Welche Schichten gibt es auf der Erde?

Grundsätzlich hat die Erde vier Schichten: die feste Kruste außen, den Erdmantel und den Erdkern – aufgeteilt in den äußeren und den inneren Erdkern.

Die Kruste

Die Kruste ist alles, was wir direkt sehen und untersuchen können. Als dünnste Schicht der Erde misst die Kruste im Durchschnitt immer noch etwa 40 km und reicht von 5 bis 70 km in die Tiefe. Aber in der Größenordnung des Planeten ist das weniger als die Schale eines Apfels.

Es gibt zwei Arten von Kruste: kontinentale und ozeanische Kruste. Die ozeanische Kruste befindet sich auf dem Grund der Ozeane oder unter der kontinentalen Kruste; sie ist im Allgemeinen härter und tiefer und besteht aus dichteren Gesteinen wie Basalt, während die kontinentale Kruste granitartige Gesteine und Sedimente enthält. Die kontinentale Kruste ist an Land dicker.

Die Kruste ist nicht ein einziges starres Gebilde, sondern in mehrere tektonische Platten unterteilt. Diese tektonischen Platten sind nicht ortsfest, sondern befinden sich in relativer Bewegung zueinander. Je nach Beziehung und geologischem Umfeld gibt es drei Arten von tektonischen Plattengrenzen: konvergent (sich aufeinander zubewegend), divergent (sich voneinander wegbewegend) und transformant (sich seitlich bewegend).

Diese Platten „schwimmen“ auf dem weichen, plastischen oberen Erdmantel.

Der Erdmantel

Der Erdmantel erstreckt sich 2.890 km in die Tiefe und ist damit die dickste Schicht der Erde. Er macht etwa 84 % des Erdvolumens aus. Alles, was wir über den Erdmantel wissen, wissen wir indirekt, da es keiner menschlichen Studie gelungen ist, über die Erdkruste hinauszugehen. Das meiste, was wir über den Erdmantel wissen, wissen wir aus seismologischen Studien (mehr dazu später).

Der Erdmantel wird auch in mehrere Schichten unterteilt, die auf seismologischen Eigenschaften beruhen. Der obere Mantel erstreckt sich vom Ende der Kruste bis etwa 670 km. Obwohl dieser Bereich als zähflüssig gilt, kann man auch davon ausgehen, dass er aus Gestein besteht – genauer gesagt aus einem Gestein namens Peridotit. Darunter erstreckt sich der untere Mantel von 670 bis fast 2900 km unter der Oberfläche.

Es ist inzwischen allgemein anerkannt, dass sich der Mantel nicht in einem stabilen Zustand befindet, sondern vielmehr in ständiger Bewegung. Es gibt eine allgemeine konvektive Zirkulation, bei der heißes Material zur Oberfläche aufsteigt und kühleres Material in die Tiefe geht. Es wird allgemein angenommen, dass diese Konvektion tatsächlich die Zirkulation der Plattentektonik in der Kruste steuert.

Die meisten Erdbeben entstehen an der Oberfläche, in der Kruste; wenn sich die Platten absenken und ziehen, entsteht Spannung, und wenn diese Spannung nachlässt oder etwas bricht, kommt es zu einem Erdbeben. Erdbeben können jedoch auch im Erdmantel entstehen, und bei diesen Drücken kann man unmöglich von Verwerfungen und Brüchen sprechen. In Subduktionsgebieten, wo sich eine Ebene unter eine andere schiebt, wurden Erdbeben in einer Tiefe von bis zu 670 km beobachtet. Der Mechanismus dieser Erdbeben ist noch nicht ganz geklärt, aber eine der Theorien besagt, dass einige Mineralien von einem Zustand in einen anderen übergehen und dabei ihr Volumen verändern. Diese Volumenveränderung kann zu Erdbeben führen.

Doch wir kommen dem Verständnis des Erdmantels immer näher – auch wenn wir ihn nicht erreichen. In jüngster Zeit sind Forscher nahe daran, die hohe Temperatur und den hohen Druck im Mantel zu reproduzieren, und auch hochentwickelte Computermodelle enthüllen einige seiner Geheimnisse.

