Erde

Die Erde ist jener Planet, auf dem der Mensch angesiedelt ist. Sie ist, von der Sonne aus gesehen, der dritte Planet und vom Zentralgestirn durchschnittlich 149,6 Mio km entfernt. Da die Umlaufbahn jedoch nicht völlig kreisförmig, sondern leicht elliptisch ist, variiert die Entfernung zur Sonne von 147,1 Mio km am sonnennächsten Punkt, der Anfang erreicht wird, bis zu 152,1 Mio km am sonnenfernsten Punkt, den die Erde sechs Monate später erreicht.

Die Erde besitzt einen Durchmesser von 12.756 km und umrundet die Sonne in 365 Tagen, 5 Stunden, 48 Minuten und 45,261 Sekunden. Das sind zusammengenommen 31556925,261s. Dieser Zeitraum, der als tropisches Jahr bezeichnet wird, ist die Basis dessen was die Menschen ein Kalenderjahr nennen. Aus historischen Gründen haben sie letzteres jedoch auf 365 Tage = 31536000s festgelegt, so dass alle 4 Jahre ein zusätzlicher Tag mit 86400s, ein Schalttag, eingefügt werden muss. Hierdurch wird das Jahr zwar im Mittel um 674,74s zu lang, aber auch dieser Fehler lässt sich weitgehend ausräumen, wenn alle 100 Jahre ein Schalttag weggelassen und im 400. Jahr wieder einer eingefügt wird. Das nun gregorianisch genannte Kalenderjahr besitzt 365 Tage, 5 Stunden, 49 Minuten und 12 Sekunden, hat gegenüber dem tatsächlichen Umlauf der Erde um die Sonne eine Abweichung von +26,748s und wird in 3230 Jahren um einen Tag zu weit gezählt haben.

Damit die Erde die Strecke um die Sonne herum in dem Zeitraum eines tropischen Jahres schafft, muss sie mit einer Geschwindigkeit von 29,78km/s durch das Weltall sausen. Das entspricht einer Geschwindigkeit von 107.208 km pro Stunde.

Die Bahn der Erde um die Sonne wird Ekliptik genannt. Zu dieser Bahn ist ihre Achse um 23,45° geneigt, so dass sich auf der Erde Jahreszeiten einstellen. Für die Rotation um ihre Achse benötigt die Erde 23h 56m 4,2s. Diese Zeit wird ein mittlerer Tag genannt. Tage mit genau dieser Länge treten im Jahr nur zweimal, im Frühlingspunkt (21 März) und im Herbstpunkt (23 September) ein. Zu allen anderen Zeiten ist der Tag mit Abweichungen bis zu 15min kürzer oder länger. Die unterschiedlich schnelle Rotation ergibt sich aus der Entfernung der Erde zur Sonne. Je dichter sie bei der Sonne ist, desto schneller dreht sie sich . Ihre Bahn ist eben doch nicht vollständig rund sondern leicht elliptisch. (Exzentrizität = 0,0167) 

Auf der Erdoberfläche herrscht eine Massenbeschleunigung von 9,78m/s². Will ein Körper aus dem Anziehungsbereich der Erde entfliehen, so muss er eine Geschwindigkeit von 11,186km/s erreichen. Das entspricht 40.270km/h. 


Der Ursprung der Erde:

Die Erde ist gemeinsam mit der Sonne und den anderen 7 Planeten, Zwergplaneten und Monden  sowie einer Vielzahl von Asteroiden, Kometen und Meteoren vor ca. 4,6 Mrd. Jahren  aus einer riesigen Wolke aus Gas und Staub entstanden, dem sogenannten Sonnennebel. Im Zentrum dieser Wolke bildete sich die Sonne, deren damals schon sehr hohe Temperaturen dazu führten, dass in jenem Bereich, wo die Erde entstand, ein Großteil der flüchtigen Stoffe wie Wasserstoff und Helium im Raum verdampften. In den sonnenferneren kühleren Gebieten hingegen kondensierten diese Stoffe und trugen so zur Bildung der großen, überwiegend aus Gas bestehenden Planeten bei.

