Im frühen 20.
Jahrhundert wollten Seismologen mehr über die innere Struktur der Erde
herausfinden und hielten dazu die Ankunftszeiten seismischer Wellen
auf einem sogenannten Laufzeitdiagramm fest.
Zunächst wurden die Ankunftszeiten der verschiedenen Wellentypen mit
Seismometern gemessen.
Die Zeit der Wellenankunft nach dem Erdbeben trugen die Forscher dann
auf der vertikalen Achse ein und die Entfernung zum Erdbeben auf der
horizontalen.
Zuerst sahen sie nur eine Punktwolke auf dem Diagramm.
Je mehr Erdbeben sie aber einzeichneten, desto mehr kristallisierten
sich nach und nach einzelne Linien heraus.
Woher kam dieser Zusammenhang zwischen den Ankunftszeiten der
einzelnen Erdbebenwellen und ihrer Entfernung?
Hallo und herzlich willkommen!
In diesem Video klären wir folgende Fragestellungen.
Wie ist die Erde im Inneren aufgebaut und woher kennen wir eigentlich
diesen Aufbau?
Kann man die Erde im übertragenen Sinne seismologisch aufschneiden und
in sich hineinschauen?
Die Seismologen des frühen 20.
Jahrhunderts vermuteten bereits, dass die Kurven ihres
Laufzeitdiagramms auf den Aufbau der Erde zurückzuführen sein müssten.
Außerdem stimmten die Diagramme für alle Seismometer weltweit in etwa
überein, woraus sich ein ähnliches Bild der Tiefe überall auf der Erde
ergab.
Aus dem Laufzeitdiagramm berechneten die Wissenschaftler nun, wie sich
die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der seismischen Wellen mit der Tiefe
änderten und wie damit die beobachtete Form der Kurven zustande kam.
Für die P-Wellen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit hier über der
Tiefe mit einer schwarzen Linie, für die S-Wellen mit einer grauen
dargestellt.
Die Wissenschaftler sahen, dass die Änderung der seismischen
Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen in bestimmten Tiefen besonders
signifikant ist.
Aus dieser Beobachtung zogen die Seismologen den Schluss, dass in
diesen Tiefen eine Änderung der Materialzusammensetzung der Erde
vorliegen müsste, dass die Erde also aus unterschiedlichen
konzentrischen Schichten aufgebaut ist, in denen sich Erdbebenwellen
unterschiedlich schnell ausbreiten.
Heute weiß man, dass die Erde einen Radius von fast
sechseinhalbtausend Kilometern hat.
Vergleicht man den Querschnitt der Erde mit dem einer aufgeschnittenen
Orange, erkennt man, dass beide aus verschiedenen Schichten bestehen.
Die Erdkruste entspricht dieser äußersten dünnen Schicht von weniger
als einem Prozent des Radius, den ich hier mit dem Sparschäler
abtragen kann.
In der schematischen Abbildung des Erdkörpers erkennt man sie in
braun.
Unter den Ozeanen reicht sie bis in etwa zehn Kilometer und unter den
Kontinenten im Mittel bis in 30 Kilometer Tiefe.
Unter den Gebirgen der Erde kann die Kruste auf bis zu 60 Kilometer
Mächtigkeit anwachsen.
Die Erdkruste besteht aus festem Gestein und bildet den oberen Teil
der Kontinentalplatten.
Wegen der relativ geringen Mächtigkeit der Kruste sind die
vorherrschenden Drücke und seismischen Geschwindigkeiten geringer als
in tieferen Schichten.
In der Erdkruste liegen die P-Wellengeschwindigkeiten zwischen 5,8 und
6,5 Kilometer pro Sekunde, die der S-Wellen unter vier Kilometer pro
Sekunde.
Die eigentliche Orangenschale entspricht in ihrer Dicke etwa dem
oberen Erdmantel.
Er reicht bis in eine Tiefe von 400 bis 600 Kilometern.
Das sind 5 bis 10 Prozent des Radius.
In der Abbildung ist er in Rot dargestellt.
Darunter folgt der untere Erdmantel im hellen Orange.
Je tiefer man in die Erde eindringt, desto dichter sind die dort
vorkommenden Gesteine.
Das führt zu einem Anstieg der seismischen Geschwindigkeiten im oberen
und unteren Erdmantel.
P-Wellen erreichen Geschwindigkeiten von fast 14 Kilometern pro
Sekunde, S-Wellen um die 7 Kilometer pro Sekunde.
Die Grenze zwischen unterem Erdmantel und äußerem Erdkern liegt in
etwa 2900 Kilometer Tiefe.
Hier stimmt der Vergleich mit der Orange nicht mehr ganz und wir
müssen uns andersweitig helfen.
Der Radius des Erdkerns ist etwas mehr als halb so groß wie der der
ganzen Erde.
Im Bild ist er hellgelb zu sehen.
Das entspricht etwa diesem Tischtennisball hier.
Der innere Erdkern hat einen Radius von etwa 1200 Kilometern und steht
in einem ähnlichen Verhältnis zur Gesamtgröße wie der innerste weiße
Teil der Orange.
An der Kernmantelgrenze bricht die P-Wellengeschwindigkeit ein und die
S -Wellengeschwindigkeit fällt sogar auf 0 ab.
