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.

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.

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.

Wenn die Erde bebt

Die Erde zittert, Risse klaffen im Erdboden, Bäume schwanken und Häuser stürzen ein – Erdbeben sind Naturgewalten mit zerstörerischer Kraft. Wenn die Erde bebt, können ganze Stadtteile in sich zusammenfallen. In bestimmten Gebieten bebt die Erde besonders oft, nämlich dort, wo die Platten der Erdkruste aneinandergrenzen. Das ist zum Beispiel in Japan, an der Westküste der USA oder im Mittelmeerraum der Fall.

Die Ursache von Erdbeben ist die Bewegung der Platten. Diese schwimmen auf dem zähflüssigen Material des Erdmantels, dessen Strömungen sie antreiben wie ein Motor. Dort, wo zwei Platten aneinander grenzen, können sich ihre Gesteinsmassen verhaken und ins Stocken geraten. Das Problem ist: Die Strömung im Erdinneren treibt sie weiter an. Dadurch entstehen enorme Spannungen zwischen den beiden Platten. Werden die Spannungen irgendwann zu groß, bewegt sich eine der Platten ruckartig vorwärts. Die Spannung entlädt sich: die Erde bebt.

Japan ist von Erdbeben besonders stark bedroht
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Häufig geschehen Erdbeben dort, wo zwei Platten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbeigleiten, wie an der Küste Kaliforniens. Wo Platten aufeinander stoßen geht das ebenfalls nicht reibungslos ab. So driftet zum Beispiel die Afrikanische auf die Eurasische Platte zu und taucht dabei unter diese ab. Weil diese Plattengrenze im Mittelmeerraum verläuft, bebt in Italien oder in der Türkei immer wieder die Erde. Auch dort, wo die Erdkruste auseinander gezerrt wird, gibt es Erdstöße, zum Beispiel im Oberrheingraben. Diese waren in den vergangenen Jahrhunderten zwar weniger stark, doch auch hier gab es schon heftige Erschütterungen: Im Jahr 1356 richtete ein starkes Beben großen Schaden in der Stadt Basel an.

Von Erdbeben zerstörtes Gebäude
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Nicht jedes Mal ist die Bewegung der Platten „schuld“ an einem Erdbeben. Auch Einstürze können die Umgebung erschüttern. Das geschieht dann, wenn natürliche oder vom Menschen geschaffene Hohlräume einbrechen. Solche Beben reichen aber nicht so weit und sind nicht so stark wie Beben, die von der Bewegung der Erdplatten ausgelöst wurden.

Die Küste von Kalifornien ist Erdbebengebiet
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Der genaue Punkt, von dem ein Erdbeben ausgeht, ist der Erdbebenherd, auch Hypozentrum genannt. Von hier aus breiten sich die Erdbebenwellen in alle Richtungen aus – vergleichbar den Wellen, nachdem ein Stein ins Wasser geplumpst ist. Je größer die Entfernung vom Erdbebenherd, desto schwächer werden die Erdbebenwellen, die die Erde zum schwanken bringen.

Auch in Chile bebt häufig die Erde
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Direkt über dem Herd oder Hypozentrum liegt an der Erdoberfläche das Epizentrum. Rund um dieses Epizentrum sind die Zerstörungen eines Erdbebens meist am größten. Wie stark ein Beben ist, lässt sich mit speziellen Geräten messen. Meist wird die Stärke mit Werten auf der nach oben offenen Richterskala angegeben. Das stärkste bisher gemessene Erdbeben war das von Valdivia am 22. Mai 1960, auch Großes Chile-Erdbeben genannt. Es erreichte eine Stärke von 9,5 auf der Richterskala.

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
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Kola-Bohrung
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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.

Sowjetunion gräbt tiefstes Loch der Erde

Die Hölle angebohrt

Noch nie ist ein Mensch tiefer in die Erde eingedrungen: Auf der Halbinsel Kola hat ein sowjetisches Forscherteam ein Loch von über 12 Kilometer Tiefe in die Erdkruste gebohrt. Wegen der unerwartet großen Hitze im Untergrund wurde die Aktion nach 12.262 Meter eingestellt.

Schon im Jahr 1970 hatte die ehemalige Sowjetunion mit ihrer Bohrung auf der Halbinsel Kola im Norden des Landes begonnen. Ziel der „supertiefen Kola-Bohrung SG-3“ war es, die Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel zu erreichen und Gesteinsproben zu entnehmen. Die Wahl fiel auf Kola, weil das Gestein hier mehr als zwei Milliarden Jahre alt ist. Hier setzte die Bohrmaschine „Uralmasch-4E“ an, die auch für Erdölbohrungen genutzt wurde. Später wurde sie durch ein Gerät ersetzt, das bis 15 Kilometer ins Erdreich gelangen sollte.

Auf dem steinigen Weg in den Untergrund wurden 45.000 Gesteinsproben entnommen, diverse Fossilien entdeckt und sogar Gold gefunden. Auch für die Industrie nützliche Kupfer- und Nickelvorkommen konnten geortet werden. Die größte Überraschung aber war: Ab 10 Kilometer Tiefe herrschte eine ungeahnte Hitze. Die Temperaturen waren mit 180 Grad Celsius viel höher als erwartet. Bei 12.262 Meter Tiefe war schließlich Endstation. Technische Pannen verhinderten das Voranschreiten der Bohrarbeiten. Es ist sogar von höllischen Geräuschen im Untergrund die Rede. Ob es sich bei den schauderhaften Klängen um Gruselgeschichte handelt, oder ob hier die Erdkruste ächzt? Für die Wissenschaft gibt die supertiefe Kola-Bohrung jedenfalls noch einige Rätsel auf.

Kola-Bohrung, 1981
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Tiefenrekord der USA gebrochen

Mit der Kola-Bohrung verfolgte die Sowjetunion neben einem wissenschaftlichen noch ein anderes Interesse:

Sie wollten die USA übertrumpfen, die mit ihrer Bohrung „Berta Rogers“ immerhin 9.583 Meter Tiefe erreicht hatte. Im US-Bundesstaat Oklahoma liegt dieses Bohrloch, das von 1974 an als das tiefste der Welt galt. Doch der Rekord währte nur fünf Jahre. Am 6. Juni 1979 hatte die UdSSR den Tiefenrekord der Amerikaner mit der Kola-Bohrung geknackt. Trotz aller Rekorde: Bei einem Erdradius von 6371 Kilometern sind beide Löcher gerade mal ein kleiner Piekser an der Erdoberfläche.