Planetenweg: Erde

Text: Thomas Meltz, Jürgen Volpp, Starkenburg-Sternwarte e.V.

Geschichte und Entwicklungsphasen

Die Erde entstand mit der Sonne und den anderen Planeten vor ca. 4,6 Milliarden Jahren aus einer riesigen Gas- und Staubwolke, gelegentlich Urnebel genannt. Das Alter der Erde wurde aus Gestein mit Hilfe der radioaktiven Uran-Zerfallsreihe aus dem Verhältnis von Uran zu Blei bestimmt. Die Erde ist der einzige Planet, von dem wir wissen, dass es Leben gibt.

Orbit und Himmelsmechanik

Die Erde ist wie Merkur, Venus und Mars ein Gesteinsplanet. Sie ist von der Sonne aus der dritte Planet. Das astronomische Symbol für die Erde ist ♁.

Der Erdorbit um die Sonne hat eine große Halbachse mit 149,6 Mio. km. Diese Größe definiert die vielbenutzte Astronomische Einheit (AE). Der Orbit hat keine ideale Kreisform. Seine Exzentrizität (*) beträgt ε=0,0167. Der sonnenfernste Punkt, das Aphel, liegt in 1,017 AE Entfernung zur Sonne und der sonnennächste, das Perihel, hat 0,983 AE Abstand zur Sonne.

Für eine Umrundung der Sonne benötigt die Erde ein siderisches(**) Jahr, das sind 365 Tage + 6,1 Stunden. Nach vier Umrundungen haben sich diese 6,1 Stunden zu einem Tag summiert. Damit sich die Jahreszeit nicht allmählich gegen den Kalender verschiebt, wird alle 4 Jahre ein Schalttag eingefügt.

 (*) Ein Kreis hat die Exzentrizität ε=0. Alle elliptischen Orbits haben ε<1 und sind an die Sonne gebunden. Der Grenzfall ist eine parabolische Flugbahn mit ε=1. Ein solcher Himmelskörper verlässt das Anziehungsfeld der Sonne genauso wie all die, die auf einer hyperbolischen Bahn (ε>1) von außerhalb des Sonnensystems auftauchen und es dann wieder verlassen.

(**) Siderisches Jahr bedeutet, dass die Erde bezüglich der Sonne die gleiche Stellung vor dem Fixsternhimmel hat.

Bezogen auf einen Fixstern rotiert die Erde in 23 h 56 min 4 s um ihre Achse. In dieser Zeit bewegt sie sich auf ihrer Bahn um die Sonne ein Stück weiter. Deswegen dauert die Rotation 4 Minuten länger, nämlich 24 Stunden (1 Tag), wenn man den Durchgang der Sonne durch den Meridian als Bezug nimmt.

Die Rotationsachse der Erde ist um 23°26´gegen ihre Bahnebene geneigt. Dies ist der Grund für die vier Jahreszeiten (Abb. 1). Obwohl die Erde sich am 2. Januar im Perihel näher an der Sonne befindet, ist es auf der Nordhalbkugel Winter. Im Dezember/Januar ist der Nordpol von der Sonne weg geneigt. Im Juni/Juli (Sommer) bekommt die Nordhalbkugel mehr Sonnenlicht ab, z.B. der Nordpol ist ganztägig beleuchtet.

Präzession und Nutation 

Die Erdachse zeigt in diesem Jahrhundert ziemlich genau zum Polarstern. Dies war nicht immer so. Die Erde ist keine exakte Kugel, sondern hat einen kleinen Äquatorwulst. Dort wirken Anziehungskräfte von Sonne und Mond, die versuchen, die Erdachse aufzurichten. Dies lässt die Erdachse einmal in ca. 25.800 Jahren auf einem Kegelmantel umlaufen. Man nennt dies Präzession. Zusätzlich verursacht die Mondbahn eine Nickbewegung der Achse, die sogenannte Nutation, mit einer Periode von 18,6 Jahren. Abb. 2 zeigt schematisch die kreisförmige Präzession und die ihr überlagerte Nutation als Wellenlinie.

