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Oberhessische
Naturwissenschaftliche
Zeitschrift

Umweltmechanismen der Erde
Blick in Raum und Zeit

von H. D. Pflug1

Übersicht

Die Stoffkreisläufe der Erde stehen unter dem Einfluss externer Gezeitenkräfte. Diese haben zyklischen Charakter, und ihr Auftreten ist mit wesentlichen Umweltänderungen verbunden. Zum Phänomen gibt es neue Erkenntnisse, die in der Literatur weit gestreut sind. Ich habe versucht die einschlägigen Daten zu sammeln und zu einem Bild zu ordnen. Zusätzliche Deutungen findet man in der zitierten Literatur. Aus Platzgründen konnten nur die wichtigsten Titel aufgenommen werden.

Schlüsselworte: Umweltgeschichte, Geodynamik, Kosmophysik.

1) Anschrift des Verfassers: Prof. Dr. Dr.-Ing. Hans D. Pflug, Institut für Angewandte Geowissenschaften der Justus-Liebig-Universität Gießen, Diezstraße 15, D-35392 Gießen

Hydrosphärische Grundprozesse

Prognosen zufolge ist mit einem Anstieg des Meeresspiegels zu rechnen, falls sich die Atmosphäre künftig weiter erwärmt. Abschmelzen der heutigen Gletscher soll den Meeresspiegel um schätzungsweise 60 Meter anheben, - andere Einflüsse unberücksichtigt. Merkwürdigerweise ist in der geologischen Überlieferung dieser Zusammenhang zwischen Klima und Meeresspiegel nicht erkennbar. In der Oberkreide stieg der Pegel auf 500 Meter über heutigem Niveau, ohne dass es irgendwo abschmelzende Gletscher gab. In der Trias sank der Pegel auf den tiefsten Stand seiner überlieferten Geschichte, aber die Erde war völlig eisfrei. Im mittleren Ordoviz war die Erde vergletschert, zeitweilig bis nach Nordafrika hinein, aber gleichzeitig erreichte der Meeresspiegel den höchsten Stand seiner überlieferten Geschichte. Mit dem Klima können die Schwankungen also nichts zu tun haben, die Ursachen müssen woanders liegen.

Die Ozeane stehen im Wasseraustausch mit dem Erdinneren, wobei ständig große Mengen in die Tiefe absinken, zusammen mit dem Sediment und darin als Hydrat gebunden. Dem Weltmeer wird Wasser entzogen, wenn wasserhaltiges Gestein ins Erdinnere verschwindet, und Wasser wird von dort zurückgeführt, wenn wasserhaltiges Magma austritt. Jeder Verlust muss durch entsprechende Aufwärtsströme kompensiert werden. So sind die Ozeane vom ständigen Nachschub aus der Tiefe abhängig. Sie würden ohne dem trocken fallen, in weniger als einer Jahrmillion. Verschwindet mehr Wasser als ergänzt wird, beginnt der Meeresspiegel zu sinken. Er kann schließlich Tiefstand erreichen, wie in der Triaskrise ( THOMPSON 1992, SHMULOVICH et al. 1995).

Der Wasserkreislauf reicht mit einem tiefen Ast bis in den unteren Erdmantel hinein, wo Schmelzflüsse den Transport der Stoffe übernehmen (Abb.1). Diese Zirkulation vollzieht sich deutlich langsamer, braucht vielleicht hundert Millionen Jahre für einen Umlauf von der Erdoberfläche in die Tiefe und zurück. Aber die dabei umgesetzten Stoffmengen sind gewaltig, und die aus der Tiefe hervorgebrachten Stoffmengen sind unverhältnismäßig größer als das, was Hydrosphäre und Atmosphäre speichern können. Die Stoffe müssen also wieder in den Untergrund zurück, geförderte und rückgelieferte Mengen stehen in ständigem Gleichgewicht (WOLERY & SLEEP 1988 VAN DER HILST et al. 1997).

Abb. 1: Profilschnitt durch die Erde. Die Erdkruste ist im vorliegenden Maßstab unsichtbar. Nach Jacob, 1996

Offenbar ist der größte Teil des irdischen Wassers nicht in den Ozeanen enthalten, sondern im Erdinneren gespeichert, in den "anhydridischen" Mineralien wie Olivinen, Pyroxenen, Granaten. Diese nehmen unter den im Erdinneren herrschenden hohen Drucken Hydroxyl-Gruppen in ihr Gitter auf, bis zu 0,1 Gewichtsprozent. Insgesamt addiert sich das zu einer gewaltigen Menge (BELL 1992, SYONO & MANGHNANI 1992, YARDLEY &VALLEY 1994).

Alle Magmen bringen juveniles Wasser mit, und das meiste davon dürfte aus den "anhydrischen" Mineralen des Erdinneren stammen. Wasser ist in Magmen die häufigste flüchtige Komponente, ist selbst in Basaltschmelzen des tiefen Erdmantels mit bis zu 2 Prozent enthalten (neben ca. 200 ppm Kohlendioxid und 800 ppm Chlor). Die meisten Variationen in der Zusammensetzung primitiver Basalte lassen sich aus Schmelzen unterschiedlichen Wassergehaltes entstanden denken (STOLPER & NEWMAN, 1994). Verdoppelung des Wassergehaltes kann den Schmelzpunkt um die Hälfte senken, was die Chemie der Schmelze beträchtlich verändert. Unter anderem erhöht sich der CaO-Anteil während die Anteile von TiO2, MgO, FeO* sinken (HOFMANN, 1997).

