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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Das ganz genau zu erklären, ist gar nicht so einfach – an den Details forschen Wissenschaftler bis heute. Klar ist: Das Erdmagnetfeld entsteht im Erdkern. Der besteht vor allem aus den Metallen Eisen und Nickel und ist über 5000 Grad Celsius heiß. Im äußeren Erdkern sind die Metalle geschmolzen und damit flüssig, noch weiter innen ist der Druck so hoch, dass der innere Erdkern fest ist.

Der feste innere Kern wirkt wie eine Herdplatte: Er heizt die darüberliegende Flüssigkeit auf, die erhitzte Flüssigkeit steigt auf und trifft schließlich auf eine etwas kühlere Schicht. Dort gibt sie ihre Wärme weiter und kühlt sich selber dabei etwas ab. Als Folge sinkt sie wieder nach unten. Diesen Kreislauf nennt man „Konvektionsströmung“.

Im äußeren Erdkern gibt es also Strömungen aus Eisen – einem leitfähigen Material. Das kann man sich fast wie einen Draht vorstellen, der sich bewegt. Und von einem Draht, der sich in einem Magnetfeld bewegt, weiß man, dass darin eine Spannung erzeugt („induziert“) wird. Diese Spannung bringt wiederum elektrischen Strom zum Fließen und der erzeugt wieder ein Magnetfeld.

Während sich die Eisenmassen im Erdkern bewegen, dreht sich auch die Erde um ihre eigene Achse. Das bewirkt, dass diese Flüssigkeitsströme zusätzlich verdreht werden. Bei der richtigen Kombination aus Strömungsbewegung und Erdrotation kann das dazu führen, dass das erzeugte Magnetfeld so ausgerichtet ist, dass es das ursprüngliche Magnetfeld unterstützt und verstärkt. Und dieses verstärkte Magnetfeld induziert eine stärkere Spannung, die einen stärkeren elektrischen Strom fließen lässt, der das Magnetfeld noch weiter verstärkt. Auf diese Weise kann sich das Magnetfeld schließlich selbst stabil halten.

Am Anfang muss also ein kleines Magnetfeld zufällig vorhanden gewesen sein. Angetrieben durch Erdrotation und Erdwärme hat dieser Mechanismus dazu geführt, dass sich dieses selber immer weiter verstärkt hat. So stark, dass sich nach und nach im gesamten Erdkern ein Magnetfeld mit einer einheitlichen Richtung durchgesetzt hat. Dieses können wir dann auf der Oberfläche als „Erdmagnetfeld“ messen.

Es kann auch aber passieren, dass sich die Strömungsverhältnisse im Kern ein bisschen ändern. Dann funktioniert dieser Mechanismus, bei dem sich das Magnetfeld selbst erhält, nicht mehr so gut. Als Folge kann das Erdmagnetfeld insgesamt schwächer werden – und es ist sogar möglich, dass plötzlich in einem Teil des Erdkerns die entgegengesetzte Richtung die Oberhand gewinnt und sich diese nach und nach im ganzen Erdkern durchsetzt. Am Ende hat sich das Erdmagnetfeld komplett umgedreht: Aus Nordpol wurde Südpol und umgekehrt. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass eine solche „Polumkehr“ in der Vergangenheit schon oft stattgefunden hat, im Durchschnitt etwa alle 250.000 Jahre.

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.

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.

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“.