Heimatplanet Erde geophysikalische Grundlagen

Heimatplanet Erde
geophysikalische Grundlagen Zufall oder Notwendigkeit ?
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Planet Erde
1.1 Gesteinsplanet
Man unterscheidet Gesteinsplaneten (erdähnlich) und Gasplaneten (Gasriesen).
Wie stark sich Gasmassen zusammenziehen hängt von der Gesamtmasse, der
Verteilung dieser Masse im Raum sowie der Gravitationskonstanten ab:
FG = G ⋅
m1 ⋅ m 2
r2
mit G = 6,673 ⋅ 10−11
m3
kg⋅s2
(Gravitationsgesetz, Newton, 1685)
Für die Erdoberfläche resultiert daraus eine Schwerebeschleunigung von
g = G⋅
m Erde
= 6,673 ⋅ 10 −11
rErde 2
Die mittlere Dichte der Erde beträgt ρ =
m3
kg⋅s2
⋅
5,974 ⋅ 1024 kg
( 6378 km )
2
≈ 9,8
m
s2
m
m
= 4 Erde 3 ≈ 5,5 cmg 3 .
V 3 ⋅ π ⋅ rErde
1.2 Erdrotation
Die Erde nimmt an zwei Rotationen teil. Einerseits der Rotation um die Sonne auf
einer elliptischen Bahn mit T = 365,26 d ("De revolutionibus orbium coelestium",
Begründung des heliozentrischen Weltbildes durch Kopernikus, 1543), andererseits
der Rotation um die eigene Achse mit T = 1 d (Nachweis 1851 durch Foucaults
Experiment in Paris). Dadurch sind ein Jahr und ein Tag definiert.
Dass ein Jahr nicht länger als ein Tag dauern muss, beweist der innerste Planet
Merkur: Ein Merkurtag dauert zwei Merkurjahre.
1.3 Neigung der Erdachse
Die Erdachse ist um 23°26′ gegenüber der Ekliptik (=Ebene, in der sich die Erdbahn
um die Sonne befindet) geneigt. Die Sonne steht daher mittags im Zenit über dem
Äquator (Frühling- und Herbstbeginn), dem nördlichen Wendekreis (Sommerbeginn)
bzw. dem südlichen Wendekreis (Winterbeginn). Die Neigung der Erdachse ist
verantwortlich für die Existenz von Jahreszeiten.
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Atmosphäre
2.1 Existenz von Sauerstoff
Die Erde besitzt eine dichte, etwa 640 km hoch reichende Atmosphäre, die sich
hauptsächlich aus Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) zusammensetzt. Aufgrund
des Gravitationsgesetzes ist die Erde in der Lage, diese Gashülle an sich zu binden.
2.2 Treibhauseffekt
Aufgrund ihrer Albedo von 0,367 (d.h. 36,7% der auf die Erde gestrahlten Energie
wird ins Universum reflektiert) und der von der Sonne empfangenen
Strahlungsenergie von ca. 1,5 ⋅ 1018 kWh kann man für die Erde eine mittlere
Temperatur von −27 °C berechnen. Tatsächlich gilt für die Erdoberfläche aber ein
Mittelwert von +15 °C . Dieser Unterschied wird durch Wasserdampf und Kohlendioxid
sowie Methan (aus Faulprozessen) in der Atmosphäre bewirkt, die einen moderaten
Treibhauseffekt hervorrufen.
[Zum Vergleich: Der weltweite Energiebedarf besitzt eine Größenordnung von 1014 kWh .]
2.3 Strahlenschutz
Der in der Atmosphäre enthaltene Sauerstoff dient nicht nur der Atmung, sondern
sorgt auch für einen Schutz vor UV-, Röntgen- und Gammastrahlung (kosmische
Strahlung).
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Wasser
3.1 blauer Planet
70,7% der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt.
V ≈ 500 Mio. km2 ⋅ 2,5km ≈ 1,386 Mrd. km3
Die Herkunft des Wassers auf der Erde ist nicht befriedigend geklärt.
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, auch Sauerstoff kommt in
großen Mengen vor (z.B. verleiht Eisen-III-oxid der Marsoberfläche ihre
charakteristische rote Farbe). Wasser, als chem. Verbindung von Wasserstoff und
Sauerstoff, kommt auf der Erde in deutlich größeren Mengen vor als auf den anderen
inneren Planeten.