Der Kern

Manchmal bezeichnen wir den Kern als eine Einheit, obwohl der innere Kern und der äußere Kern grundsätzlich verschieden sind – keine Schichten derselben Sache. Der „feste“ innere Kern hat einen Radius von ~1.220 km, während der „flüssige“ äußere Kern sich bis zu einem Radius von ~3.400 km erstreckt.

Warte mal, wenn wir nicht in den Mantel gehen können, wie können wir dann wissen, dass einer fest ist und einer nicht? Nun, die Antwort ist nach wie vor dieselbe: seismische Wellen (wir sind fast da).

Der innere Kern

Die Temperaturen und Drücke des inneren Kerns sind absolut extrem, bei etwa 5.400 °C (9.800 °F) und 330 bis 360 Gigapascal (3.300.000 bis 3.600.000 atm).

Es wird allgemein angenommen, dass der innere Kern sehr langsam wächst – während der Kern abkühlt, verfestigt sich mehr vom äußeren Kern und wird Teil des inneren Kerns. Die Abkühlungsrate ist mit etwa 100 Grad Celsius pro Milliarde Jahre sehr gering. Man nimmt jedoch an, dass selbst dieses langsame Wachstum einen bedeutenden Einfluss auf die Erzeugung des Erdmagnetfeldes durch die Dynamowirkung im flüssigen äußeren Kern hat.

Interessanterweise scheint der innere Kern auf der Ost-West-Linie asymmetrisch zu sein. Es gibt ein Modell, das diese Asymmetrie mit Schmelzen auf der einen Seite und Kristallisation auf der anderen Seite erklärt. Diese Anomalie wirkt sich wahrscheinlich auch auf das Erdmagnetfeld aus und erzeugt eine Asymmetrie auf der kristallisierenden Seite.

Der äußere Kern

Der äußere Kern ist eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität (etwa das Zehnfache der Viskosität von flüssigen Metallen an der Oberfläche) – „flüssig“ ist ein eher unpassender Begriff. Aufgrund seiner sehr geringen Viskosität ist er leicht verformbar und formbar. Es ist der Ort heftiger Konvektion. Es wird auch angenommen, dass dort sehr heftige Konvektionsströme herrschen – und wissen Sie was? Die Umwälzung des äußeren Kerns und seine relative Bewegung sind für das Magnetfeld der Erde verantwortlich.

Der heißeste Teil des äußeren Kerns ist tatsächlich heißer als der innere Kern; die Temperaturen können 6.000° Celsius (10.800° Fahrenheit) erreichen – so heiß wie die Oberfläche der Sonne.

Wie wir die Erdschichten kennen

Wir können nur sehr kleine Teile der Erdkruste sehen, die wiederum nur einen kleinen Teil unseres Planeten ausmacht – wie können wir also all diese Dinge wissen?

Die beste Informationsquelle, die wir haben, sind seismische Wellen. Bei einem Erdbeben werden Druckwellen freigesetzt, die sich dann über den gesamten Planeten ausbreiten. Diese Wellen tragen Informationen aus den Schichten mit sich, die sie durchlaufen – einschließlich des Erdmantels und des Erdkerns. Indem wir die Ausbreitung von Wellen durch die Erde untersuchen, können wir etwas über die physikalischen Eigenschaften des Erdinneren erfahren. Einige Wellen breiten sich beispielsweise nur durch feste Medien aus, während andere sich sowohl durch feste als auch durch flüssige Medien ausbreiten – sie können also zeigen, ob eine Schicht fest ist oder nicht. Durch die Analyse mehrerer Erdbeben, die an verschiedenen seismischen Stationen aufgezeichnet wurden, können wir eine CAT-Scan-ähnliche Analyse eines Gebiets erstellen.

Strahlen werden je nach den Eigenschaften der Umgebung, die sie durchlaufen, gebeugt und reflektiert, und auch die Geschwindigkeit der Welle wird von der Umgebung beeinflusst.

Außerdem haben moderne Simulationen im Labor gezeigt, wie sich Mineralien wahrscheinlich bei diesen Temperaturen und Drücken verhalten, und wir haben auch indirekte gravitative und magnetische Informationen sowie Studien über Magma und Kristalle, die an der Oberfläche gefunden wurden – aber der Großteil der Informationen stammt aus der globalen Seismologie. Es ist einfach erstaunlich, dass wir so viel über die Schichten der Erde wissen können, ohne auch nur in die Nähe der Erde zu kommen.