Was passiert im Erdinneren?

Die Lavalampe – Kult aus den 70ern: In einer zähen Flüssigkeit steigen dicke Blasen langsam auf, sinken wieder zu Boden und blubbern erneut nach oben. Eine ähnliche Kreisbewegung von heißem, zähflüssigem Gestein findet auch direkt unter unseren Füßen im Erdinneren statt. Was ist aber die Ursache dafür?

Lavalampe
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Egal ob Lavalampe, Wasser im Kochtopf oder Erdmantel, der Grund ist immer gleich: Wenn eine Flüssigkeit erwärmt wird, steigen warme Blasen nach oben. Das liegt daran, dass die winzigen Teilchen, aus denen sie besteht, sich bei zunehmender Temperatur immer stärker hin und her bewegen. Dafür brauchen sie mehr Platz und drängeln sich nicht mehr so eng zusammen. Im gleichen Volumen sind jetzt weniger Teilchen als in der Umgebung, es ist also leichter und steigt nach oben. Dort kühlt diese Blase wieder ab und die Teilchen brauchen weniger Platz. Das Volumenstück wird schwerer als die Umgebung, sinkt wieder ab und der Kreislauf beginnt von vorne. Wenn eine Flüssigkeit wegen eines Temperaturunterschieds im Kreis fließt, spricht man auch von Konvektion.

Bei einer Lavalampe bringt die Wärme der Lampe die Flüssigkeit in Bewegung. Im Erdinneren ist der heiße, feste innere Erdkern die Wärmequelle. Er erwärmt das darüber liegende flüssige Metall des äußeren Erdkerns. Dieses steigt nach oben und gibt seine Wärme an den Erdmantel weiter, wodurch es allmählich abkühlt. Dann sinkt es wieder nach unten, wo es sich erneut erhitzt.

Ein zweiter, ähnlicher Kreislauf findet im Erdmantel statt: Sein aufgeheiztes Gestein bewegt sich vom Kern nach oben in Richtung Erdkruste, an die es wiederum Wärme abgibt. Nachdem es sich abgekühlt hat, fließt es abwärts zum Erdkern, wo der Kreislauf erneut beginnt. Weil das Erdmantelgestein sehr zäh ist, bewegt es sich die Konvektionsströmung nur wenige Zentimeter pro Jahr – so dauert ein Kreislauf eine lange Zeit.

Durch die Gesteinsströme im Erdinneren wirken große Hitze und Druck auf die dünne Erdkruste. Nicht immer kann sie dem Stand halten: Ab und zu reißt sie an einzelnen Stellen auf und heißes Erdgestein entweicht durch Vulkane an die Erdoberfläche.

Warum ist die Erde innen warm?

Unter unseren Füßen brodelt das flüssige Innere der Erde. Vulkanausbrüche und Geysire zeigen, welche Hitze dort herrscht – im Erdkern über 6000 Grad Celsius. Aber warum ist es in der Erde eigentlich so heiß?

Die Erde war nach ihrer Entstehung zuerst eine glühende Kugel.
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Ein Großteil der Hitze stammt noch aus den Kindertagen der Erde, als sich Staub und Gesteinsbrocken zu einem Planeten verdichteten. Das Wort „verdichten“ klingt allerdings etwas zu harmlos: In Wirklichkeit muss man sich das vorstellen, wie viele große Meteoriteneinschläge – jeder Einschlag eine gigantische Explosion, die den jungen Planeten aufheizte und das Material schmolz.

Meteoriteneinschläge heizten die junge Erde zusätzlich auf.
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Seitdem ist es etwas ruhiger geworden und die Erde kühlt sich wieder ab. Das tut sie allerdings äußerst langsam, die Hitze im Erdinneren kann nur sehr langsam in das Weltall entweichen. Heiße Magmaströme im zähen Erdmantel transportieren die Wärme nach oben. Dort bleibt sie unter der starren Erdkruste wie unter einem Deckel eingeschlossen. Nur langsam gibt das Krustengestein die Wärme ins Weltall ab.

Außerdem wird im Inneren der Erde immer noch Wärme nachproduziert. Das liegt daran, dass die Erde in ihrem Kern eine Menge radioaktiver Stoffe wie beispielsweise Uran besitzt. Seit der Entstehung unseres Planeten zerfallen sie und geben dabei über einen sehr lange Zeitraum Wärme ab. Dieser „Brennstoff“ reicht noch für viele Milliarden Jahre.

