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
Quelle: Colourbox

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
Quelle: imago stock&people

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.
Quelle: imago stock&people

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.
Quelle: Colourbox

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.

Die Anfänge der Erde

Wir würden die Erde unmittelbar nach ihrer Entstehung nicht wiedererkennen. Sie war ein äußerst ungemütlicher Planet: Es gab weder Kontinente noch Ozeane, sondern eine brodelnde Oberfläche aus glühend heißem, zähflüssigem Magma. Warum konnte sich lange Zeit keine Erdkruste bilden?

Eine glühende Gesteinskugel: Die frisch entstandene Erde
Quelle: Colourbox

Vor gut 4,5 Milliarden Jahren verdichteten sich Kometen, Asteroiden, Gas und Staub zu unserem Planeten. Die eigene Schwerkraft presste diese Einzelteile zusammen, so dass sie einem starken Druck ausgesetzt waren. Am höchsten war dieser Druck natürlich im Erdkern, auf dem das Gewicht der gesamten äußeren Schichten lastete. Als Folge des hohen Drucks wurde das Gestein stark aufgeheizt und geschmolzen. Nach außen wurden der Druck und damit auch die Temperatur weniger. Trotzdem blieb die Erdoberfläche noch mehrere hundert Millionen Jahre lang sehr heiß und konnte sich nicht abkühlen und verfestigen.

Meteoriteneinschläge heizen den jungen Planeten auf
Quelle: Colourbox

Um den Grund hierfür zu verstehen, mussten die Wissenschaftler den Mond anschauen: Uralte Mondkrater aus der Entstehungszeit des Sonnensystems verraten uns, dass der Mond in seinen jungen Jahren von zahlreichen Meteoriten getroffen wurde. Man geht deshalb davon aus, dass auch die Erde zur gleichen Zeit einem regelrechten Gesteinsbombardement aus dem All ausgesetzt war. Die Brocken stürzten mit hoher Geschwindigkeit auf die Erde – und entsprechend heftig waren die Einschläge: Schon Brocken von einigen hundert Tonnen konnten locker eine Explosion von der Stärke einer Atombombe verursachen!

Bei Vulkanausbrüchen sieht man, dass das Erdinnere noch immer heiß und flüssig ist.
Quelle: Colourbox

So wurde die Erdoberfläche noch lange Zeit weiter aufgeheizt, immer wieder aufgewühlt und blieb so flüssig. Erst als nach einigen hundert Millionen Jahren die Einschläge allmählich nachließen, sanken die Temperaturen an der Erdoberfläche. Das Gestein konnte langsam erstarren und eine Erdkruste bilden, die im Laufe weiterer Jahrmillionen immer dicker wurde. Doch bis heute ist sie nur eine hauchdünne Schicht, die auf einem zähflüssigen, heißen Erdinneren schwimmt.

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
Quelle: imago stock&people

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.

Die äußerste Hülle der Erde

Wie ein Ei von der Eierschale ist auch die Erde von einer harten Hülle umgeben. Diese äußerste Schicht umgibt den Erdmantel und wird Erdkruste genannt. Vergleicht man die Erde mit einem Pfirsich, ist die Erdkruste – relativ gesehen – so dick wie seine Haut. Unter Kontinenten reicht sie durchschnittlich 40 Kilometer in die Tiefe, unter den Ozeanen sogar nur etwa sieben Kilometer.

Die Erdkruste ist im Verhältnis zur Erde so dick wie die Pfirsichhaut zum Pfirsich
Quelle: Colourbox

Darunter liegt der äußere Teil des Erdmantels, der bis in etwa 100 Kilometer Tiefe reicht. Er ist ebenfalls fest, besteht aber aus schwererem Gestein. Die Erdkruste und dieser äußerste Teil des Mantels zusammen werden auch „Lithosphäre“ genannt. Diese feste Gesteinsschicht ist in verschieden große Platten zerbrochen, die ganz langsam auf dem heißen, zäh fließenden Erdmantel umher treiben.