Denn der äußere Erdkern besteht aufgrund hoher Temperaturen
hauptsächlich aus flüssigem Eisen, das bei einer Scherung keine
Rückstellkräfte aufweist und deshalb keine Ausbreitung von Scherwellen
zulässt.
Innerhalb des äußeren Erdkerns steigt die P-Wellengeschwindigkeit bis
zur Grenze des inneren Erdkerns wieder an.
Im inneren Kern liegt aufgrund des hohen Drucks des Eisen wieder in
seiner festen Phase vor, so dass sich hier neben P-Wellen auch wieder
S -Wellen ausbreiten können.
Die Geschwindigkeit beider Wellentypen bleibt dort konstant, für P
-Wellen etwa 11 Kilometer pro Sekunde und für S-Wellen knapp 4
Kilometer pro Sekunde.
An den Grenzen dieser großen Schichten werden Erdbebenwellen bei ihrem
Weg durch die Erde gebrochen und reflektiert.
Jeder Punkt im Laufzeitdiagramm gehört zu einer Erdbebenwelle auf
ihrem Weg durch die Erde hindurch.
Jede Linie oder jeder Ast beschreibt eine Kombination aus Reflektionen
und Brechungen an bestimmten Schichtgrenzen in der Erde und hat einen
bestimmten Namen, hier zum Beispiel PKiKp.
Die Welle PKiKp ist eine P-Welle, die vom Erdbeben erst durch den
Erdmantel und dann durch den äußeren Erdkern läuft.
Das K steht dabei für Kern.
Die Welle wird dann am inneren Erdkern reflektiert, I wie Innen, und
gelangt auf der anderen Seite der Erde wieder durch den äußeren
Erdkern und Erdmantel zum aufzeichnenden Seismometer.
Sie tritt in verschiedenen Entfernungsbereichen auf, die dann den Ast
im Laufzeitdiagramm ergeben.
Heute können Wissenschaftler den Aufbau der Erde noch besser bestimmen
und dreidimensionale Strukturen tomografisch auflösen.
Möglich machen das viele seismische Netzwerke, die verteilt über die
Erde Wellen von großen und kleinen Erdbeben aufzeichnen.
Ein Ergebnis einer solchen Berechnung mit vielen hundert
Erdbebenaufzeichnungen weltweit ist zum Beispiel dieses Bild des
Erdmantels.
Sie sehen die Variation der S-Wellengeschwindigkeit im Erdmantel.
Rot und gelbe Farben zeigen langsamere Geschwindigkeiten, blaue
schnellere an.
Die Erde ist zwar aus Schichten aufgebaut, dennoch gibt es darin
heterogene Strukturen, die vom Schichtaufbau um einige Prozent
abweichen.
Diese Variationen der seismischen Geschwindigkeiten innerhalb der Erde
werden vielfach durch Änderungen der Temperatur hervorgerufen.
Die elastischen Parameter der Erde, welche die seismische
Geschwindigkeit bestimmen, sind also temperaturabhängig.
Höhere Temperaturen resultieren in langsameren, niedrigere in
schnelleren Wellengeschwindigkeiten.
Hohe Temperaturen im Erdkern resultieren aus radioaktiven Prozessen
und vorhandener Restwärme der Erdentstehung.
Sie führen dazu, dass Gesteinsmaterial im Mantel und äußeren Kern
aufsteigt und in Bewegung gerät.
Dabei entstehen unter anderem Konvektionszellen im Erdmantel, die
Material an den Subduktionszonen in die Tiefe und an den
mittelozeanischen Spreizungszentren wieder nach oben transportieren.
Die Animation zeigt das Ergebnis einer Modellrechnung, das heißt ein
mögliches Muster der Bewegung, die auf der heute bekannten
Materialzusammensetzung und Temperaturverteilung in der Erde beruht.
Rote Farben stehen dabei für warmes, aufsteigendes Material, blau
-grüne Töne für kaltes, absinkendes.
Die Bewegungen laufen dabei mit Geschwindigkeiten von bis zu 10 cm pro
Jahr ab.
Das entspricht etwa der Größenordnung der Plattenbewegungen an der
Erdoberfläche, die durch eben diese Konvektionszellen angetrieben
wird.
Ich habe Ihnen in diesem Video gezeigt, dass Wissenschaftler mithilfe
von Laufzeitkurven berechnen können, dass die Erde in erster Näherung
aus verschiedenen konzentrischen Schichten aufgebaut ist.
Sie haben Charakteristika dieser Schichten kennengelernt.
Die wichtigsten Eigenschaften fasse ich noch einmal zusammen.
Die Erde besteht aus einer Erdkruste, die unter den Ozeanen dünner und
unter Gebirgsketten mächtiger ist.
Daran schließt sich der Erdmantel an, in dem Gesteinsmaterial
konvektiert.
Der Erdkern besteht tatsächlich aus Eisen mit einem äußeren,
flüssigen, ebenso konvektierenden Bereich, in dem sich keine
Scherwellen ausbreiten können, und einem inneren, festen Anteil.
Möglich werden diese Erkenntnisse durch die Auswertung von seismischen
Wellenankünften an Seismometern, die Erdbeben rund um die Erde
aufzeichnen.
Dreidimensionale Heterogenitäten innerhalb dieser Schichten können
heute mit Hilfe von dichten Seismometernetzwerken global und lokal
aufgelöst werden und erweitern stetig unser Bild der Erde.