Starker Wasserzutritt kann Basaltschmelze in Granitschmelze umwandeln, dabei Alkali und Kieselsäure anreichern, Eisen, Magnesium abreichern (PITCHER, 1993). Granitschmelzen enthalten ca. 7 Prozent Wasser und rechnerisch war das genug um sämtliche Ozeanbecken zu füllen. Die spezifisch leichte Schmelze wird unter hydraulischem Druck aufgepresst, und der festländischen Kruste hinzuaddiert, die dadurch an Volumen zunimmt. Aus solchen kalkalkalischen Schmelzen, die zu Granit erstarren, sind die Kontinente gewachsen. Sie sind über die Folgezeit beständig geblieben, denn wegen ihrer Leichtigkeit stehen sie unter Auftrieb, können nicht mehr in die Tiefe zurück. Wasser war die Voraussetzung für die Entstehung von Granit, und Granit die Voraussetzung für die Entstehung von Kontinenten. Die Erde ist der einzige innere Planet mit viel Wasser und der einzige mit Granit und Kontinenten (CAMPBELL & TAYLOR, 1983).

Abb. 2: Tomographische Karte aus dem Grenzbereich Erdkern/Erdmantel (Tiefenbereich 2630-2891 km). Schattiert hochviskose Masse, hell: niederviskose Masse (Nach Anderson aus Menzies, 1990)

Atmosphärische Grundprozesse

In der basalen Zusammensetzung ist die Erde offenbar ein Hydrid. Vermutlich besteht der zentrale Erdkern vorwiegend aus Metallen plus Metallhydriden, der äußere Erdkern aus Metallen plus flüssigem Wasserstoff, der untere Mantel aus Metallen und Metall-Silicon-Verbindungen, der obere Mantel aus Oxiden und Silikaten, die Erdkruste aus Silikaten.

Der äußere Erdkern ist anscheinend flüssig, bereichsweise so flüssig wie Wasser, und steht offenbar unter hohem adiabatischen Druck. Außerhalb davon, an der Kern/Mantel-Grenze scheint die Temperatur abrupt abzufallen, vielleicht um 1000° C. Diese Grenzschicht ist etwa 200 km dick und in der Konsistenz teils flüssig teils fest (PUCCI & PICCITTO, 1991, SYONO & MANGHNANI, 1992).

Die Erdkruste besteht zu ca. 92 Prozent aus Vulkaniten und Metamorphiten. Diese enthalten ca. 2.6 Prozent Kohlenstoff, und davon ist mehr als die Hälfte in reduziertem Zustand (ca. 55 %). Insgesamt überwiegt also reduzierter Kohlenstoff in der Erdkruste, nur der obere Teil ist stärker oxidiert und hydratisiert.

Das Mineral Graphit ist weitverbreiteter Nebenbestandteil in vielen Gesteinen und bestimmt dort OFFENBAR die Zusammensetzung der Gase im System C-H-O. Unter hochreduzierten Verhältnissen ist Methan (CH4) das einzige vorkommende Gas, unter schwach reduzierenden Verhältnissen, z.B. neben Fe3O4 ist es immerhin noch zur Hälfte an der Gesamtgasmenge beteiligt, neben Wasser und CO2. Dabei genügen schon geringe Graphitmengen als Sauerstoffpuffer ( FRENCH et al., 1966, VINOGRADOV, 1967).

Mögliche Reaktionen sind u.a.
C + 2H2 --> CH4
CH4 + 2Fe3O4 --> 6FeO + C + H2O
C + H2O --> CO + H2
2CH4 + 2Fe3O4 --> 3Fe + 2C + 4 H2O
C + 2H2O --> CO2+ 2H2
C + 2H2O --> CO2 + 2H2
CO2+ H2 --> CO+ H2O

Jeder Magmenstrom aus der Tiefe führt ein Volumen Gas mit sich, H2, CH4 aus tiefem Erdmantel, H2O, CO2 aus höheren Stockwerken. Auf dem Weg nach oben wird ein Teil der reduzierten Gase zu CO2 und Wasser oxidiert, denn die oberen Stockwerke sind von sauerstoffhaltigen Mineralen dominiert (O " H " C). Wasser löst sich leicht in Silikat-Schmelzen, CO2 weniger gut, CH4, H2S, N2 sind unlöslich und bleiben in der Gasphase. Die Gase entweichen zur Oberfläche und schlagen sich der Atmosphäre bzw. den Ozeanen zu. Alles heute auf der Erdoberfläche vorhandene Kohlendioxid und Wasser stammt vermutlich aus solchen Reaktionen zwischen Methan und Mineralen der Erdkruste. Vermutlich ist einstmals die Ur-Atmosphäre der Erde so entstanden, durch Oxidation von Methan zu Wasser und CO2, und parallel dazu hat sich wohl der atmosphärische Stickstoff aus der Umsetzung von NH2 gebildet (TURNER, 1989).

Abb. 3: Lage der Kontinente um Afrika in der Projektion von BROCK (1972). Die Massenschwerpunkte liegen auf einer Spiralen.