Wasser kann man auch auf anderen Planeten und Monden finden, ist jedoch im
Universum sehr dünn verteilt. Allein die Saturnringe enthalten 20 bis 30mal so viel
Wasser wie auf der Erde vorkommt.
Vulkanismus und Plattentektonik sind die Ursachen für Landbildung und damit für die
Weiterentwicklung des Lebens.
3.2 spezifische Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, welche Energie notwendig ist,
um 1g um 1K zu erwärmen. Für Wasser gilt der auffällig hohe Wert von
c Wasser = 4,187 g⋅JK ,
dies ist der mit Abstand höchste Wert unter allen Flüssigkeiten.
Ursache dafür ist die Dipoleigenschaft von Wasser, die wiederum dafür
verantwortlich ist, dass jedes Wassermolekül mit bis zu vier anderen
Nachbarmolekülen durch Wasserstoffbrücken verbunden ist. Ohne diese
Wasserstoffbrücken wäre H 2O unter Normalbedingungen (1bar Druck, 25 25 °C
Temperatur) ein Gas.
Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität stellt Wasser einen idealen Wärmespeicher
dar und ist somit z.B. verantwortlich für die Entstehung maritimen Klimas.
3.3 Anomalie des Wassers
Normalerweise gilt für Festkörper, Flüssigkeiten und Gase, dass sich diese mit
steigender Temperatur (bei gleichem Druck) ausdehnen. Daher nimmt die Dichte mit
zunehmender Temperatur ab. Da flüssiges Wasser bei 1013 hPa Luftdruck
Temperaturen von 0 °C bis 100 °C besitzen kann, müsste daher Wasser bei 0 °C
seine größte Dichte besitzen. Tatsächlich ist dies aber bei einer Temperatur von
3,98 °C
der Fall. Dieser Umstand wird als Anomalie des Wassers bezeichnet. Sie ist dafür
verantwortlich, dass Wasser von oben nach unten und nicht von unten nach oben
gefriert. Daher können größere Seen im Winter nicht komplett zufrieren.
3.4 Oberflächenspannung
Wasser besitzt (nach Quecksilber) auch die größte Oberflächenspannung
(Oberflächenenergiedichte) aller Flüssigkeiten von
σ = 72 mN
m .
Diese erleichtert die Tröpfchenbildung und ermöglicht es manchen Insekten, über
eine Wasseroberfläche zu laufen.
3.5 spezifische Verdampfungswärme
Wasser besitzt von allen Flüssigkeiten die größte spezifische Verdampfungswärme:
r = 2256 gJ
Diese bedingt einen starken Kühlungseffekt bei Transpiration.
3.6 Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist auffallend gering. Dies führt dazu, dass
Ozeane die von ihnen aufgenommene Energie nicht wieder schnell an kältere Körper
abgeben. Dieser Effekt ist dafür verantwortlich, dass die Temperatur auf dem
gesamten Planeten sehr konstant ist.
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Magnetfeld
Die Erde besitzt ein (etwa im Vergleich zum Mars) starkes Magnetfeld mit einer
magnetischen Flussdichte von ca. B = 30 μT am Äquator. An den Polen ist es doppelt
so stark.
Fehler! Unbekanntes Schalterargument.
Fehler! Unbekanntes Schalterargument. Die Magnetosphäre schützt die
Erdoberfläche vor von außen eindringenden energiereichen, geladenen Teilchen
(Sonnenwind).
Ursache des Erdmagnetfeldes sind wahrscheinlich Strömungen im Bereich des
äußeren Erdkerns. Eine überzeugende Theorie existiert nicht.
Fehler! Unbekanntes Schalterargument.
Auch der Umstand, dass ca. alle 200.000 Jahre eine Umpolung erfolgt, ist noch nicht
erklärt.
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Mond
Die Erde verfügt im Vergleich zu allen anderen Planeten unseres Sonnensystems
über einen auffällig großen Mond:
d Mond > 14 ⋅ d Erde
und
m Mond ≈ 811 ⋅ m Erde
Die folgende Abbildung gibt Größe und Abstand von Erde und Mond zueinander
maßstabsgetreu wieder:
Fehler! Unbekanntes Schalterargument.
Erde
Mond
Erde und Mond umkreisen einen gemeinsamen Schwerpunkt. Dieser Umstand ist die
Ursache dafür, dass auf der Erde Gezeiten existieren.