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Über dieses Buch

Die Erde ist ein außergewöhnlicher Planet. Und seine Geheimnisse sind noch keineswegs entschlüsselt. Lernen Sie das System Erde mit diesem Buch besser kennen und erfahren Sie, wie Geowissenschaftler heute die Strukturen, Prozesse und Wechselwirkungen unseres Heimatplaneten erforschen und zu welch überraschenden Entdeckungen sie dabei immer wieder kommen.

Earth is an exceptional planet. And by no means have all its secrets been deciphered yet. With this book, you are invited to gain a better knowledge of System Earth, and you will learn how today’s geoscientists examine the structures, processes and interactions of our home planet and what surprising discoveries they often make.

Einen Planeten wie die Erde gibt es im All nach unserem heutigen Wissen kein zweites Mal. Unser Heimatplanet erweist sich bei näherer Betrachtung als ein einzigartiges System von Beziehungen und Wechselwirkungen zwischen den großen Teilsystemen Geosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Biosphäre. Deren überraschend fein abgestimmtes Zusammenspiel konnte Leben – einschließlich des Menschen – hervorbringen, das seinerseits wiederum die Teilsysteme modifiziert. Im Zuge der Erforschung dieses hochkomplexen Systems haben sich die Geowissenschaften in den letzten Jahrzehnten stark gewandelt. Ihre einzelnen Fachdisziplinen verstehen sich heute auch als Teilkomponenten einer systemischen Betrachtung. Und Themen wie Klimawandel und Ressourcenverknappung zeigen, dass moderne Geoforschung nicht nur faszinierend, sondern für den Menschen, der die Erde als Lebens- und Gestaltungsraum nutzt, unverzichtbar ist.

Dabei haben wir noch viel zu entdecken. Die Erkundung der Erde – sei es an deren direkt zugänglicher Oberfläche oder im tiefen Untergrund, sei es im Labor oder bei der Beobachtung aus dem Weltraum – bringt ständig neue, erstaunliche Einsichten hervor. Aber es geht um mehr als packende Wissenschaft: Ohne geowissenschaftliche Forschung, die heute ein global vernetztes Unterfangen ist, sind Antworten auf die Herausforderungen einer ständig wachsenden Weltbevölkerung und einer zunehmenden Inanspruchnahme der natürlichen Lebensgrundlagen nicht zu finden. Große Forschungseinrichtungen wie das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam leisten hierfür bedeutende Beiträge. GFZ-Mitarbeiter gewähren in diesem ebenso spannend wie verständlich geschriebenen Buch faszinierende Einblicke in ihre Arbeit – eine Arbeit, die dem besseren Verständnis des Systems Erde dient und die Grundlagen für ein möglichst umfassendes Erdsystemmanagement liefert.

As far as we know, there is no other planet like Earth in the universe. At closer inspection our home planet reveals itself as a unique system of relationships and interactions of the major subsystems, the geosphere, atmosphere, hydrosphere, cryosphere, and biosphere. Their surprisingly fine-tuned interactions were capable to bring forth life, including the evolution of humans, and life in turn modifies the subsystems yet again. In researching this highly complex system, the Earth sciences have changed significantly in recent decades. Today, its various disciplines are considered to be components of a systemic approach. At the same time topics such as climate change and shortage of resources indicate that modern geological research is not only fascinating but also indispensible for us humans, who use Earth as habitat and creative space.

There is much to discover still. In the ongoing exploration of Earth – be it at its easily accessible surface or deep below, be it in the lab or from space – new, astonishing findings are constantly being uncovered. But geoscientific research does not simply focus on exciting science. It is a truly global undertaking, without which answers to the many challenges of a continuously growing world population and an increasing pressure on the natural life systems cannot be found. Large research institutions such as the GFZ German Research Centre for Geosciences in Potsdam make important contributions to this progress. In this exciting and very accessible book, GFZ researchers provide fascinating insights into their work – work that serves a better understanding of System Earth and provides the basis for the best possible and comprehensive Earth system management.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 01/Chapter 01. Das komplexe System Erde