Das meiste heute in der Natur vorkommende Methan ist im Porenvolumen des Ozeanbodens gespeichert, in Form eis-ähnlicher Kristalle ("Gas-Hyrate"). Gewaltige Vorkommen sind von ozeanischen Rücken und Tiefseetrögen bekannt. Die untermeerischen Thermen des ostpazifischen Rückens bringen ständig große Mengen Methan hervor, neben H2 und 3He, und diese Kombination weist auf eine Herkunft vom Erdkern oder unterem Mantel hin. Das Tiefenwasser im Roten Meer enthält ca. 1000 mal mehr Methan als normales Meerwasser und auch der Vulkansee Kivu im ostafrikanischen Graben erhält beträchtliche Mengen Methan aus unterirdischen Bodenspalten zugeliefert. Der Gas-Austritt erfolgt manchmal explosionsartig, begleitet von Meerbeben (Tsumanis) und Schlammvulkanen. Solche sind über die ganze Tethyslinie hinweg verbreitet, von Trinidad bis Neuseeland. Es dürfte kein Zufall sein, dass sich in der Nähe viele Faulschlamm-Ablagerungen und große Erdöl- Felder befinden. Das austretende Gas könnte von Mikroben aufgenommen und in Biomasse umgesetzt worden sein (KENNICUTT et al., 1993, MACDONALD, 1997).

Gas-Austritte und Thermen haben auch sonst weitreichende Bedeutung für den Ozean, halten u.a. den Redox-Zustand der ozeanischen Basalte konstant und regeln die Chemie des Meerwassers. Zum Beispiel ist das Meerwasser über die Erdgeschichte hinweg ärmer an Magnesium geworden, auch an Schwefel, dagegen reicher an Calcium und damit auch alkalischer, wobei das meiste Calcium gegen Kohlendioxid gepuffert ist (WOLERY & SLEEP, 1988).

Lithosphärische Grundprozesse

Seismische Wellen durchlaufen den Untergrund mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, sind schneller im festen bzw. hochviskosen Medium, langsamer im flüssigen Medium. Wie aus den Laufzeiten hervorgeht, besteht der Erdmantel aus zwei verschiedenen Medien, die sich durch ihre Viskosität voneinander unterscheiden. Die hochviskose Masse ist in einem Streifen konzentriert, der sich zwischen pazifischer und festländischer Erdseite entlang zieht und die Unterlage aller Kontinente bildet, mit Ausnahme von Afrika (Abb.2). Dort und im Pazifik gegenüber liegt je ein niederviskoser Auftriebsstrom, und beide machen sich bis zur Erdoberfläche bemerkbar, wo sie das Geoid ausbeulen. In der heißen Randzone der Ströme steigt viel Gas auf, und dort befinden sich an der Oberfläche die Zentren vulkanischer Aktivität. Fast zwei Drittel aller aktiven Vulkane sind im Feuergürtel um den pazifischen Ozean gereiht und weitere 14 Prozent liegen auf den indonesischen Inseln verstreut (IYER & HIRAHARA, 1993, RITZWOLLER & LAVELY, 1995, ANGEL, 1997).

Abb. 4: Tomographisches Profil durch den oberen Erdmantel bis in 550 km Tiefe. Offene Kreise indizieren niederviskoses Medium, schwarze Kreise hochviskoses Medium. Nach ANDERSON aus BROWN et al. (1992).

Die generelle Erkenntnis folgt aus dem Befund, dass sich die Oberflächenprozesse aus Tiefenprozesse ableiten, vor allem aus Zustandsänderungen im Erdmantel. Wenn es dort irgendwo zu Viskositätsänderungen oder Massenverlagerungen kommt, muss das durch antipodiale Ausgleichsbewegungen kompensiert werden, wobei der Erdmittelpunkt als Gleichgewichtszentrum fungiert. Jede Masse hat eine Partnermasse auf der Gegenseite, und beide müssen gegeneinander ausbalanzierbar sein. Zu jedem Kontinent gehört ein antipodialer Ozean. So liegt der arktische Ozean antipodial zum antarktischen Kontinent, der Zentralpazifik antipodial zu Afrika. Möglicherweise sind diese beiden Positionen an Kristallachsen des inneren Erdkerns ausgerichtet, der den Indizien zufolge einen großen Einkristall aus metallischem Eisen enthält, schätzungsweise 1200 km im Durchmesser (SONG & RICHARDS, 1997). Sein magnetisches Feld könnte die Konvektionsströme maßgeblich beeinflussen (vgl. Abb. 5b).

Verstärkt sich der Auftriebsstrom unter dem Pazifik und schwächt sich der Auftrieb unter Afrika ab, wird die hochviskose Masse vom Pazifik weg auf die Gegenseite gedrängt. Beginnt sich der Auftrieb unter Afrika zu verstärken, geht die Bewegung in umgekehrte Richtung. Die Kontinente müssen allen Bewegungen folgen, denn sie bilden die Oberhaut der hochviskosen Masse. "Kontinentale Drift" ist demnach nichts anderes als ein Oberflächeneffekt der Manteldrift (LOPER & LAY, 1995, WYESSION, 1996, KUMP, 1996).