Wie ist die Erde aufgebaut?

Zu Anfang war die junge Erde ein heißer Ball aus geschmolzener Materie. Alle Bestandteile waren zunächst gut durchgemischt, so wie sie bei der Entstehung der Erde gerade verteilt waren: Metalle, Gesteine, eingeschlossenes Wasser und Gase und vieles mehr – ein großes Durcheinander.

Am Anfang war die Erde eine heiße, flüssige Gesteinskugel
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Doch im Laufe der Zeit änderte sich das: Die schwereren Stoffe sanken nach unten zum Erdmittelpunkt – vor allem Metalle. Gesteine hingegen waren etwas leichter und stiegen nach oben, die leichtesten bis zur Erdoberfläche. Dort kühlten sie langsam ab und erstarrten.

Schichtaufbau der Erde
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So trennte sich das Material der Erde in die drei kugelförmigen Schichten, die wir heute kennen. Man kann sich den Aufbau der Erde vorstellen wie einen Pfirsich: Außen ein hauchdünne „Schale“ aus leichtem, festem Gestein – die Erdkruste. Sie ist im Durchschnitt nur 35 Kilometer dick.

Unter der Kruste befindet sich das „Fruchtfleisch“ – der fast 3000 Kilometer mächtige Erdmantel aus schwerem zähflüssigem Gestein. Und im Inneren der Erde liegt der Erdkern aus den Metallen Eisen und Nickel.

Der Erdkern selbst besteht zunächst aus einer etwa 2200 Kilometer dicken äußeren Schicht, dem äußeren Kern. Dort ist es über 5000 Grad Celsius heiß, deshalb ist das Metall geschmolzen und so dünnflüssig wie Quecksilber.

Ganz innen liegt der innere Kern, etwas kleiner als der Mond. Er ist mit über 6000 Grad Celsius noch etwas heißer als der äußere Kern – aber überraschenderweise fest. Das liegt daran, dass mit zunehmender Tiefe nicht nur die Temperatur steigt, sondern auch der Druck. Die äußeren Schichten, die auf dem Erdkern lasten, drücken sein Material so unvorstellbar stark zusammen, dass es sich nicht verflüssigen kann.

Woher weiß man, wie die Erde aufgebaut ist?

Wir können zum Mond fliegen, aber eine Reise zum Mittelpunkt der Erde wird immer Science Fiction bleiben. Schon in wenigen Kilometern Tiefe wird jedes Bohrgerät weich, weil es dem enormen Druck und der hohen Temperatur nicht Stand halten kann. Trotzdem wissen Forscher sehr genau, wie die Erde aufgebaut ist – aber woher?

In den verschiedenen Schichten breiten sich Erdbebenwellen unterschiedlich aus.
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Ähnlich wie mit einem Röntgengerät können Geologen ins Erdinnere schauen, ohne die Erde aufschneiden zu müssen. Ihre „Röntgenstrahlen“ sind Erdbebenwellen: Wenn es an einem Ort stark bebt, breiten sich die Erschütterungen durch den gesamten Erdkörper aus, ähnlich wie Schallwellen in der Luft.

Seismographen zeichnen die Erschütterungen von Erdbeben auf.
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Allerdings sind diese Wellen nicht immer gleich schnell: In dichtem und hartem Material werden die Erschütterungen schneller weitergeleitet als in leichterem und weicherem Material. Stoßen sie auf eine Gesteinsschicht mit höherer Dichte, können sie auch gebrochen oder zurückgespiegelt werden, wie Lichtstrahlen an einer Glasscheibe. Und manche Wellen können sich nur in festen oder zähflüssigen Stoffen fortbewegen und Flüssigkeiten gar nicht durchlaufen.

Wenn die Erdbebenwellen schließlich auf der anderen Seite der Welt ankommen, werden sie von einem weltumspannenden Netz von hochsensiblen Messgeräten – sogenannten Seismographen – aufgezeichnet. Aus den Mustern in diesen Diagrammen können die Forscher die Art der Wellen und ihre Geschwindigkeit ablesen und den Weg der Wellen durch die Erdkugel zurückverfolgen.

So erfahren die Forscher eine Menge über das Erdinnere – zum Beispiel in welcher Tiefe es Gesteins- oder Metallschichten gibt und ob diese fest, dickflüssig oder dünnflüssig sind.

