Im Fokus: Geowissen

Einer gegen alle, hieß es am 6. Januar 1912 auf der Hauptversammlung der Geologischen Vereinigung in Frankfurt am Main. An jenem Tag hielt der damals 31-jährige Alfred Wegener seinen Vortrag über die Entstehung der Ozeane und Kontinente und brachte damit althergebrachte Vorstellungen ins Wanken. Denn er stellte die These auf, dass die Kontinente nicht unverrückbar an immer der gleichen Stelle der Erdkruste bleiben, sondern im Laufe der Erdgeschichte ihre Lage verändern können.

„Völliger Blödsinn!“ - so wie der Präsident der angesehenen amerikanischen philosophischen Gesellschaft reagierte die Mehrheit der wissenschaftlichen Welt zunächst auf Wegeners Theorie. Wie vor ihm Charles Darwin rüttelte auch Wegener an den Grundfesten eines gängigen Weltbilds, auch er musste Ablehnung, beißenden Spott und wüste Beschimpfungen über sich ergehen lassen. Die Mehrheit der Wissenschaftlerkollegen weigerte sich, Wegeners Theorie überhaupt ernst zu nehmen, schrieb sie als Ideen eines „inkompetenten Quereinsteigers“ der Geowissenschaften ab. Die Vorstellung, Teile der festen Erdkruste könnten umherwandern, galt als absurd, widersprach allem, was bisher als richtig und gegeben galt.

Fast ein halbes Jahrhundert sollte es dauern, bis neue Vermessungen und Forschungen Wegener rehabilitierten und seine Theorie bestätigten. Heute gilt Wegener als „Vater der Plattentektonik“. „Rückblickend darf man ihn aber auch als den Kopernikus der Geowissenschaften bezeichnen, denn Wegener hat unser Bild von der Erde revolutioniert und dafür am Anfang eine Menge Spott und Häme in Kauf genommen“, sagt Reinhard Krause, Wissenschaftshistoriker am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung. Den Durchbruch seiner Theorie konnte der vor allem als Polarforscher bekannte Alfred Wegener jedoch nicht mehr miterleben. Er starb im November 1930 in den Eiswüsten Grönlands - fast 30 Jahre vor der Rehabilitation der Plattentektonik. Doch was machte diese Theorie der „wandernden Kontinente“ so revolutionär? Warum wehrte sich die wissenschaftliche Welt so lange und vehement gegen die doch scheinbar so einleuchtenden Erklärungen?

Bei Jules Verne war ein isländischer Vulkan der Eingang für die „Reise zum Mittelpunkt der Erde“. Für moderne Geowissenschaftler sind es dagegen Satelliten, seismische Wellen und hochkomplexe Simulationen, die immer neue Einblicke in das rätselhafte Innere unseres Planeten eröffnen. Die so gewonnenen Informationen haben in den letzten Jahren und Jahrzehnten viel dazu beigetragen, die Terra inkognita zumindest in Teilen zu erkunden und zu verstehen.

Während Weltreisende und Entdecker schon früh damit begannen, die Erdoberfläche zu erkunden und zu kartieren, war das Innere unseres Planeten, der gesamte Bereich unter der obersten dünnen „Haut“, lange Zeit eine absolute Terra inkognita. Kein Wunder, ist doch ein Großteil dieses gewaltigen Innenraums für uns noch unerreichbarer als die Planeten des Sonnensystems. Nicht nur die enorme Tiefe von mehr als 6.300 Kilometern bis zum Zentrum der Erde, auch die höllischen Bedingungen machen eine direkte Erkundung unmöglich. Selbst die bisher tiefste Bohrung, 1994 im Rahmen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms (KTB) im oberpfälzischen Windischeschenbach niedergebracht, kam gerade einmal 9.101 Meter tief.

Damit erreichte sie immerhin zum ersten Mal überhaupt einen Bereich, in dem das Gestein des Untergrunds unter dem Einfluss von Druck und Hitze plastisch wird. Statt zu brechen, verformt es sich einfach nur – ähnlich wie warm gewordener Kunststoff. Doch bei aller Freude über den gewonnen Einblick – vom Traum einer Reise zum Mittelpunkt der Erde war auch diese Bohrung weit entfernt. Gemessen an den tausenden Kilometern bis zum Erdkern sind solche Bohrversuche nicht viel mehr als Mückenstiche in die Haut unseres Planeten. Geowissenschaftler müssen sich daher mit anderen Methoden behelfen, wenn sie den Geheimnissen unseres Planeten auf die Spur kommen wollen.