Island liegt auf dem mittelatlantischen Rücken, wo die Lithosphärenplatten auseinanderklaffen
Quelle: Colourbox

Wo die Gesteinsschmelze aus dem heißen Erdmantel nach oben dringt, kann die Erdkruste aufbrechen. Dann strömt Lava heraus, die zu neuer Erdkruste wird. Hauptsächlich geschieht das dort, wo die Platten der Lithosphäre aneinander grenzen, wie an den mittelozeanischen Rücken.

Die Alpen – Hochgebirge am Plattenrand
Quelle: Colourbox

In Island zum Beispiel sind diese Plattengrenzen gut zu erkennen: Risse und Furchen ziehen sich hier durch die Erdkruste, wo eurasische und nordamerikanische Platte voneinander wegdriften. Im Mittelmeerraum liegt ebenfalls eine Plattengrenze. Weil hier die Afrikanische gegen die Eurasische Platte drückt, gibt es in Italien viele Vulkane und immer wieder Erdbeben.

Die Liparischen Inseln – eine Vulkankette in Italien
Quelle: Colourbox

Die Kruste wird vom Boden bedeckt. Der Boden der Landmassen bildet sich aus verwittertem Gestein und Überresten von Tieren und Pflanzen. Der Meeresboden dagegen entwickelt sich aus Ablagerungen wie Ton und abgesunkenen Resten von Meeresorganismen. An den Küsten besteht der Meeresboden zusätzlich aus abgelagertem Geröll, das vom Festland abgetragen und ins Meer geschwemmt wurde.

Nicht mehr als ein Nadelstich

Das tiefste Bohrloch Deutschlands und eines der tiefsten weltweit

Über Jahre hat sich der Bohrmeißel mühsam in die harte Erdkruste gehämmert und gedreht. Immer wieder ist er dabei steckengeblieben. Jetzt verkündete der Pressesprecher des Tiefbohrprogramms in Windischeschenbach das Aus für das wissenschaftliche Projekt: Am 12. Oktober 1994 musste das Bohrgerät samt Messtechnik in einer Tiefe exakt 9101 Metern und bei einer Temperatur von 265 Grad Celsius abgeschaltet werden. Grund: Die Kassen des Forschungsprojekts sind leer. Das Bohrprogramm sei insgesamt sehr erfolgreich, eine Fortsetzung aber zu kostspielig.

Die Bohrung am Standort Windischeschenbach nahe bei Weiden in der Oberpfalz war 1987 gestartet worden, um die Erdkruste und die in ihr ablaufenden Prozesse näher zu erforschen. Ursprünglich wollten die Geologen bis in 14 Kilometer Tiefe bohren. Nach ihren Berechnungen hätten bis dahin die elektronischen Geräte den hohen Temperaturen von geschätzt 300 Grad Celsius Stand gehalten.

Bohrturm des kontinentalen Tiefbohrprojektes
Quelle: imago stock&people
Kola-Bohrung
Quelle: imago stock&people

Das tiefste Loch der Welt

Kola, eine skandinavische Halbinsel am eisigen Nordwestrand Russlands. Hier, wohin sich kaum eine Menschenseele verirrt, ist die Erdkruste über drei Milliarden Jahre alt. Dermaßen alte Kruste ist selten, und so startete 1970 eine wissenschaftliche Bohrung. Forscher wollten Gesteinsproben aus dem Erdinneren an die Oberfläche befördern. Doch in gut 12 Kilometern Tiefe bei einer Temperatur von fast 200 Grad Celsius wurden die Bohrgeräte weich und die Elektronik versagte. Das russische Tiefbohrprogramm musste 1989 eingestellt werden. Doch mit seinen 12262 Metern ist es bis heute das tiefste Bohrloch auf der Welt. Über 45 000 Gesteinsproben wurden in dieser Zeit der Erdkruste entnommen. Ihre Erforschung wird Jahrzehnte dauern.