Gegenwärtig gruppieren sich die Festländer in einem weiten Fünfeck um Afrika (Abb.3). Ihr Abstand von der afrikanischen Küste entspricht dem Driftweg den sie seit der Trias, der Zeit des Superkontinents, zurückgelegt haben. Brächte man die Kontinente wieder zurück in ihre Trias-Position, würden Atlantik und Indik verschwinden. Dafür müsste im Pazifik neuer Meeresboden gebildet werden, sozusagen im antipodialen Ausgleichsverfahren. Das Prinzip macht klar, warum es auf der Erde keinen alten Ozeanboden geben kann, jedenfalls keinen älter als Trias. Die Überführung des Superkontinents in den heutigen Zustand hat Verlagerungen nötig gemacht, die letztlich zum kompletten Austausch des Ozeanbodens geführt haben.

Innere Prozessabläufe

Wichtig für alle Prozesse ist die innere Energiequelle der Erde, die Wärme erzeugt, dadurch die Stoffkreisläufe in Gang hält. Sie speist sich vorwiegend aus Gravitationsenergie, daneben auch aus der Zerfallsenergie der im Erdinneren gespeicherten radioaktiven Elemente. Wie wir heute wissen, ist die Energie aus radioaktiven Zerfall allein zu schwach, um den Erdkern flüssig zu halten, Gravitationsenergie muss hinzukommen. Zum Beispiel kann es unter Gezeitenwirkung im Erdinneren zu Stofftrennungen kommen. Leichte Bestandteile treiben auf, schwere wie Eisen sinken ab und addieren sich zum Erdkern. Der Kristallisationsprozess macht viel Wärme-Energie frei, rechnerisch sind das etwa 1011 Watt, wenn sich der Erdkern um 10 Prozent vergrößert, - ein enormer Betrag. Über den wärmegetriebenen Transport von Gasen, Wasser und Schmelzen ist im Laufe der Zeit ein enormes Gravitationspotential verbraucht worden (LAMBECK, 1988, MERILL et al., 1996).

Die Prozesse lassen sich über relativ schwache periodische Pulse steuern, vorausgesetzt sie sind auf das Resonanzverhalten des ganzen Systems abgestimmt. In ruhigen resonanzarmen Zeiten kann es im Erdinneren zu Abkühlungen kommen und zu einer instabilen Schichtung, bei der dichte kühle Massen die wärmeren, weniger dichten überlagern. Das Magma verhält sich immobil solange die Auftriebskraft schwächer bleibt als die Gegenkraft aus Viskosität. Dieser Zustand kann bestehen bleiben, bis ein äußerer Anstoß Bewegung in die Massen bringt. Grundsätzlich sinkt die Viskosität mit steigenden Drucken, steigenden Temperaturen, steigenden Gasgehalten, und sinkenden SiO2-Gehalten. Wird ein kritischer Wert überschritten, setzt Konvektion ein, wobei vertikale Strömungsmuster entstehen können (Abb.4,5). Dadurch wird die Schichtung in stabiles Gleichgewicht zurückgeführt, und es ist letztlich dieser Wechselprozess, der die Erdmaschine betreibt. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Erde nicht wie ein ideal-elastischer Körper reagiert, sondern eher wie eine viskose, adiabatisch geschichtete Flüssigkeit. Wir verstehen einige dieser Prozesse noch nicht genau genug, zum Beispiel die Konvektion im Material von variabler Viskosität und nichtlinearer Rheologie. Jedenfalls dürfte das Erdinnere sich insgesamt eher wie eine plastisch-kompressible Masse verhalten, die innerlich zu Hochtemperatur-Kriechen neigt (RANALLI, 1995, KING, 1995, BUNGO et al., 1995).

Auslöser der Prozesse sind offenbar Resonanzen, die sich zwischen der freien Schwingung der rotierenden Erde und einer aufgezwungenen Gezeitenschwingung einstellen. Beide können so überlagert werden, dass sich die Massenkräfte in ihrer Wirkung addieren (Abb.6). Die Erde unterliegt dem ständigen Wechselspiel von Schwerkraft und Zentrifugalkraft. Ändern sich die Kräfte, muss sich das Geoid dem anpassen. Eine rotierende Erde ist immer bestrebt, ihre Massen am Äquator zu konzentrieren, tendiert bei Beschleunigung zu oblaten, bei Verzögerung zu prolaten Formen (Abb.7). Gegenwärtig ist der Erd-Durchmesser zwischen den Polen etwas kürzer als in der Äquatorebene. Außerdem ist die Kontur etwas birnenförmig, die Südhalbkugel dicker als die Nordhalbkugel. Sie ist auch geographisch verschieden, mit ihren weit auseinandergerückten Kontinenten. Das Zentrum größter Meeresausbreitung liegt bei den Falklandsinseln, der entsprechende Gegenpol in Nordost-Sibirien (WEBB, 1982, LAMBECK, 1988, LE MOUËL et al., 1993).