Die Gravitationskraft bewirkte, dass sich immer mehr Materie aus dem Sonnennebel auf der im Entstehen begriffenen Erde ansammelte. Auf Grund der hohen Temperaturen befand sich die Erde noch im geschmolzenen Zustand, sodass die spezifisch schwereren Bestandteile wie Eisen und Nickel zum Mittelpunkt absanken, während die leichteren Silikate, die später maßgeblich zum Aufbau der Gesteine beitragen sollten, an der Oberfläche blieben. Man bezeichnet diesen Prozess der Trennung der Materie durch Dichteunterschiede als Differentiation.

Nachdem die Differentiation abgeschlossen war, sank die Temperatur der Erde allmählich ab, sodass sich die Materie verfestigen konnte. Da die Oberfläche weder so heiß war wie die Venus noch so kalt wie der Mars, konnte sich auf ihr Wasser in flüssigem Zustand halten. Heute geht man davon aus, dass die Temperatur im Erdkern rund 6.200° C beträgt, was einerseits durch radioaktive Zerfallsprozesse bedingt ist, die Wärme produzieren, andererseits durch die isolierende Wirkung der über dem Kern liegenden Schicht, dem Erdmantel. Dadurch, dass die Gesamtmenge des radioaktiven Materials durch die ständigen Zerfallsprozesse kontinuierlich abnimmt, kühlt das Erdinnere allmählich ab.

Das Innere der Erde:

Der Kern der Erde, der von schweren Metallen wie Nickel und Eisen gebildet wird, lässt sich in zwei Schichten  unterteilen – in den inneren Kern, der aus festen Metallen aufgebaut ist und einen Radius von 1.300 km hat, sowie den flüssigen äußeren Kern, dessen Radius 2.200 km beträgt. Der Erdkern wird durch eine markante Unstetigkeit in der Dichte, die Gutenberg-Diskontinuität, vom darüber liegenden Erdmantel getrennt; bei diesem handelt es sich um eine 2.900 km dicke Gesteinsschicht, die sich ihrerseits in zwei Zonen unterteilen lässt – den starren unteren Mantel und den eher plastischen oberen Mantel. Der Großteil des oberen Mantels wird zusammen mit der darüber liegenden Erdkruste als Lithosphäre bezeichnet. Die Erdkruste weist unter dem Meeresboden eine Stärke von ca. 10 km auf, während sie unter dem Festland zwischen 30 und 70 km dick ist. Die Grenze zwischen Kruste und Mantel wird von der Mohorovicic-Diskontinuität gebildet.

Die Lithosphäre besteht aus verschiedenen größeren und kleineren Platten, die wie die Teile eines riesigen Puzzles aneinander grenzen, zwischen denen jedoch ein gewisser Bewegungsspielraum besteht. Diese Platten gleiten auf dem heißen, fließfähigen Material, der sogenannten Asthenosphäre, dahin. Gemäß der Plattentektonik sind jene Bereiche, in denen sich Platten einander berühren, durch eine gewisse Instabilität gekennzeichnet, die zu Erdbeben und Vulkanismus führen kann.  

 

Das Magnetfeld:

Man geht heute davon aus, dass das Magnetfeld der Erde von elektrischen Stromsystemen im Erdkern herrührt, die es mit Hilfe der Erdrotation in der Art eines Dynamos erzeugen und aufrechterhalten. Die Wirksamkeit des Erdmagnetfeldes beginnt etwa bei etwa 100 km Höhe und reicht bis zu einer Entfernung von etwa 50.000 km. Diese so genannte Magnetospähre schützt die Erde vor dem Einfluss des Sonnenwindes, also jener elektrisch geladenen Teilchen, die von der Sonne zur Erde gelangen. Diese Teilchen sind auch für die spektakulären Leuchterscheinungen des Polarlichts verantwortlich.