Größe und Aufbau

Die Erde ist der größte der vier Gesteinsplaneten. Ihr Durchmesser am Äquator ist mit 12.756 km etwas größer als der Poldurchmesser mit 12.713 km. (Der Schwesterplanet Venus ist nur 600 km kleiner.)

Die Erde ist der dichteste aller Planeten im Sonnensystem. Ihre mittlere Dichte beträgt 5,5 g/cm³. Ein Grund dafür könnte die Entstehung des Mondes sein. Nach der Theia-Theorie streifte in der Frühphase der Planetenbildung ein marsähnlicher Himmelkörper die junge Protoerde. Die Eisenkerne von beiden verschmolzen. Aus dem ringförmigen Trümmerfeld des ins All geschleuderten Mantelmaterials bildete sich später der Mond. Seine mittlere Dichte beträgt nur 3,3 g/cm³.

Die Erde hat einen schalenförmigen Aufbau, (Abb.3). Die Übergänge sind fließend. Die oberste Schicht, die Erdkruste, ist zwischen 35 und 100 km dick. Sie ist fest. Die fünf häufigsten Elemente sind hier Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Eisen und Kalzium. Diese Schicht unterliegt der Plattentektonik. Darunter reicht die zähflüssige Gesteinsschmelze (Magma) des Erdmantels bis in Tiefen von 2700 – 2900 km. Während im oberen Bereich bis etwa 900 – 1000 km Tiefe die häufigsten Elemente Silizium und Magnesium vorkommen, wird der untere Bereich aus Magnesium/Eisen und deren Metalloxiden gebildet. Die Verflüssigung des Gesteins durch die hohen Temperaturen führte im Laufe der Erdgeschichte zur Trennung der leichten von den schweren Elementen. Deswegen findet man im äußeren und inneren Erdkern bis zum Erdmittelpunkt in ca. 6370 km Tiefe vor allem Eisen und Nickel. Mit zunehmender Tiefe steigen Druck und Temperatur an. Bei 80 – 100 km Tiefe (~1200°C – ~1500°C) ist der Übergang von fest zu plastisch, ab 200 – 300 km Tiefe (~1500°C – ~2000°C) von plastisch zu flüssig. Ab einer Tiefe von ~5000 km  bis zum Erdmittelpunkt (Temperatur von ~3000°C bis ~6000°C ansteigend) wird der Erdkern als fest oder als stark zähflüssig (Schmelze) in der Literatur beschrieben. Eine Ursache der hohen Temperaturen im Innern ist die Zerfallswärme radioaktiver Isotope.

Oberfläche

Die Oberfläche der Erde besteht aus drei Sphären: der Gesteinshülle (Lithosphäre), der Wasserhülle (Hydrosphäre) mit den Ozeanen und der Biosphäre. Die Ozeane bedecken ca. 71% der Oberfläche (361 Mio. km²), die Kontinente die restlichen 29% (149 Mio. km²). Die mittlere Tiefe der Ozeane ist 3.990 m, die tiefste Stelle ist im Marianen Tiefseegraben bei etwa 11.000 m unter dem Meeresspiegel. Die mittlere Erhebung der Landmasse beträgt 860 m, der Mount Everest ist die höchste Erhebung mit 8.848 m.

Die Erde ist der einzige bekannte Planet, auf dessen Oberfläche es flüssiges Wasser und vor allem eine Biosphäre gibt (Abb. 4a,b).