Resonanz-Effekte

Ihren Arbeitstakt erhält die Erde offenbar von außen induziert, aus eigener Kraft kann sie das nicht, dafür gibt es hier keinen Mechanismus. Anscheinend steht Planet Erde in einem pulsierenden Gravitationsfeld und ändert mit diesem rhythmisch Form und Volumen, - kontrahiert und expandiert. Unser Sonnensystem ist vibrant mit Interferenzen und Resonanzen. Alle Kepler´schen Bewegungen stellen eine Art harmonischer Oszillation dar. Der Mond umläuft die Sonne auf einer Ellipse, die von der Erde durch eine 13:1 Resonanz moduliert wird. Die Planeten Neptun und Pluto sind in 3:2 Resonanz verbunden, Jupiter und Saturn in 5:2 Resonanz, Jupiter und Mars in 1:12 Resonanz. Zusammen bilden sie eine gemeinsame resonante Struktur und wenn zwei Planeten miteinander in Resonanzharmonie kommen, können sie Energie austauschen (LIN & PAPALOIZOU, 1993, WILSON, 1994, HUNTER & WILSON, 1995).

Jede stärkere Resonanz kann einen Puls auslösen, dabei jene Energiemengen zum Abfluss bringen, die sich in den resonanzarmen Zeiten aufgespeichert haben. So können große Massen gegen die Reibung in Bewegung gesetzt werden (Abb.5a). Auch schwache Einflüsse bringen Wirkung hervor, wenn sie sich in einer aktiven Masse potenzieren können. Zum Beispiel greift der Mond die Erde mit nur ganz schwachen Kräften an, aber verstärkt im großen Wasserkörper der Ozeane werden daraus machtvolle Gezeiten (vergl. Abb.12). Gegenwärtig beherrscht der Mond die ozeanischen Gezeiten weil er uns so nahe ist. Aber er entfernt sich von der Erde um ca. 4 cm pro Jahr, was auf Dauer die Gezeitenwirkung abschwächen muss. Die Fliehbewegung kann nicht immer so stark gewesen sein. Extrapoliert man gedanklich die Bewegung rückwärts in die Vergangenheit, dann würde sich der heutige Erde/Mond-Abstand von 30 Erddurchmessern auf einen Betrag von 3,5 Erddurchmessern vor 1 800 Mio. Jahren reduzieren. Das wäre ein kritischer Abstand, der katastrophale Folgen für die Erde hätte, denn die gewaltige Gezeitenenergie würde die Erdkruste aufschmelzen. Für ein solches Ereignis gibt es aber in der Überlieferung keinerlei Hinweis. Also hat der Mond immer einen Mindestabstand eingehalten, schwingt vermutlich auf exzentrischer Kreisbahn um die Erde, in Umläufen von Jahrmillionen-Dauer, wobei sich die Gezeitenwirkung periodisch verstärken und abschwächen muss. In der Erdgeschichte könnte es mehrmals zur Resonanz zwischen der freien Eigenschwingung der rotierenden Erde und der Gezeitenschwingung des Mondes gekommen sein. Die Zahl ist nicht genau bestimmbar, da sich wesentliche Parameter über die Zeit verändert haben dürften, z.B. die Zahl der Sonnentage pro Monat (BROSCHE & SUNDERMANN, 1990).

Die Mond/Erde-Beziehung ist nur ein mögliches Beispiel für die Wechselwirkung zwischen astronomischen Körpern. Zumeist sind mehr als zwei Körper beteiligt, was die Bewegungsabläufe kompliziert. Eine Lösungsmöglichkeit bietet die HAMILTON'sche Analyse, und interessanterweise zeigt die Tomographie des tiefsten Erdmantels Züge dieses Systems, mit einer Hamilton'schen Figur unterhalb des Pazifiks (Abb.8). Im zentralen Teil der Figur verlaufen die Strombahnen auf invarianten Kreisen, weiter außerhalb bilden sie "Inseln", und noch weiter außerhalb trifft man auf eine "chaotische Gürtelzone" mit höchst unregelmäßigen Bahnen (HÉNON, 1983, LAJ et al., 1991, ARROWSMITH & PLACE, 1994, VAN DER HILST et al., 1997). Das Modell passt gut auf die ermittelte Tomographie, und aus allem folgt die Vermutung, dass die Erde weitgehend von externen Gezeitenkräften beeinflusst ist (vergl. Abb.9a,b).

Ändert sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, werden die Sonnentage entsprechend länger oder kürzer. Die Wirkung verstärkt sich noch, wenn sich dadurch der Schlupf zwischen Kern, Mantel und Atmosphäre ändert. Zur Zeit rotiert der Erdkern schneller als der Rest des Planeten, schätzungsweise um 1 Winkelgrad pro Jahr. Zwar hat der Kern nur 0,07 Prozent vom Trägheitsmoment der Erde, ist damit aber immerhin 500 mal einflussreicher als die Atmosphäre, und deren Bewegungen wirken sich ständig auf die Länge des Sonnentages aus (LE MOUËL et al., 1993, SONG & RICHARDS, 1997).

Abb. 5: Zwei Konvektionsmodelle für den Erdmantel: a. Thermisches Modell, b. Geo-magnetisches Modell. Vereinfacht nach BROCK (1972), PARKER (1996), WYESSION (1996).