Was ist der Unterschied zwischen Lava und Magma?

Magma und Lava bezeichnen eigentlich das Gleiche, nur an unterschiedlichen Orten: Magma befindet sich im Inneren der Erde, Lava an der Erdoberfläche.

Magma entsteht dort, wo Hitze und Druck im Erdinneren sehr hoch sind. Dort schmilzt das Gestein und es entsteht ein zähflüssiger Gesteinsbrei, das Magma. In unterirdischen Hohlräumen sammelt sich das Magma und fließt bei steigendem Druck nach oben bis an die Erdoberfläche. Sobald das Magma bei einem Vulkanausbruch aus der Erde quillt, heißt es Lava. Gase, die im Magma eingeschlossen waren, können dann in die Luft entweichen. Daher unterscheiden sich Lava und Magma in ihrer chemischen Zusammensetzung.

Solange die Lava heiß ist, ist sie weich und verformbar. An der Erdoberfläche kühlt die Lava langsam ab und wird fest. Danach kann sie ganz unterschiedlich aussehen, je nachdem wo und wie sie aus der Erde geflossen ist: Wenn zum Beispiel ein Vulkan unter Wasser ausbricht, kühlt die Lava sehr schnell ab. Sie formt sich dabei zu Gebilden, die wie Klumpen oder Kissen aussehen. Man spricht deshalb von Kissenlava. Andere Lavaströme sehen aus wie lange Wollknäuel und heißen darum Stricklava.

Stricklava
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Kissenlava
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Im Lauf der Zeit bilden sich aus Lava verschiedene Gesteine. Besonders dünnflüssige Lava wird nach dem Abkühlen zu dunkelgrauem Basalt. Dieses Gestein wird oft als Pflasterstein für Straßen und Wege verwendet. Wenn Lava bei einem Vulkanausbruch in die Luft geschleudert wird und sich dabei aufbläht wie Schaumstoff, entsteht Bimsstein. Durch die eingeschlossene Luft ist Bimsstein so leicht, dass ein Stück davon auf dem Wasser schwimmen kann. Vulkanasche und Vulkanstaub, die sich verfestigen, werden zu Tuffstein. Aus Tuff sind zum Beispiel in der Vulkaneifel viele Häuser gebaut.

Tuff
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Bimsstein
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Was passiert bei einem Vulkanausbruch?

Es dampft und brodelt, es qualmt und zischt. Glühend heißes Gestein schießt aus dem Inneren der Erde empor. Eine Aschewolke steigt auf, Lava quillt aus dem Vulkan und fließt über die Erdoberfläche. Bei einem Vulkanausbruch sind gewaltige Kräfte am Werk. Doch wie kommt es eigentlich zum Ausbruch eines Vulkans?

Vulkanausbruch vom Flugzeug aus
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Im Erdmantel, der Gesteinsschicht unter der Erdkruste, herrschen Temperaturen von über tausend Grad Celsius und ein sehr hoher Druck. Sind Hitze und Druck hoch genug, schmilzt das Gestein und wird zu einer zähflüssigen Masse, genannt Magma. Dieses Magma dehnt sich aus und steigt nach oben. Dort sammelt es sich zunächst in Hohlräumen, den Magmakammern. Das alles geschieht aber nicht von heute auf morgen, sondern dauert Zehntausende oder Hundertausende von Jahren.

Eruptionssäule über dem Ätna
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Wenn die Magmakammer voll ist und kein weiteres Material mehr aufnehmen kann, bahnt sich das heiße Magma seinen Weg nach draußen. Es dringt durch Kanäle und Spalten an die Oberfläche und tritt dort als glühend heiße Lava aus – der Vulkan bricht aus. Den Kanal, durch den das Magma nach oben quillt, nennt man Schlot, seinen Ausgang Krater.

Lavastrom
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Manche Vulkane spucken regelmäßig Lava, zum Beispiel der Stromboli in Süditalien. Seine Ausbrüche kann man täglich beobachten. Andere Vulkane bleiben Jahrhunderte lang ruhig, sind aber nicht wirklich erloschen. Oft sind ihre Krater mit Lava und Geröll verstopft. Das macht sie sehr gefährlich, denn wenn sie ausbrechen, kann es gewaltige Explosionen geben; bekannt dafür sind zum Beispiel der Vesuv bei Neapel oder der Krakatau in Indonesien. Solche explosiven Ausbrüche sprengen Millionen Tonnen von Gestein in die Luft. Die Aschewolke, die durch den Ausbruch aufsteigt, kann lange in der Luft bleiben und durch den Wind weit verteilt werden. Nur langsam setzt sich diese Wolke dann als feine Ascheschicht auf der Erde ab.