Aus der Analyse von Gesteinsproben vom Meeresgrund kann man schließen, dass sich das Magnetfeld im Laufe der Erdgeschichte – und zwar in Abständen von ca. 100.000 Jahren – immer wieder umgepolt hat. Man kennt bislang weder die Ursache für diese Umpolungen, noch weiß man, ob sie sich spontan oder im Laufe mehrerer Jahre vollziehen.

Erdbeben und Vulkanismus:

Das Zusammentreffen zweier Platten kann zu einer Druckerhöhung sowie zu einem Anstauen von Deformationsenergie führen, die ruckartig in Form von oft recht heftigen Erschütterungen der Erdkruste freigesetzt werden kann. Bei allen Schäden, die durch Erdbeben verursacht werden können, hat man durch das Studium der seismischen Wellen, mit denen sich die Erschütterung ausbreitet, wichtige Erkenntnisse über den inneren Aufbau unseres Planeten gewinnen können

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Wenn zwei Platten auseinander driften, so bilden sich Klüfte und Spalte, aus denen basaltisches Magma aus dem Erdmantel aufsteigt. Dieses flüssige Material verfestigt sich und trägt so zur Bildung von neuer Erdkruste bei. Wenn zwei Platten aufeinander treffen, kann es zu zwei verschiedenen Phänomenen kommen: handelt es sich um zwei kontinentale Platten, also Platten von gleicher Dichte, so wird das Gestein an den Rändern komprimiert, gefaltet und gehoben – es kommt zur Bildung eines Faltengebirges, wie etwa des Himalaya. Trift aber eine kontinentale auf eine ozeanische Platte, so schiebt sich die schwerere ozeanische unter die leichtere kontinentale Platte. Letztere wird komprimiert, was zur Bildung eines Küstengebirgszuges mit ausgeprägtem Vulkanismus führt – ein Phänomen, das durch die Aufschmelzung der ozeanischen Platte bedingt ist. Aus solchen Prozessen sind etwa die Gebirgszüge an den Pazifikküsten des amerikanischen Kontinents hervorgegangen.

Die Atmosphäre:

Die Erde ist von einer Lufthülle, der Atmosphäre, umgeben, die in ihrer heutigen Zusammensetzung für das Leben auf unserem Planeten unerlässlich ist. Sie enthält etwa 77% Stickstoff, 21% Sauerstoff, 1% Wasserdampf, 0,93% Argon und 0,03% Kohlendioxid: in vernachlässigbaren Größenordnungen wie z.B. Neon, Helium, Krypton, Wasserstoff, Ozon, Schwefeldioxid, Ammoniak und Kohlenmonoxid.

Neben der Bildung der festen Kruste kam es durch die Aufheizung und Differenzierung zur Freisetzung von Wasser und Gasen aus dem Erdinneren. Heiße Wasserdampfwolken kondensierten und setzten sich in flüssiger Form in den Niederungen der Oberfläche ab. Aus dem durch Vulkanausbrüchen freigesetzten Gasgemisch kann man schließen, dass die frühe Atmosphäre vor allem aus Wasserdampf, Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff bestanden hatte.

Leichte Wasserstoffmoleküle entwichen - wie heute noch - in den Weltraum. Ein Teil des Wasserdampfs wurde durch das Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei sich der freie Sauerstoff sofort an andere Gase und Metalle in der Erdkruste anlagerte und mit ihnen Metalloxide bildete. Ein Teil des Kohlendioxids wurde der Atmosphäre entzogen und ging in der Kruste chemische Verbindungen mit Kalzium, Wasserstoff und Sauerstoff ein.

Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre unterscheidet sich allerdings wesentlich von jener, die auf einem ausdifferenzierten Planetenkörper zu erwarten wäre. Die Erdatmosphäre entstand durch das Ausströmen flüchtiger Verbindungen aus dem Erdinneren, wonach sie aus einem Gemisch aus Wasserdampf, Wasserstoff, Chlorwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff bestehen müsste. Will man sich darüber Aufschluß verschaffen, kann man die Atmosphären der Venus und des Mars betrachten, unserer nächsten planetarischen Nachbarn. Deren Atmosphären bestehen zu 95% aus Kohlendioxid mit wenig oder überhaupt keinen Sauerstoff.

Wenn die Vorgänge bei der Entstehung der Erdatmosphäre denen der Venus und des Mars glichen, stellt sich die Frage, warum sich die Erdatmosphäre so grundlegend von jenen unterscheidet. Mit anderen Worten: Wohin ist das Kohlendioxid entschwunden?

Die Umwandlung der frühen, für den Menschen giftigen Atmosphäre in ihren heutigen, sauerstoffreichen Zustand läßt sich zum größten Teil auf die Entstehung des Lebens zurückführen.

Zwei Mechanismen - ein biologischer und ein auf Lebensformen beruhender geo-chemischer - waren dafür verantwortlich. Der bedeutendste Prozess ist dabei das Auswaschen des Kohlendioxids aus der Atmosphäre. Regnet eine schwache Säurelösung auf den Boden und freiliegendes Gestein nieder, verwittert dieses - Mineralien werden in fester oder gelöster Form in die Bäche und Flüsse geschwemmt. Das Kohlendioxid der Atmosphäre ist somit in den Mineralien gebunden und wird in die Ozeane getragen, wo es von Meereslebewesen aufgenommen wird, die aus den Kalziumkarbonaten schützende Schalen herstellen. Wenn sie sterben, sinken ihre Schalen auf den Meeresgrund und bilden dort Karbonatgestein - Kalkstein. Berechnungen der Kohlendioxidmenge, die im Gestein der irdischen Lithosphäre gebunden ist, kamen etwa auf einen Wert, der dem Gehalt in der Venusatmosphäre entspricht.

Auch der Prozess, durch den auf der Erde Sauerstoff entsteht, trägt, wenngleich in vorwiegend zeitlich beschränkter Form, zum Abbau des Kohlendioxids in der Atmosphäre bei. Die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlehydrate und Sauerstoff unter Einwirkung des Sonnenlichts wird Photosynthese genannt. Dieser Vorgang, an dem alle grünen Pflanzen von den Algen an aufwärts teilhaben, setzt Sauerstoff frei und bindet gleichzeitig Kohlenstoff in organische Materie - in Lebewesen. Der Sauerstoff begann sich von dem Zeitpunkt an in der Atmosphäre anzureichern, als die durch Photosynthese entstandene Menge jene übertraf, die durch chemische Reaktion mit den Gasen und Metallen der Erde verbraucht wurde.

Der Großteil des durch Photosynthese gebundenen Kohlendioxids wird wieder frei, wenn die Lebewesen sterben und abgebaut werden. Falls sie jedoch verschüttet oder begraben werden, bleibt der Kohlenstoff über lange Zeiträume hinweg in den Ablagerungen und dem Sedimentgestein gebunden - woraus, wenn er in großer Konzentration vorliegt, im Lauf der Zeit Kohle-, Erdöl- und Erdgasvorkommen werden.