 

 

 

 

 

Die Herkunft des Wasser auf der Erde ist noch nicht ganz geklärt. Ein Teil wurde sicher beim Erhitzen von Gestein im Erdinnern ausgetrieben. Der Eintrag über wasserreiche Asteroiden und Kometen ist auch eine Möglichkeit. Jedoch zeigten die Analysen des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko, dass das Isotopenverhältnis von Wasser dieses Kometentyps nicht identisch ist mit dem der Erdozeane.Die Temperatur an der Erdoberfläche wird bestimmt durch den Abstand zur Sonne, den Einstrahlungswinkel auf die Oberfläche, das Albedo und die Gase der Atmosphäre, die für die langwellige Wärmestrahlung (Infrarot) wenig transparent sind. Ohne diese sogenannten Treibhausgase wäre die jahreszeitliche mittlere Oberflächentemperatur ca. -18 °C (minus!), verglichen zu den tatsächlichen +14 °C (plus).  Die gemessene Temperaturspanne auf der Erdoberfläche reicht von -89 °C bis +57 °C.

Biosphäre

Wissenschaftlich ist die Entstehung des Lebens noch nicht geklärt. Vermutungen reichen von Kometen, die organisches Material auf die Erde gebracht haben, bis zur Entstehung von Einzellern im Ozean. In Staubwolken der Milchstraße wurden schon komplexe Moleküle und in einem Kometen sogar Aminosäuren nachgewiesen. Eine favorisierte Theorie ist, dass in heißen Schloten in der Tiefsee Leben entstand. Dort steht genügend Energie und eine große Palette an verschieden Elementen zur Verfügung.

Gesichert ist, dass versteinerte Stoffwechselprodukte von Mikroorganismen (sog. Mikrobenmatten) vor ca. 3.450 Millionen Jahren die ersten Riffe bildeten. Fast 3.000 Mio. Jahre später, vor ca. 540 Mio. Jahren kam es zur kambrischen Artenexplosion. Innerhalb weniger Millionen Jahre tauchten die ersten Vertreter fast aller Tierarten auf. Das letzte von insgesamt fünf großen Extinktionsereignissen (Massenaussterben von Arten) war vor 66 Mio. Jahren, als mit großer Wahrscheinlichkeit ein 14 km großer Asteroid auf der jetzigen Halbinsel Yukatán einschlug. Es markiert die Kreide-Paläogen-Grenze (früher Kreide-Tertiär-Grenze genannt). Erst danach entwickelte sich die Tier-und Pflanzenwelt wie wir sie heute kennen. Das Aussterben der Saurier führte zu einem Evolutionsschub der Säugetiere, die nun viele freie ökologische Nischen besetzen und sich dann stark ausbreiten konnten. Die Gattung Homo, zu welcher der anatomisch moderne Mensch gehört, entwickelte sich erst vor ca. 2,5 Mio. Jahren. Inzwischen hat das sechste große globale Artensterben begonnen, diesmal ausgelöst durch menschliche Aktivitäten.

 

Atmosphäre

Die Atmosphäre ist eine gasförmige Hülle der Erde, die bis ~600 km hoch reicht. Die Grenze zum Weltraum ist fließend und wurde international als Kármán-Linie in 100 km Höhe festgelegt. Der Atmosphärendruck auf Nullniveau beträgt 1,014 bar. Die Dichte nimmt exponentiell nach oben ab. Die Atmosphäre hat sich im Laufe der Erdgeschichte stark verändert. Sie steht mit der Erdkruste über Verwitterung und Vulkanismus, mit den Ozeanen über Gasaustausch und mit der Biosphäre durch Photosynthese und Verwesung in ständigem Austausch.

Die Cyanobakterien der Biosphäre begannen vor 600 Mio. Jahren die sauerstoffarme Atmosphäre umzuwandeln. Nach ca. 300 Mio. Jahren war der Sauerstoffgehalt auf 20% angestiegen. Die augenblickliche Zusammensetzung der Atmosphäre ist ca. 78% Stickstoff, 20,8% Sauerstoff, 0,93% Argon, 0,25 – 0,4% Wasserdampf (variierend) und klimawirksame Spurengase wie Kohlendioxid (0,042%, steigend), Methan, Stickoxide und Ozon.