Lava, die nicht in die Luft geschleudert wird, fließt als glühend heißer Strom aus geschmolzenem Gestein vom Kraterrand herab. Wenn dieser Lavastrom abkühlt, erstarrt er zu Lavagestein. Nach und nach bauen Lavaströme, Asche und Gesteinstrümmer einen Berg um den Krater auf – den Vulkankegel.

Warum ist die Erde überhaupt magnetisch?

Norden, Süden, Osten, Westen – die vier Himmelsrichtungen orientieren sich am Erdmagnetfeld. Mit Hilfe eines Kompass können wir uns daher auch in unbekanntem Gelände zurecht finden. Dass wir den Magnetismus der Erde zur Orientierung nutzen, scheint uns inzwischen selbstverständlich. Doch woran liegt es eigentlich, dass die Erde magnetisch ist?

Wie in einem Fahrraddynamo bewirken die Bewegungen im Erdinneren einen elektrischen Strom.
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Die Lösung verbirgt sich tief im Inneren der Erde, im heißen Erdkern. Hier herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius. Dieser Erdkern besteht aus einer Mischung aus Eisen und Nickel. Sein Inneres ist fest, sein Äußeres dagegen etwa so flüssig wie Quecksilber. Das flüssige Material des äußeren Erdkerns bewegt sich auf dem festen inneren Kern wie auf einer extrem heißen Herdplatte. Innerhalb dieser flüssig heißen Eisen-Nickel-Masse sorgen Temperaturunterschiede dafür, dass sich Ströme ausbilden: Heißes Material steigt auf, kühleres sinkt ab. Die Schwerkraft treibt diesen Materialfluss zusätzlich an.

Und es gibt noch eine Kraft, die sich einmischt: die Corioliskraft, die durch die Erdrotation entsteht. Diese bewirkt, dass sich die Strömungen im äußeren Erdkern wie Schrauben verdrehen und sich entlang der Erdachse ausrichten. Doch auch das macht die Erde noch nicht zum Magneten. Erst die Tatsache, dass die fließende Masse elektrisch geladen ist, erzeugt ein elektrisches Feld: Strom fließt. Um diesen elektrischen Stromfluss herum bildet sich – wie um jeden Leiter, der Strom führt – ein Magnetfeld: das Erdmagnetfeld!

Dieser Vorgang läuft ständig und funktioniert so ähnlich wie ein Fahrraddynamo: Er wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Darum wird der Prozess, der das Erdmagnetfeld erzeugt, auch Geodynamo genannt.

Kontinente auf Wanderschaft

Lange Zeit dachte man, die Landmassen der Erde würden starr an Ort und Stelle stehen. Später stellte sich heraus: Das Gegenteil ist der Fall. Die Kontinente unseres Planeten bewegen sich! Wie gewaltige Eisschollen treiben sie in unterschiedliche Richtungen, wenn auch nicht sehr schnell. Ihre Geschwindigkeit entspricht etwa dem Wachstum eines Fingernagels. Doch woran liegt es, dass die Kontinente ständig auf Wanderschaft sind?

Auch wenn es nicht so aussieht: Die Kontinente bewegen sich
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Die Erdkruste, die unseren Planeten umhüllt, ist spröde und rissig. Sie ähnelt einer zersprungenen Eierschale und setzt sich aus sieben großen und vielen kleineren Platten zusammen. Einige von ihnen bilden die Kontinente, andere den Ozeanboden. Diese Platten der Erdkruste treiben auf einem heißen, zäh fließenden Gesteinsbrei umher und werden dabei von Bewegungen im Erdinneren angetrieben, genauer gesagt: von Strömungen des Erdmantels. Fachleute sagen auch: Sie driften. All diese Vorgänge rund um die Bewegung der Erdplatten heißen Plattentektonik, die Bewegung selbst auch Plattendrift.

