie denen in Peridotit oder Dunit (7,6–8,6 km/s). [ 20 ] Zweitens existiert in der ozeanischen Kruste eine chemische Diskontinuität zwischen ultramafischen Kumulaten und tektonisiertem Harzburgit . Diese Diskontinuität wurde in tiefen Bereichen der ozeanischen Kruste beobachtet, die auf die kontinentale Kruste aufgeschoben wurden und als Ophiolithsequenzen erhalten geblieben sind .

Viele Gesteine ​​der Erdkruste entstanden vor weniger als 100 Millionen Jahren ; die ältesten bekannten Mineralkörner sind jedoch etwa 4,4 Milliarden Jahre alt, was darauf hindeutet, dass die Erde seit mindestens 4,4 Milliarden Jahren eine feste Kruste besitzt. [ 21 ]

Mantel

Erdkruste und Erdmantel, Mohorovičić-Diskontinuität zwischen der Unterseite der Erdkruste und dem festen obersten Erdmantel

Der Erdmantel reicht bis in eine Tiefe von 2.890 km und ist damit die dickste Schicht des Planeten. [ 22 ] [Dies entspricht 45 % des Radius von 6.371 km und 83,7 % des Volumens – die Erdkruste macht 0,6 % des Volumens aus.] Der Mantel ist in oberen und unteren Mantel unterteilt [ 23 ] , die durch eine Übergangszone getrennt sind . [ 24 ] Der unterste Teil des Mantels, nahe der Kern-Mantel-Grenze, wird als D″-Schicht bezeichnet. [ 25 ] Der Druck am unteren Ende des Mantels beträgt ≈140 GPa (1,4 M atm ). [ 26 ] Der Mantel besteht aus Silikatgesteinen , die reicher an Eisen und Magnesium sind als die darüber liegende Kruste. [ 27 ] Obwohl der Mantel fest ist, kann sein extrem heißes Silikatmaterial über sehr lange Zeiträume fließen . [ 28 ] Die Konvektion des Mantels treibt die Bewegung der tektonischen Platten in der Erdkruste an. Die Wärmequelle dieser Bewegung ist der Zerfall radioaktiver Isotope in Erdkruste und -mantel, kombiniert mit der anfänglichen Wärme aus der Planetenentstehung [ 29 ] (aus der potenziellen Energie, die beim Kollaps einer großen Materiemenge in einem Gravitationsfeld freigesetzt wurde , und der kinetischen Energie der akkretierten Materie).

Aufgrund des zunehmenden Drucks in tieferen Erdschichten fließt der untere Teil des Mantels weniger leicht, wobei chemische Veränderungen innerhalb des Mantels ebenfalls eine Rolle spielen dürften. Die Viskosität des Mantels liegt zwischen 10 <sup>21</sup> und 10<sup> 24 </sup> Pascal-Sekunden und nimmt mit der Tiefe zu. [ 30 ] Zum Vergleich: Die Viskosität von Wasser bei 300 K (27 °C; 80 °F) beträgt 0,89 Millipascal-Sekunden [ 31 ] und die von Pech (2,3 ± 0,5) × 10<sup> 8 </sup> Pascal-Sekunden. [ 32 ]

Kern

Ein Diagramm des Geodynamos und des Magnetfelds der Erde, die in der Frühgeschichte der Erde durch die Kristallisation von Magnesiumoxid, Siliziumdioxid und Eisen(II)-oxid entstanden sein könnten. Die Konvektion des äußeren Erdkerns ist neben den Magnetfeldlinien dargestellt.
Ein Diagramm des Geodynamos und des Magnetfelds der Erde, die in der Frühgeschichte der Erde durch die Kristallisation von Magnesiumoxid , Siliziumdioxid und Eisen(II)-oxid entstanden sein könnten.

Der äußere Erdkern ist eine flüssige Schicht mit einer Höhe von etwa 2.260 km (1.400 Meilen) (d. h. Entfernung vom höchsten zum niedrigsten Punkt am Rand des inneren Kerns) [36 % des Erdradius, 15,6 % des Volumens]. Er besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel und liegt über dem festen inneren Erdkern und unter dem Erdmantel . [ 33 ] Seine äußere Grenze befindet sich 2.890 km (1.800 Meilen) unter der Erdoberfläche. Der Übergang zwischen innerem und äußerem Kern liegt etwa 5.150 km (3.200 Meilen) unter der Erdoberfläche. Der innere Erdkern ist die innerste geologische Schicht des Planeten Erde . Er ist im Wesentlichen eine feste Kugel mit einem Radius von etwa 1.220 km (760 Meilen), was etwa 19 % des Erdradius [0,7 % des Volumens] oder 70 % des Mondradius entspricht . [ 34 ] [ 35 ]