Zusammenfassung
Vor über viereinhalb Milliarden Jahren begann eine Staub- und Gaswolke im Weltall sich zu einigen Dutzend Protoplaneten zu verdichten. Durch Kollision und Verschmelzen wuchsen diese zu einem größeren Körper an, der um eine noch recht junge Sonne rotierte. Dieser Planet, den wir heute Erde nennen, verfügt noch immer über eine große Menge Energie, die ihn zu einem der dynamischsten Himmelskörper macht, die wir kennen. Ausdruck dieser Dynamik ist die Tektonik, die — angetrieben durch die enorme Wärme im Erdinnern — die großen Platten auf der Erdoberfläche bewegt.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 02/Chapter 02. Der Blick aus dem All in das System Erde

Zusammenfassung
Eine Fotografie der Erde, aufgenommen von einem Satelliten oder aus einer Raumstation in erdnaher Umlaufbahn, kommt uns heute völlig normal vor. Als in den 1960er Jahren die ersten Aufnahmen unseres Planeten aus größierer Distanz gemacht wurden und den ermöglichten, war das jedoch eine Sensation. Auch heute noch haben Bilder der Erde aus dem Weltraum eine hohe Faszination und einen besonderen ästhetischen Reiz. Aber die Erdbeobachtung aus dem All dient nicht in erster Linie der kontemplativen Betrachtung. Satelliten sind heute ein Universalwerkzeug der Forschung, und auch die Geowissenschaften kommen längst nicht mehr ohne sie aus. Sie erlauben uns nicht nur einen Blick auf die Erde, sondern einen Einblick in das System Erde.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 03/Chapter 03. Wie die moderne Tektonik Wegener vom Kopf auf die Füße stellt

Zusammenfassung
Keine Entdeckung seit der Kopernikanischen Wende hat unser Bild der Erde so grundsätzlich verändert wie die Theorie der Plattentektonik, die heute die generalisierende Theorie der Geowissenschaften ist. Das Wissenschaftsmagazin New Scientist stellt sie gleichberechtigt mit der Evolutionstheorie und der Relativitätstheorie unter die wichtigsten Entdeckungen der Menschheit. Es ist heute Allgemeinwissen, dass die Oberfläche des Erdkörpers in tektonische Platten gliedert ist, die sich dynamisch bewegen. Die frühe Formulierung einer Kontinentaldrift durch Alfred Wegener im Jahr 1915 lieferte zwar erstmals eine geschlossene Argumentation, die auf dem geometrischen Zusammenpassen der Kontinente der Südhemisphäre, auf der geographischen Verbreitung von Spuren fossiler Klimazeugen, miteinander verwandter vorzeitlicher Flora und Fauna sowie auf Analysen des Erdmagnetfeldes beruhten. Wegeners Theorie blieb aber umstritten, denn ihr fehlte etwas Entscheidendes: der Antriebsmotor für die Bewegung der Kontinente.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 04/Chapter 04. Georeaktor Sedimentbecken

Zusammenfassung
Das plattentektonische Komplementärstück zur Gebirgsbildung ist die Entstehung von Beckenstrukturen, die bis zur Bildung von Ozeanen gehen können. Becken sind topographische Senkungsräume, die mit Ablagerungen, den Sedimenten, gefüllt werden. Solche Sedimentbecken gibt es an vielen Stellen auf der Erde. Sie haben über Zeiträume von Millionen bis zu einigen hundert Millionen Jahren große Sedimentfrachten aufgenommen. Gut zwei Drittel der Erdoberflache sind mit Sedimenten bedeckt. Diese bestehen aus Gemischen verschiedener Minerale und organischer Substanzen, die in Wechselwirkung mit Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosphare abgelagert worden sind. Beispiele sind Sande, Tone, Salze und Kalkschlämme. Durch beständiges Aufschütten neuer Sedimente entstehen aus solchen Ablagerungen in größeren Erdtiefen von einigen hundert Metern bis mehreren Kilometern Sedimentgesteine wie Sand-, Ton- oder Kalkstein. Sedimentbecken tragen den mit Abstand größten Teil der für die Menschheit wichtigen Ressourcen.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 05/Chapter 05. Vulkane und Erdbeben: Normalität im System Erde

Zusammenfassung
Von alien Naturgefahren fordern Erdbeben, Tsunami und Vulkaneruptionen als Einzelereignisse die höchsten Opfer an Menschenleben. Hinzu kommt, dass die menschliche Gesellschaft mit ihrer technischen Zivilisation zunehmend empfindlicher für Naturgefahren wird, deshalb nehmen auch die Sachschäden zu. Laut einer Studie der UN starben in der Dekade von 2000 bis 2009 rund 780000 Menschen bei Naturkatastrophen, mehr als die Hälfte von ihnen durch Erdbeben.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 06/Chapter 06. Ein Tsunami-Frühwarn-system für den Indischen Ozean