Umweltzyklen

Lebensräume haben vielfach eine zyklische Geschichte, sind zwischenzeitlich verschwunden und an gleicher Stelle wieder aufgetaucht, dann mit neuen Lebensformen. Trockenregionen der Erde sind verschwunden und wiedergekommen, dabei insgesamt lagebeständig geblieben, und dort finden sich die Korallenriffe und Salzvorkommen der letzten 2 Milliarden Jahre bis heute. Ähnlich haben die Kohlengürtel der Erde eine zyklische Vergangenheit und sind dabei überwiegend an gleicher Stelle geblieben, zumeist den Ostküsten angenähert, die mehr Feuchtigkeit erhalten als Westküsten, oder in typischen Golfstrom-Lagen wie die westeuropäischen Kohlenbecken. Kontinente sind mehrmals an gleicher Stelle aufgerissen und wieder verschweißt worden. Faltengebirge haben sich mehrmals an gleicher Stelle gebildet, übereinander oder eng nebeneinander, und das gilt zumindest für die Orogenesen der letzten Jahrmilliarde (MEYERHOFF & TEICHERT, 1971).

Das Kambrium begann vor 550 Mio. Jahren, und die Trias vor 250 Mio. Jahren. Beide Formationen sind sich in Zügen ihrer Umwelt so ähnlich, dass man die eine als Wiederholung der anderen ansehen könnte. Beidesmal war ein Superkontinent ausgebildet, der alle Festländer in sich vereinigte. Beidesmal war der Meeresspiegel auf Tiefstand gesunken, die Schelfe waren trockengefallen, die Biotope verarmt. Beidesmal folgte danach ein Umbruch, der in einen neuen Umweltzyklus führte (Abb.10).

Abb. 6: Überlagerung zweier Schwingungen, die sich nach Frequenz und Wellenzahl geringfügig voneinander unterscheiden (obere Kurven). Es resultiert die untere Summenkurve. Nach DUTTON (1995).

Der Ozeanboden verändert seine Fläche in Zyklen von 300 Mio. Jahren, wobei die ozeanische Kruste jeweils vollständig erneuert wird. Jeder plattentektonische Zyklus beginnt mit Dehnung und Krustenspaltung, wobei sich die Spalten nachfolgend zu ozeanischen Gräben weiten. Die Vorgänge werden von lebhaftem Ophiolith-Vulkanismus begleitet, von Basalt-Ausflüssen, Diabasen und spilitischen Kissenlaven, besonders an den aktiven Plattenrändern. Die Phase ist gekennzeichnet von steigenden Meeresspiegeln, von weiträumiger Überflutung der Festlandränder, und von rapider Evolution bei den Meeresorganismen, besonders in den küstennahen Flachmeeren.

Eine ältere Ophiolith-Phase hatte ihren Höhepunkt im mittleren Ordovizium vor ca. 480 Mio. Jahren, die jüngere im mittleren Jura vor ca. 180 Mio. Jahren. Beide Ereignisse spielten sich an etwa gleichen Plätzen ab, im Nordatlantik, im Ural/Kaukasus-Meer und im Tethys-Gürtel, dort auf einer erdumspannenden Linie von Kalifornien bis zu den Philippinen. Dabei kam es in den Küstenmeeren zu Bodenunruhen mit einsinkenden Tiefseegräben, aufsteigenden Inselbögen, begleitet von Strömen ophiolithischer Magmen, sowie anderer Förderprodukte des tiefen Erdmantels, Methan, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid. Untermeerische Thermen brachten viel Calcium, Eisen und freie Kieselsäure ins Meerwasser und diese stimmten das ozeanische Milieu um, produzierten eine Reihe spezifischer Ablagerungen wie Eisensulfide, Hornsteine, Kalk- und Kieselschlämme, Eisenoolithe.

Alle Vorgänge waren letztlich Begleiterscheinungen des tektonischen Motors. Wird die Erdkruste auf Dehnung beansprucht, reißen an den Festlandsrändern Spaltenzüge auf. Diese füllen sich mit Flysch- und Grauwacken-Schlämmen, sowie mit vulkanischen Produkten, basaltischen Kissenlaven, Diabasen, Hornsteinen. Nachfolgend beginnt sich das Spaltensystem in die Breite auszudehnen, produziert Schollentreppen an den Rändern der Kontinente und treibt dann sein Bruchnetz ins Binnenland vor. Die Fugen werden zu Talzügen, zu Fließwegen eines neuen Entwässerungsnetzes, das den Landlebewesen neuen Lebensraum bietet.

Abb. 7: Verformung der globalen Oberfläche durch Grund- und Oberschwingungen: Linkes Bild: Modus "zonal", Mitte: Modus "sektorial" , rechts: Modus "tesseral". Nach MERILL et al. (1996).

Der Superzyklus

In der Erdgeschichte ist die 300 Mio.-Jahresperiode weithin ausgeprägt, in der Geologie als Superzyklus bekannt (FISCHER, 1984). Der Meeresspiegel steigt und fällt in diesem Zyklus, und so ändern die Kontinente ihre gegenseitige Lage zueinander. Endogene Prozesse, wie Vulkanismus und Gebirgsbildungen richten sich weitgehend nach dem Superzyklus, desgleichen die langfristigen Klimaschwankungen, die Eiszeitalter und die biologische Evolution. Diese merkwürdige Wiederholung der Ereignisse im Zeitabstand von 300 Millionen Jahren verlangt eine Erklärung.

Zyklen dieser Größenordnung können von der Erde selbst nicht erzeugt werden, das erfordert großräumigere Strukturen. Unser Sonnensystem gehört zur Milchstraßen-Galaxis, einer großen Ansammlung von Gas, Staub und Sternen. Diese bildet einen ausgedehnten linsenförmigen Körper, der seine meiste Materie in der Mitte enthält, im galaktischen Zentrum und die wenigste in den Außenbezirken (Abb.11). Die meisten Bestandteile sind in Bewegung, viele umlaufen ständig das galaktische Zentrum und zwar im Uhrzeigersinn (VAN WOERDEN, 1985, GILMORE et al., 1990).