Die Atmosphäre, die durch die Schwerkraft an die Erde gebunden ist, wird in verschiedene Schichten unterteilt. Die unterste Schicht, Troposphäre genannt, erstreckt sich über 10 bis 15 km, sie ist jener Bereich, in dem das Wetter auf unserem Planeten seinen Ursprung hat. Mit zunehmender Höhe werden in dieser Zone Temperaturen von -40°C bis -50°C erreicht. Über die Troposphäre liegt bis zu einer Höhe von 60 km die Stratosphäre, in der sich unter Einwirkung des UV-Lichts aus dem Sauerstoff der Luft Ozon bildet. Dieses Ozon absorbiert einen Großteil der schädlichen ultravioletten Strahlung und ist somit für den Schutz des Lebens auf der Erde unerlässlich. Da die Ozonschicht von der Sonne erwärmt wird, herrscht im oberen Teil der Stratosphäre eine Temperatur von bis zu 15°C. Über der Stratosphäre erstreckt erstreckt sich bis in eine Höhe von ca. 500 km die Ionosphäre. Diese Schicht reflektiert die von der Erde ausgesandten Radiowellen, insbesondere die Kurzwellen, und ermöglicht so den Weltempfang. In dieser Zone bilden sich die so genannten leuchtenden Nachtwolken, und zwar durch Kondensation des Wasserdampfes an Staubteilchen, wodurch sich kleine Eiskügelchen bilden. Die Ionosphäre wird ihrerseits in die Mesosphäre (60 – 85 km) und die Thermosphäre (bis 200 km) unterteilt. Die Mesosphäre ist im unteren Bereich wärmer und kühlt mit zunehmender Höhe auf bis zu -90°C ab. Über die Ionosphäre liegt die Exosphäre, wo nur noch sehr spärlich Moleküle vorhanden sind und die schließlich in den leeren Raum übergeht. 

Das Leben auf der Erde:

Zwei Drittel der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt, das ebenso wie das Festland und die untersten Schichten der Atmosphäre von Leben erfüllt ist. Über die Frage, wie das Leben auf unseren Planeten entstanden ist, wird immer noch heftig diskutiert – fest steht nur, dass das Auftauchen des Lebens nur mit dem Vorhandensein von Wasser in flüssigem Zustand denkbar ist.

Als die Erde vor ca. 4,6 Milliarden Jahren entstand, war sie ein unbelebter, ja lebensfeindlicher Ort. Eine Milliarde Jahre später wimmelte sie von Organismen, die den modernen blaugrünen Algen, heute Cyanobakterien, genannt ähnelten. Wie kam es zu diesem Wandel? So alt die Frage nach dem Ursprung des Lebens ist, regt sie zu fesselnden und originellen Experimenten an.

An Theorien, wie sich das Leben entwickelte, nachdem Einzeller das Meer erobert hatten, herrscht kein Mangel. Evolutionsbiologen und Molekularbiologen können hinreichend plausibel erklären, warum Vielzeller entstanden.

Problematisch ist allerdings die Entstehung des Lebens selbst. Was war zuerst da, Stoffwechsel oder Zelle. Wie konnten Zellen überhaupt entstehen. Wo genau lag der Zeitpunkt an dem aus anorganische Materie organische Materie und aus organischer Materie belebte Materie entstand.

Man unterscheidet nach molekularbiologischen Kriterien drei Domänen: die eigentlichen Bakterien  (Bacteria), die Archaeen (Archaea), früher auch Archaebakterien genannt und die Eukaryoten  (Eucaryota). Die beiden erstgenannten Domänen enthalten keinen Zellkern, sie werden Prokaryoten  genannt. Die letztgenannte Domäne umfasst alle Lebewesen mit Zellkern, darunter fallen alle uns vertrauten Tiere ,Pflanzen  und Pilze  sowie die Protisten.

