Erde

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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.

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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).

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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 Mohorovičić-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.

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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.