Abb.8: Modell eines gezeitengesteuerten Strömungssystems, wie es nach vorliegenden Indizien im Erdkern unterhalb des Pazifiks vorhanden sein könnte. Zusammengestellt nach Berechnungen von HÉNON (1981), tomographischen Daten von BLOXHAM & JACKSON (1991), LAJ et al., 1991, ARROWSMITH & PLACE (1994), Kartenprojektion nach BROCK (1972).

Gas und Staub überwiegen in der Galaxis, und zwei Drittel davon sind Moleküle. Viel davon ist in Wolken zusammengeballt, die sich zwischen den Sternen ("interstellar") verteilen. Neutraler Wasserstoff, ein Hauptbestandteil der Gaswolken, hat ein charakteristisches Emissionsband im 21 cm-Wellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Auf der Grundlage der Wasserstoffkonzentration läßt sich die Galaxis im Bild darstellen. Wie sich dabei zeigt, ist die galaktische Scheibe nicht ebenflächig ausgebildet, sondern deutlich verbogen, an einer Randseite aufwärts, an der Gegenseite abwärts, vergleichbar mit der Verbiegung einer Hutkrempe. Viele Sterne, darunter unsere Sonne, haben ihre Umlaufbahn außen im verbogenen Randbereich und schwingen mit den Verbiegungen auf und ab. Noch weiter außen trifft man auf zwei Satelliten-Galaxien, die Große und die Kleine Magellhanische Wolke. Die Abwärtsverbiegung unserer Galaxis zielt ziemlich genau auf die Große Magellhanische Wolke und es gibt gute Gründe anzunehmen, dass die Satelliten-Galaxien mit ihrer Gravitationswirkung die Verursacher der Verbiegung sind (WILLIAMS, 1981, DELSEMME, 1987, KRAAN - KORTEWEG et al., 1996). Im Prinzip ist das mit der Gezeitenwirkung des Mondes auf die Erde vergleichbar (Abb.12).

Abb. 9 a): Strukturmuster auf der Kern/Mantel-Grenzfläche (Tiefenbereich ca. 2900 km: Dargestellt ist die radiäre Komponente des geomagnetischen Feldes (eintretende Ströme). Messjahr 1981. Nach GUBBINS & BLOXHAM aus JACOBS (1996).
b) Ozeanische Gezeitenkarte der Erdoberfläche. Die Isolinien bezeichnen Amplituden der (x-corange) Flutlinien. Nach SCHWIDERSKI (1983). Man beachte die Übereinstimmungen in den beiden Kartenbildern, a und b.

Die Sonne braucht für eine Umlaufbahn um das galaktische Zentrum knapp 265 Millionen Jahre und muss alle 300 Millionen Jahre an den Magellhanischen Wolken vorbei, die selbst in Bewegung sind, mit einer Umlaufperiode von schätzungsweise 2400 Mio. Jahren. Wo die Sonne zur Zeit in der Galaxis ihren Platz hat, ist bekannt; sie steht etwa halbwegs zwischen Abwärts- und Aufwärtsflexur und mit ihr natürlich auch die Erde, denn im galaktischen Maßstab ist das ganze Sonnensystem nur ein Punkt (S in Abb.11). Wenn man von diesem Bezugspunkt aus die erdgeschichtliche Zeitskala rückwärts über die galaktische Umlaufbahn, d.h. gegen den Bewegungssinn der Sonne abträgt, dann lassen sich die Standorte vergangener Zeit festlegen, bezogen auf die Magellhanischen Wolken. So befand sich die Sonne vor 300 Millionen Jahren, (d.h. im Oberkarbon) etwa an derselben Stelle wie heute, auch vor 600 und 900 Mio. Jahren, und immer war das eine weltweite Eiszeit der Erdgeschichte (WILLIAMS, 1975, 1981, DEYNOUX, 1994). In den Intervallen dazwischen war unser Planet im wesentlichen eisfrei. Zur Zeit ist die Sonne anscheinend nur unterdurchschnittlich aktiv, und das könnte u.a. mit dem derzeitigen Standort in der Galaxis zusammenhängen. Hier ist die Umgebung extrem stoffarm, beträgt nur den tausendsten Teil einer durchschnittlichen interstellaren Wolke. Dichte Wolken können über 1 Million Partikel pro Kubikzentimeter enthalten, darunter 1 Prozent Staub (FRISCH & YORK, 1986, ELMEGREEN, 1993). Wenn die Teilchen in die Sonne fallen, wird Gravitationsenergie frei, die den Strahlenaustoß steigert.

Abb. 10: Superzyklen und Perioden im Phanerozoikum. Die Altersangaben sind gemittelte Daten der Radiochronologie, siehe dazu SNELLING et al. (1985), HARLAND et al. (1990), JONES (1996).

Legt man das heutige Bild zugrunde, dann musste die Sonne zweimal pro Umlauf durch dichte Wolken hindurch, im Kambrium und Devon (Zyklus 1), in der Trias und Oberkreide (Zyklus 2). Tatsächlich waren das immer die wärmsten Perioden der Erdgeschichte.