Wie oben erwähnt verursachen ca. 0,3% Treibhausgase eine Temperaturerhöhung um 32 Grad. Den größten Einfluss hat dabei der Wasserdampf. Er allein erhöht die Temperatur um ca.18 Grad. Die restlichen 14 Grad Temperaturerhöhung werden von nur 0,04% der Atmosphärengase (Kohlendioxid, Methan, Stickoxide, Ozon) verursacht. Die Atmosphäre der Venus demonstriert in beeindruckendem Maße die Wirkung von Kohlendioxid als Treibhausgas.

Die Atmosphäre schützt das Leben vor Strahlung aus dem Weltraum. Zum Beispiel absorbiert die Ozonschicht zwischen 15 und 25 km Höhe den Großteil des UV-Lichts der Sonne. Der atmosphärische Schutz gegen die hochenergetische kosmische Strahlung entspricht einer 1,4 m dicken Eisenplatte (!).

Magnetfeld

Nach der Dynamotheorie erzeugt das flüssige Eisen um den festen Kern ein Magnetfeld. Es ist ein Dipolfeld, dessen Achse nicht mit der Erdachse zusammenfällt. Die genauen Zusammenhänge sind nicht vollständig verstanden, insbesondere die zeitlichen Änderungen. Der arktische Magnetpol wanderte die letzten 100 Jahre von Kanada aus nach Nordwesten, zur Zeit mit 30 km/Jahr. Die Magnetfeldstärke änderte sich über die Jahrtausende. Im Schnitt traten alle 250.000 Jahre Umpolungen statt. Der letzte „Polsprung“ war von 750.000 Jahren.

Das Erdmagnetfeld erstreckt sich weit in das Weltall und bildet die Magnetosphäre. Sie wirkt als äußerer Schutzschirm der Erde gegen elektrisch geladene Teilchen aus dem Weltraum. Der Sonnenwind ist eine Mischung (Plasma) aus schnellen geladenen Teilchen (Protonen, Elektronen, Heliumkernen) und neutralem Wasserstoff und Helium. Das Magnetfeld verhindert, dass der Sonnenwind in größerem Maße die Atmosphäre zerstört und die Bruchstücke in den Weltraum mitreißt. Außerdem verhindert es, dass die lebensgefährliche Strahlung bis zur Oberfläche dringt.

Auf der sonnenzugewandten Seite pressen das interplanetare Magnetfeld der Sonne und der Sonnenwind die Magnetosphäre auf ca.100.000 km zusammen, auf der sonnenabgewandten Seite reicht ihr Magnetschweif bis über die Mondbahn hinaus (Abb. 5).

Elektronen und Ionen, die in die Magnetsphäre eingedrungen sind, werden zum Teil in dem Magnetfeld der Erde gefangen und bilden den Van-Allen-Gürtel (Abb. 6). Dieser besteht aus zwei ringförmigen Zonen in unterschiedlicher Höhe und Breite über dem Erdäquator:

– Die innere Zone (700 km – 6000 km) enthält hauptsächlich hochenergetische Protonen.

– In der äußeren Zone (16.000 km – 58.000 km) sind überwiegend Elektronen gefangen.

 

 

 

 

 

 

 Der Mond

Der Erdmond ist mit seinen 3480 km Durchmesser der fünftgrößte Mond im Sonnensystem. Die Entstehung des Mondes aus einem Trümmerfeld nach einer Asteroidenkollision mit der Erde (Theia Hypothese) wurde im obigen Kapitel „Größe und Aufbau“ erwähnt. Das obere Mondgestein hat ein Alter von ca. 4,53 Mrd. Jahren und eine nahezu identische Isotopenzusammensetzung wie das der Erdkruste. Der Mond nimmt wegen seiner relativen Größe eine Sonderstellung ein. Der gemeinsame Schwerpunkt (das Baryzentrum) von Erde und Mond liegt ca. 4.700 km vom Erdmittelpunkt entfernt. Das Verhältnis Erd- zu Mondmasse ist nur 81:1. Die Massenverhältnisse für Jupiter oder Saturn zu ihren Monden liegt  über 20.000:1 (außer bei Titan mit 4200:1).