Der innere Erdkern wurde 1936 von Inge Lehmann entdeckt und besteht hauptsächlich aus Eisen und etwas Nickel. Da diese Schicht Scherwellen (seismische Transversalwellen) übertragen kann, muss sie fest sein. Experimentelle Befunde standen mitunter im Widerspruch zu den gängigen Kristallmodellen des Erdkerns. [ 36 ] Andere experimentelle Studien zeigen eine Diskrepanz unter hohem Druck: Untersuchungen mit Diamantstempelzellen (statisch) bei Kerndrücken ergaben Schmelztemperaturen, die etwa 2000 K unter denen von Stoßwellenlaser-Untersuchungen (dynamisch) liegen. [ 37 ] [ 38 ] Bei den Laseruntersuchungen wird Plasma erzeugt, [ 39 ] und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bestimmung der Bedingungen im inneren Erdkern davon abhängt, ob es sich um einen Festkörper oder um ein Plasma mit der Dichte eines Festkörpers handelt. Dies ist Gegenstand aktueller Forschung.

In den frühen Stadien der Erdentstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren führte das Aufschmelzen des Gesteins dazu, dass dichtere Substanzen im Zuge der planetaren Differenzierung (siehe auch die Eisenkatastrophe ) zum Erdmittelpunkt sanken, während weniger dichte Materialien in die Kruste wanderten . Der Erdkern besteht daher vermutlich größtenteils aus Eisen (80 %), Nickel und einem oder mehreren leichten Elementen. Andere dichte Elemente wie Blei und Uran sind entweder zu selten, um eine bedeutende Rolle zu spielen, oder sie binden sich an leichtere Elemente und verbleiben somit in der Kruste (siehe felsische Materialien ). Einige Forscher vermuten, dass der innere Kern aus einem einzigen Eisenkristall bestehen könnte . [ 40 ] [ 41 ]

Unter Laborbedingungen wurde eine Probe einer Eisen-Nickel-Legierung durch Einspannen in einen Schraubstock zwischen zwei Diamantspitzen ( Diamantstempelzelle ) und anschließendes Erhitzen auf etwa 4000 K einem kernähnlichen Druck ausgesetzt. Die Probe wurde mit Röntgenstrahlen untersucht und stützte nachdrücklich die Theorie, dass der Erdkern aus riesigen, von Norden nach Süden verlaufenden Kristallen besteht. [ 42 ] [ 43 ]

Die Zusammensetzung der Erde weist starke Ähnlichkeiten mit der bestimmter Chondriten und sogar mit einigen Elementen im äußeren Bereich der Sonne auf. [ 44 ] [ 45 ] Bereits ab 1940 bauten Wissenschaftler, darunter Francis Birch , die Geophysik auf der Annahme auf, dass die Erde gewöhnlichen Chondriten ähnelt, der häufigsten Meteoritenart, die auf der Erde beobachtet wird. Dabei werden die weniger häufigen Enstatit- Chondrite außer Acht gelassen, die sich unter extrem begrenztem Sauerstoffangebot bildeten, wodurch bestimmte normalerweise sauerstoffliebende Elemente teilweise oder vollständig in der Legierungskomponente vorliegen, die dem Erdkern entspricht.

Die Dynamotheorie besagt, dass die Konvektion im äußeren Erdkern in Kombination mit dem Coriolis-Effekt das Erdmagnetfeld erzeugt . Der feste innere Kern ist zu heiß, um ein permanentes Magnetfeld aufrechtzuerhalten (siehe Curie-Temperatur ), stabilisiert aber wahrscheinlich das vom flüssigen äußeren Kern erzeugte Magnetfeld. Das durchschnittliche Magnetfeld im äußeren Erdkern wird auf 2,5 Millitesla (25 Gauß) geschätzt und ist damit 50-mal stärker als das Magnetfeld an der Erdoberfläche. [ 46 ]

Das vom Kernfluss erzeugte Magnetfeld ist essenziell, um Leben vor interplanetarer Strahlung zu schützen und die Auflösung der Atmosphäre im Sonnenwind zu verhindern . Die Abkühlungsrate durch Wärmeleitung und Konvektion ist unsicher [ 47 ] , aber Schätzungen zufolge wird der Kern voraussichtlich erst in etwa 91 Milliarden Jahren gefrieren. Dies liegt weit darüber hinaus, nachdem die Sonne voraussichtlich expandiert, die Planetenoberfläche sterilisiert und schließlich erloschen ist. [ 48 ]

Seismologie

Die Schichtung der Erde wurde indirekt anhand der Laufzeiten gebrochener und reflektierter seismischer Wellen, die durch Erdbeben entstehen, ermittelt. Der Erdkern lässt Scherwellen nicht durch, während sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit ( seismische Geschwindigkeit ) in den verschiedenen Schichten unterscheidet. Die Unterschiede in der seismischen Geschwindigkeit zwischen den Schichten führen gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz zur Brechung , ähnlich der Lichtbrechung an einem Prisma. Ebenso entstehen Reflexionen durch eine starke Erhöhung der seismischen Geschwindigkeit und ähneln der Lichtreflexion an einem Spiegel.

See also

References

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Weiterführende Literatur