Rätselhafte Löcher in der Erdkruste

TOBI erforscht Erdmantel

Britische Forscher haben auf dem Meeresboden ein mehrere tausend Quadratkilometer großes Loch in der Erdkruste entdeckt. Nach Angaben der Wissenschaftler liegt dort der Erdmantel offen. Das Forschungsschiff RSS James Cook ist nun unterwegs, um die Stellen näher zu untersuchen. Erstes Ziel der Expedition ist ein Loch zwischen Teneriffa und Barbados. Mit dem Hightech-Roboter TOBI soll der Meeresboden gescannt und Proben entnommen werden.

Die offenen Stellen liegen am Mittelatlantischen Rücken – dort driften Erdplatten auseinander und neuer Ozeanboden entsteht. Löcher und Risse sind an dieser Stelle keine Seltenheit, doch füllen sie sich normalerweise schnell wieder mit Lava von unten auf und bedecken somit das Mantelgestein. Noch ist es den Wissenschaftlern ein Rätsel, warum in diesem Fall eine Lavakruste fehlt. Wurde sie weggerissen oder hat sie sich erst gar nicht bilden können? Mit einem Untersuchungsergebnis wird in den kommenden Monaten gerechnet.

Der deutsche Forschungseisbrecher Polarstern
Quelle: imago stock&people

Bagger hebt Mantelgestein

Riesige Steinbrocken schaufelt der Bagger des deutschen Eisbrechers Polarstern aus dem eisigen Meer in der Arktis. Unter dem Mikroskop bestätigt sich, was die Forscher schon länger gehofft hatten: In den Proben finden sie reines Mantelgestein, dass nicht durch Vulkane zugeschüttet wurde. Ein bedeutender Fund, denn der Erdmantel ist schwer zugänglich und wird gewöhnlich von einer dicken Erdkruste bedeckt. Das Mantelgestein wurde am Gakkelrücken entdeckt – einem nördliche Ausläufer des Mittelatlantischen Rückens. Dort spreizt sich die Erdkruste so langsam wie sonst nirgendwo auf der Welt – weniger als einen Zentimeter pro Jahr. Deshalb gibt es dort so wenig vulkanische Aktivität, so dass das Mantelgestein gut erhalten blieb.

Waghalsige Bohrung auf hoher See

Bohrung auf dem Meeresboden gelingt

Nahe der mexikanischen Pazifikküste kämpfen vier Schiffsschrauben gegen die Wellen. Sie versuchen das Bohrschiff, die Cuss I, an seiner Position zu halten. Denn 3500 Meter unter ihm soll sich sein Bohrgerät in den Meeresboden drehen. Nach mehreren Wochen und hartnäckigen Versuchen ist nun den US-amerikanischen Forschern ein 183 Meter tiefes Loch gelungen.

Ozeanische Kruste ist wesentlich dünner als kontinentale. Ursprünglich hatte man deshalb geglaubt, in 10 bis 15 Kilometern Tiefe auf die Grenze zum Erdmantel stoßen zu können – die sogenannte Moho-Grenze. Mit ihren 183 Metern sind die Forscher zwar nicht weit gekommen, dennoch ist das Projekt ein Erfolg: Es zeigt, dass Tiefenbohrungen auf hoher See möglich sind. Es wird nur eine Frage der Zeit sein, wann man bis zum Erdmantel vorstoßen kann.

Die Entdeckung der Moho-Grenze

1909 bebte die Erde nahe der kroatischen Stadt Zagreb. Andrija S. Mohorovičić – ein kroatischer Wissenschaftler, der den inneren Aufbau der Erde erforschte – nahm sich die Aufzeichnungen der Erdbebenwellen näher unter die Lupe. Nach vielen Berechnungen stellte er fest, dass manche Wellen in etwa 30 bis 50 Kilometer unterhalb der Erdoberfläche an einer dichteren Gesteinsschicht gebrochen werden – so als würden sie gegen einen harten Gestand prallen. Er entdeckte damit den Übergang zwischen Erdkruste und Erdmantel: die „Moho-Grenze“, die nach ihm benannt wurde.