Die Oberflächentemperatur ist im Mittel -55 °C. Das ist kälter als die -18 °C, welche die Erde ohne ihre Atmosphäre hätte (siehe oben). Der Grund liegt in der langsamen Rotation des Mondes von 29,5 Tagen bezüglich der Sonne. Die Oberfläche strahlt nachts mehr ab als sie Wärme auf der Tagseite empfängt, da dort die Temperatur bei +130 °C in die Sättigung geht.

Die mittlere Entfernung Erde-Mond ist 384.000 km. Ihre Variation zwischen 356.400 km und 406.700 km kann man an den unterschiedlichen Vollmondgrößen beobachten. Der Mond entfernt sich mit 3,8 cm/Jahr allmählich von der Erde. Die Neigung der Mondbahnebene gegen die Ekliptik beträgt 5,15°.

Die wichtigsten astronomischen Einflüsse des Mondes auf die Erde sind:

– Gezeitenwirkung der Ozeane mit Ebbe und Flut,

– Taumelbewegung der Erdachse (siehe obigen Absatz über Präzession und Nutation),

– gleichzeitig stabilisiert er die Erdrotationsachse, indem er verhindert, dass der Einfluss von Jupiter und Saturn die Erdachse um bis zu 85 Grad kippt.

 

Erforschung der Erde durch Raumsonden

Auch die Erde wird mit Raumsonden erforscht. In diesem Fall spricht man von Satelliten. Diese erlauben einen globalen Ansatz der Erforschung von Ozeanen, Eisdecken, Atmosphäre, Biosphäre, Erdkruste und Magnetosphäre.

• Der Meeresspiegelanstieg wird seit Jahrzehnten gemessen und die Veränderung der globalen Eisbedeckung beobachtet.
• Messungen der Windfelder über den Ozeanen erlauben Rückschlüsse auf den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre, ein wichtiger Aspekt in der Klimaforschung.
• Messungen von Abgasen über Ballungsgebieten und entlang von Verkehrswegen (wie Schifffahrtsrouten) geben wichtige Hinweise für politisches Handeln.
• Die Erfassung der globalen Veränderung der Biosphäre ist möglich.
• Mit Radarsatelliten lassen sich im Zentimeterbereich die Bewegung von Kontinentalplatten und das Anheben von Vulkanhängen beobachten.
• Der hochempfindliche GOCE Satellit vermaß die regionalen Variationen des Erdschwerefeldes, die einen großen Einfluss auf Meeresströmungen haben.
• Drei SWARM Satelliten vermessen das Magnetfeld in Stärke, Orientierung und zeitlicher Veränderung im erdnahen Raum bis 500 km Höhe.
• Zwischen 10.000 km und 130.000 km Höhe erforscht seit über 20 Jahren eine Flotte von vier Satelliten   (Cluster) die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der Magnetosphäre.

 

Quellen und weiterführende Informationen/Links

• Störig, Hans Joachim: Knaurs Moderne Astronomie: das Standardwerk völlig neu bearbeitet;
 Hans Joachim Störig – München: Droemer Knaur, 1992
• Bernhard, Lindner, Schukowski: Wissensspeicher Astronomie; 2. Auflage, Ausgabe 1988;
 Volk und Wissen Volkseigener Verlag, Berlin 1986
• https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Häufigkeiten_chemischer_Elemente#Häufigkeiten_auf_der_Erde
• Elementhäufigkeiten: http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/gebhardt/gebhardt_files/skripten/HaeufigkeitElemente.pdf
• https://de.wikipedia.org/wiki/Kambrische_Explosion
• https://de.wikipedia.org/wiki/Evolution_der_Säugetiere
• https://de.wikipedia.org/wiki/Erde
• https://de.wikipedia.org/wiki/Ozonschicht
• https://de.wikipedia.org/wiki/Gravity_field_and_steady-state_ocean_circulation_explorer
• https://de.wikipedia.org/wiki/SWARM

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