Derzeit werden folgende Theorien diskutiert:

1. Entstehung des Lebens in einer Ursuppe bzw. im Meer

2. Die Entstehung des Lebens in der Tiefsee (hydrothermale Quellen, black Smokers)

3. Die Panspermie-Theorie

4. Die Kometen Theorie

5. Die Meereis Theorie

6. Die Tonmineral Theorie

Im Folgenden werde ich in Kurzform die Entstehung des Lebens in einer Ursuppe bzw. Meer darstellen:

Eine gewisse Einigkeit herrscht auch darüber, dass einst auf der Erde heftige elektrische Stürme tobten, die zu chemischen Reaktionen zwischen den Gasen der Atmosphäre führten. Daraus dürfen auch organische Moleküle wie die Aminosäuren hervorgegangen sein, die ihrerseits die Proteine aufbauen, womit die Basis für die ersten primitiven Lebensformen gelegt war. Diese organischen Moleküle lagerten sich im Meer ab, wo sie weiteren chemischen Reaktionen ausgesetzt waren. Im Laufe dieser Entwicklung bildeten sich nach einer Milliarde Jahre die ersten einfachen Strukturen, die im Stande waren sich zu vermehren, d.h. die ersten primitiven Zellen.

Die pflanzlichen Zellen nutzen das vorhandene Kohlendioxid zur Herstellung der Stoffe, von denen sie sich ernährten, so wie dies die Pflanzen auch heute noch machen. Dieser Vorgang, die Fotosynthese, war für die weitere Entwicklung des Lebens auf der Erde von fundamentaler Bedeutung, weil dabei quasi als Nebenprodukt Sauerstoff freigesetzt wurde, der im Laufe von Milliarden Jahren die Zusammensetzung der Atmosphäre veränderte. Dabei konnten sich auch tierische Lebensformen entwickeln, für die ein gewisser Sauerstoffgehalt in der Lauft absolut lebensnotwendig ist. Während der folgenden Milliarden Jahren hat sich schließlich jene Vielfalt an Lebewesen entwickelt, die heute auf der Erde zu finden sind.

Die Erde ist immer noch der einzige uns bekannte Planet, auf dem Leben entstanden ist. Es ist jedoch anzunehmen, dass es auch in anderen Sonnensystemen unserer Milchstraße und in fernen Galaxien Planeten ähnlich der Erde gibt. Ob sich auch dort Leben entwickelt hat – das ist eine Frage, die sich heute noch nicht beantworten lässt. Die Wahrscheinlichkeit für die Entwicklung außerirdischen Lebens – in welcher Form auch immer – halte ich für hoch.


Das Ende der Erde:

Etwa 1 Milliarden Jahre wird das Fenster für höheres Leben geöffnet gewesen sein, wenn es die zunehmend heißer werdende Sonne in spätestens 500 Millionen Jahren schließt. ¾ des Lebenszeitraums auf der Erde sind also verstrichen. Zwar wird die Sonne in der nächsten Milliarde Jahre nur geringfügig heißer, Computersimulationen sprechen von ca.60°C, doch reichen bereits wesentlich kleinere Änderungen der Sonnenparameter aus, um die Erde zu verwüsten. In der zweiten Hälfte des 17.Jahrhunderts blieb beispielsweise die an den Sonnenflecken ablesbare Sonnenaktivität unter dem üblichen Mass zurück, worauf sich auf der Erde eine kleine Eiszeit einstellte. Bei dem vermuteten Anstieg um 60°C hat das Leben auf der Erde keine Chance mehr. 

Langsam aber stetig wird sich die Erde zu einer Gluthölle entwickeln. Zunächst schmelzen die Polkappen ab. Die heutigen Berge werden aus den steigenden Ozeanen als Inseln herausschauen. Dann verdunstet das Wasser und eine undurchdringliche Wolkendecke hüllt die Erde ein. In den hohen Schichten der Atmosphäre zerlegt UV-Licht das Wassergas in Sauerstoff und Wasserstoff. Der Wasserstoff entweicht in das Weltall und die Erde wird zu einer wasserlosen Wüste verdörren. Es bleiben ihr dann noch 4 ½ Milliarden Jahre, die Spuren des Lebens vollständig zu verwischen .. bis, die sich im Sterben aufblähende Sonne die Erde umschließt und sie in Gas zurückverwandelt.



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mit freundlicher Genehmigung von D. Schwarzer www.astro.goblack.de