Zusammenfassung
Der zweite Weihnachtstag 2004 begann für viele Menschen in aller Welt mit einer Katastrophennachricht: Ein äußerst starkes Erdbeben hatte Indonesien heimgesucht und offenbar auch einen Tsunami verursacht. Sehr schnell stellte sich das wahre Ausmaß der Katastrophe heraus, zu diesem Zeitpunkt hatten bereits eine Viertelmillion Menschen ihr Leben verloren. Dieser verheerende Tsunami im Indischen Ozean wurde von dem drittstärksten Erdbeben der letzten hundert Jahre mit der Magnitude 9,3 vor der Küste Nordsumatras ausgelöst. Im Verlauf des Bebens riss innerhalb von sieben bis acht Minuten der Meeresboden über eine Strecke von 1200 Kilometern — das entspricht der Entfernung Berlin-Rom. Der vertikale Versatz am Meeresboden betrug bis zu zehn Metern.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 07/Chapter 07. Das Magnetfeld der Erde — unsichtbarer Schutz und Fernerkundungssignal

Zusammenfassung
Im Oktober 2003 wurde am Geomagnetischen Observatorium in Niemegk ein außergewöhnlich starker Sonnensturm gemessen. Ein große Wolke elektrisch geladener Teilchen erreichte morgens um kurz nach sechs Uhr die Erde. Bemerkenswert war auch der beobachtete riesige Sonnenfleck, dessen Ausdehnung mehr als zehn Erddurchmesser umfasste.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 08/Chapter 08. Die Erde im Labor

Zusammenfassung
Auf der Erdoberfläche lastet die Atmosphäre mit einem Druck von etwa 1000 Hektopascal. Dagegen sind die Drücke und Temperaturen im Mittelpunkt der Erde unvorstellbar: Stapelt man hypothetisch dreieinhalb Millionen Hochdruckgebiete übereinander (das entspricht 350 Gigapascal, GPa) und erhöht die Temperatur auf über 5000 °C, dann hat man in etwa die Druck- und Temperaturverhältnisse, wie sie im inneren Erdkern vorliegen. Auch die Gesteine des Erdmantels, eine Etage höher, erfahren Extrembedingungen: An der Kern-Mantel-Grenze in 2900 Kilometern Tiefe herrschen rund 3000 °C bei einem Druck von 135 Gigapascal. Das sind enorme Werte, aber woher kennen wir sie eigentlich? Der weitaus größte Teil des Erdkörpers ist uns nicht direkt zugänglich, die tiefsten Bohrungen reichen nur etwa zehn Kilometer tief in den oberen Teil der Erdkruste hinein. Unser gesamtes Wissen über den inneren Erdaufbau verdanken wir indirekten Messungen, die sich nur auf ihrer Richtigkeit über-prüfen lassen, wenn man sie im Labor nachvollzieht oder mit Laborergebnissen kalibriert, also „eicht“.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 09/Chapter 09. Wissenschaftliches Bohren: ein Teleskop in die Tiefe

Zusammenfassung
Das direkte Beobachten von Abläufen in der Tiefe und die Entnahme von Gesteinsproben aus dem Untergrund sind nur möglich, indem man in die Erde hineinbohrt. Die tiefsten Bohrungen erreichen heute etwa zehn Kilometer Teufe. Erinnern wir uns an den mittleren Erdradius von 6370 Kilometern, so wird klar, dass Bohren nur einen Kratzer an der Haut der Erde darstellt. Dennoch ist wissenschaftliches Bohren ein unverzichtbares Werkzeug zum Verständnis der Erde, das zwar hohen Aufwand erfordert, dafür aber wichtige Einblicke und grundlegende Einsichten erbringt. Wie im ▸ Kapitel 03 dargestellt wurde, stammen die Erkenntnisse, die entscheidend zur Theorie der Plattentektonik beitrugen, aus Bohrungen in die Ozeanböden hinein. Der Anfang lag im Mohole-Projekt („Mohorovičić-Hole“) Mitte der 1960er Jahre. Damals sollte bei der pazifischen Insel Guadelupe, südlich von Kalifornien, ein zehn Kilometer tiefes Loch durch die junge Ozeankruste und die nach dem kroatischen Geologen Mohorovičić benannte „Moho“-Grenzschicht zwischen Erdkruste und Erdmantel gebohrt werden.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 10/Chapter 10. Die Haut der Erde