Unser Sonnensystem kommt einmal pro Zyklus an den Magellhanischen Wolken vorbei und bleibt ihnen einmal pro Zyklus besonders fern. Soweit die Himmelskörper kompressibel sind, reagieren sie im Gravitationsgefälle mit Volumenänderungen, wechseln einmal pro Superzyklus vom größten auf kleinstes Volumen und wieder zurück. Danach hatte die Erde ihr größtes Volumen zuletzt in der Oberkreide, und davor im Devon, sie hatte ihr kleinstes Volumen in der Trias und davor im Kambrium.

Dem Superzyklus sind kurzfristigere Zyklen aufgeprägt. In einer Doppelperiode von ca. 75 Millionen Jahren schwingt die Sonne um die galaktische Ebene, durchquert diese also alle 37,5 Millionen Jahre und dieser Betrag entspricht einer geologischen Periode in der Erdgeschichte (Abb. 10).

Es finden sich noch mehr solche Beziehungen, aber darauf kann hier aus Platzgründen nicht eingegangen werden, auch nicht auf Unsicherheiten und Fehlermöglichkeiten im Modell. Wie dem letztlich sei, es gibt zur Zeit keine bessere Erörterung der Superzyklen, es gibt eigentlich überhaupt keine andere plausible Deutung (siehe BAHCALL &. BAHCALL, 1985, RAMPINO & STOTHERS, 1984, 1986, PANDEY & NEGI, 1987, NAPIER, 1988).

Schlussfolgerungen und Zusammenfassung

Die Erde ist nur ein Zwerg im kosmischen Raum, aber ein Riese in der kosmischen Zeit. Erdgeschichte umfasst einen erstaunlich langen Bruchteil kosmischer Zeitrechnung, ein Viertel, ein Drittel oder sogar mehr. Exakt lässt sich das nicht sagen, weil das Alter des Universums nur in weiten Grenzen einschätzbar ist: 10 - 20 Milliarden Jahre. Das Alter der Erde kennt man genauer, ca. 4,6 Milliarden Jahre.

Merkwürdigerweise hat sich die Erdoberfläche stets in bewohnbarem Zustand halten können, die lange Zeit hindurch, und das verlangt eine Erklärung. Es ist klar, dass soviel Beständigkeit nur mithilfe eines starken Regel- und Puffersystems zu erreichen ist. Die Biosphäre allein ist dafür viel zu schwach, und insgesamt wohl mehr als Opportunist denn als Regulator tätig. Es muss eine wirksamere Steuerung geben.

Wie aus der vorstehenden Raum/Zeit-Analyse hervorzugehen scheint, steht unser Planet unter periodischem Einfluss externer Gezeitenkräfte. Diese erfassen den Erdkörper als ganzes, mobilisieren im Erdinneren Energien und Stoffkreisläufe. Letztere können gewaltige Rückhaltekräfte entwickeln, die auf gleichmäßige Oberflächenbedingungen hinarbeiten. Dabei scheint der Erdkern mit seinem Magnetfeld eine wichtige Rolle als Stabilisator zu spielen. Gemessen an den riesigen Dimensionen dieser Prozesse erscheint der Einflussbereich des Menschen winzig. Denn Erdkruste, Hydrosphäre und Atmosphäre zusammen nehmen im Gesamtkörper nicht mehr Raum ein als die Lackhaut auf einer Billiardkugel (Abb. 1).

Abb. 11: Karte der Milchstraßen-Galaxis dargestellt mit den Isolinien der Wasserstoffkonzentration. Punkt "S": bezeichnet die gegenwärtige Position unseres Sonnensystems. Vereinfacht nach WILLIAMS (1975).

Was das dynamische Potential eines Planeten offenbar ausmacht, ist die Fähigkeit auf äußere Gravitationseinflüsse zu reagieren, durch Veränderung von Form, Volumen und innerer Massenverteilung. Die Fähigkeit hängt vor allem vom Gehalt an Schmelzen, Gasen und Wasser ab, und in unserem Sonnensystem unterscheiden sich innere und äußere Planeten durch dieses Merkmal; innere Planeten sind eher dichte, steinige Massen, die äußeren sind voluminöse Gaskörper. Die Erde hat von beiden etwas, genug Stabilität und genug Mobilität. Mars und Mond sind vergleichsweise unflexibel, und dementsprechend mit bleibenden Form-Anomalien behaftet. Der Mond ist ein trockener Körper, und bereits vor ca. 3 Milliarden Jahren endgültig erstarrt, als sein Mare-Vulkanismus erlosch. Mars besitzt einige jüngere Vulkane, lokal verstreut auf Spalten, Gräben und einige Dehnungsstrukturen. Bis vor ca. 1 - 2 Milliarden Jahren scheint es dort Konvektion in der Tiefe gegeben zu haben, danach trat Ruhe ein. Zurückgeblieben sind erkaltete Lavaströme und ausgetrocknete Fließrinnen.

Abb. 12: Gezeitenwirkung des Mondes auf die Erde. Das Schema zeigt den theoretischen Fall einer vollständig vom Ozean bedeckten Erdoberfläche. Blick auf den Nordpol (DE = Erddurchmesser). Nach MANN & LAZIER (1991).

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