Die Erdkruste ist zersprungen wie eine Eierschale
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Dort, wo die einzelnen Platten aneinander grenzen, ist die Erde besonders aktiv. An einigen dieser Plattengrenzen dringt heißes Gestein aus dem Erdmantel nach oben und kühlt sich ab. Hier bildet sich neue Erdkruste: die beiden Platten wachsen und werden dadurch auseinandergedrückt. Dort dagegen, wo zwei Platten aufeinander prallen, wird die leichtere von ihnen – die kontinentale Kruste – zusammengeknautscht und zu Gebirgen aufgefaltet. Die schwerere der beiden – die ozeanische Kruste – verschwindet dagegen langsam in der Tiefe. Durch die Hitze im Erdinneren wird ihr Gestein wieder aufgeschmolzen. Während die Kante der Platte in der Tiefe versinkt, zieht sie den Rest der Platte hinter sich her und treibt so die Plattenbewegung zusätzlich an.

Aufgefaltete Erdkruste: Die Alpen
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Entlang solcher Plattenränder häufen sich Vulkanausbrüche, Erdbeben, lange Gebirgsketten und tiefe Ozeangräben. Die meiste Unruhe an der Erdoberfläche bringt die größte ihrer Platten mit sich: Es ist die Pazifische Platte, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Zentimetern pro Jahr nach Nordwesten rückt. An ihren Rändern finden sich die meisten aktiven Vulkane der Erde, heftige Erdbeben erschüttern die Region. Wegen der häufigen Vulkanausbrüche und Beben heißt diese Plattengrenze auch der „Pazifische Feuerring“.

Spektakel am Plattenrand: Ein Vulkan spuckt Feuer
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Geburt einer Insel

30 Kilometer südlich von Island ist eine Insel aus dem Meer geboren. Seit dem 14. November spuckt hier ein junger Vulkan Feuer und Asche. Seine Lavamassen haben bereits eine 40 Meter hohe und gut 500 Meter lange Insel wachsen lassen.

Weiß-graue Aschewolken hängen am Himmel und verdunkeln ihn. Feines Vulkangestein prasselt auf die Umgebung, jeder Lavaausstoß wird von Donnergrollen begleitet. 10 Kilometer ragt die Rauchsäule in die Höhe, die der Vulkanausbruch verursacht. Und immer weiter wächst dabei eine Insel vor Islands Südküste.

Der Ausbruch des Unterwasservulkans kam unerwartet, aber nicht ohne Vorboten. Seismologen haben bereits eine Woche zuvor in der Hauptstadt Reykjavik kleinere Erdbeben gemessen – Zeichen dafür, dass sich an der Plattengrenze des Mittelatlantischen Rückens einiges tut. Zusätzlich hatte ein Forschungsschiff festgestellt, dass das Meer wärmer war als sonst. Und Einwohner der nahe gelegenen Küstenregion glaubten Schwefelwasserstoff gerochen zu haben. Als der Vulkan am Meeresgrund in 130 Meter Tiefe ausbrach, blieb das zunächst unbemerkt. Seine Explosionen wurden vom Wasserdruck abgeschwächt. Doch durch sein Wachsen näherte er sich dem Meeresspiegel und durchbrach ihn schließlich wild spuckend. Das war die Geburt einer Insel in Island.

Einen Namen hat die neue Insel vor der Südküste bereits: „Surtsey“ heißt sie nach Surt, dem Feuerriesen. Von dem erzählt eine nordische Sage, er schleudere Feuer und vernichte mit seinem glühenden Schwert alles Leben.

Spalt zwischen nordamerikanischer und eurasischer Platte
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Vor der Küste Islands wächst eine Vulkaninsel aus dem Meer.
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Wie Island entstand

Island ist eigentlich nichts anderes als der Höhepunkt eines riesigen Gebirges im Atlantik: Fast 20.000 Kilometer lang ist der Mittelatlantischen Rücken, der sich von Nord nach Süd durch den gesamten Atlantik erstreckt. Auf der Höhe von Island driften die Nordamerikanische und die Eurasische Platte auseinander, jedes Jahr um etwa zwei Zentimeter. Wo sie sich spreizen, dringt heißes Magma aus dem Erdinneren an die Oberfläche. Diese Vulkanausbrüche türmen seit Jahrmillionen unter Wasser Gebirge auf und sorgten vor 17 bis 20 Millionen Jahren dafür, dass Island über dem Meeresspiegel auftauchte. Bis heute sind diese Vulkane aktiv. Und jetzt haben sie erneut eine Insel geboren: Surtsey.