Zusammenfassung
Versteht man die Erde als einen Gesamtorganismus, dessen einzelne Komponenten in einem perfekten Zusammenspiel stehen, drängt sich das Bild der Erdoberfläche als einer Haut geradezu auf. Die Oberfläche ist nicht lediglich eine Hülle, die das Ganze abdeckt, sondern sie lässt sich als ein eigener Wirkungsorganismus verstehen, der — ähnlich der menschlichen Haut — eine unabdingbare Rolle im Gesamtsystem spielt.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 11/Chapter 11. Der Klimawandel im System Erde

Zusammenfassung
An kaum einer Stelle wird so deutlich, dass im System Erde fast alles mit allem zusammenhängt, wie beim Klima. Das irdische Klimasystem ist kein eigentliches Subsystem unseres Planeten, sondern eine der Schnittstellen, wo die Teilsysteme Geosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphare und Biosphäre in engem Austausch stehen. Seit wir wissen, dass der Mensch durch den Ausstoß von Treibhausgasen und durch Landnutzung in das Klimageschehen eingreift, müssen wir die Biosphäre weiter differenzieren und um die sogenannte Anthroposphäre ergänzen. Unsere Kenntnis vom Klimasystem ist so weit gediehen, dass wir eindeutig den menschgemachten Einfluss feststellen können. Die Quantifizierung dieses Einflusses jedoch ist noch mit etlichen Unsicherheiten behaftet. Daraus resultieren nicht nur leidenschaftliche Debatten der Wissenschaffler untereinander, sondern auch handfeste politische Differenzen.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 12/Chapter 12. Geo-Energie

Zusammenfassung
Fast sieben Milliarden Menschen bevölkern derzeit die Erde, und diese Zahl wird bis auf mehr als neun Milliarden im Jahr 2050 anwachsen. Die Versorgung dieser vielen Menschen mit Rohstoffen aller Art stellt — neben der Bereitstellung ausreichender Nahrungsmittel — eine gewaltige Herausforderung dar. Die Geowissenschaften werden dabei eine Schlüsselrolle spielen, denn ohne ein wenigstens in Ansätzen funktionierendes Erdsystem-Management wird sich das Problem nicht lösen lassen.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 13/Chapter 13. Leben in der tiefen Biosphäre

Zusammenfassung
Unsere Erde erscheint aus dem Weltraum als blauer Planet. Die Färbung weist auf ein bis heute nicht gelöstes Rätsel hin. Das Blau als solches können wir deuten, seit Lord Rayleigh 1871 die Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre erklärte: je kürzer die Wellenlänge, desto größer die Streuung des Lichts. Die kurzen Wellenlängen liegen im blauen Spektralbereich, dieser Anteil des für unser Auge sichtbaren Lichts wird an den kleinsten Bestandteilen, den Luftmolekülen, gestreut. Der blaue Himmel spiegelt sich im Wasser, das drei Viertel der Erdoberfläche bedeckt. Und hier beginnt das Rätsel. Wieso hat die Erde so viel Wasser? Bisher kennen wir keinen anderen Himmelskörper, der H2O in solchen Mengen aufweist, der Nachweis von geringen Mengen gefrorenen Wassers auf dem Mond und auf anderen Planeten ist immer noch eine aufregende Entdeckung. Und das, obwohl Wasser im All reichlich vorhanden ist.
Reinhard F. J. Hüttl

Kapitel 14/Chapter 14. Das Bild der Welt: Wissenschaft und Kunst

Zusammenfassung
Seit den frühen Phasen der Zivilisation strebt der Mensch danach, sich und seine Welt zu verstehen. Wissenschaft ist von ihren ersten Ausprägungen bis zum heutigen Wissensstand integraler Bestandteil des Menschseins. Auch die künstlerische Auseinandersetzung mit der Welt gehört unabdingbar zur menschlichen Existenz. Wissenschaft und Kunst sind seit jeher untrennbare Teile menschlichen Denkens.
Reinhard F. J. Hüttl

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