Warum zeigt ein Kompass immer nach Norden? Woher kommen die Polarlichter? Was schützt uns vor den harten elektromagnetischen Strahlen aus dem All? Die Antwort auf diese scheinbar unzusammenhängenden Fragen liefert eine ganz spezielle Eigenschaft unseres Planeten – der Magnetismus. Doch der Magnet Erde ist launischer als gemeinhin angenommen: Schon mehrfach in der Erdgeschichte ist das Magnetfeld zusammengebrochen und hat sich - mit umgekehrter Polung - neu etabliert. Erstes Anzeichen einer herannahenden Umpolung ist unter anderem eine langsame Abschwächung der magnetischen Feldstärke. Und genau dies wird zurzeit auch gemessen. Steht uns eine Umpolung bevor?

Aus dem Weltraum sieht unser Heimatplanet aus wie eine blaue Murmel: Scheinbar rund und glatt schwebt die Erde im schwerelosen Raum. Aber sie ist alles andere als kugelrund – und auch nicht glatt. Für Geowissenschaftler gleicht die Erde eher einem Fußball, dem die Luft ausgegangen ist: Mit Beulen und Dellen übersät und an zwei gegenüberliegenden Stellen, den Polen, leicht abgeflacht. Denn einige von ihnen betrachten nicht nur die Landschaftsformen und das Relief der Erdoberfläche, sondern blicken viel tiefer – oder vielleicht auch höher: Sie analysieren das Auf und Ab der irdischen Schwerkraft. Denn diese Kraft, die uns auf dem Boden hält, ist keineswegs überall und zu jeder Zeit gleich. Ihr Modell, das Geoid, ähnelt daher eher einer zerbeulten Kartoffel. Das Schwerefeld der Erde wird sowohl durch äußere Faktoren, wie beispielsweise den Mond und seine Anziehungskraft, aber auch durch höchst irdische Eigenschaften wie die Dicke und Zusammensetzung der Erdkruste beeinflusst. Sie türmen „Wasserberge“ im Ozean auf, lenken Satelliten aus ihrer Bahn und verraten sogar die Lage kostbarer Bodenschätze.

Aloha, Waikiki Beach, Hula-Hula und die berühmten Blumenkränze zur Begrüßung - viel mehr wissen die meisten Menschen nicht über Hawaii. Doch „die lieblichste Flotte von Inseln, die je im Meer vor Anker lag“ - wie Mark Twain die Inselgruppe einmal nannte – ist längst nicht so lieblich, wie es auf den ersten Blick scheinen mag. Denn im Untergrund brodelt es gewaltig. Der gesamte Hawaii-Archipel ist in den letzten rund 45 Millionen Jahren durch Vulkanismus entstanden. Ein gigantischer „Schweißbrenner“, ein heißer Fleck, tief unter der Erde, erzeugt unaufhörlich Magma, das sich durch die Erdkruste frisst und im Laufe von Jahrmillionen Vulkaninseln wie Oahu, Maui oder Molokai gebildet hat. Der Mauna Kea auf der Big Island von Hawaii ist sogar der höchste Vulkan der Erde. 4.205 Meter ragt er über dem Meer in den Himmel, die restlichen knapp 6.000 Meter des Feuerberges liegen unter dem Wasserspiegel. Damit übertrumpft der Mauna Kea von der Höhe her selbst den Mount Everest.

Er ist 9.000 Kilometer lang und reicht vom Roten Meer im Norden bis fast zur Südspitze Afrikas. Vulkane, flüssiges Magma und blutrote Seen liegen entlang des Weges und an manchen Stellen ist die Erdkruste sogar bis zu 150 Meter tief eingeschnitten: Der Afrikanische Grabenbruch durchzieht den Kontinent wie ein geologisches Schnittmuster, dessen Nahtstellen jederzeit aufbrechen können.

Doch wird hier tatsächlich in den nächsten Jahrmillionen wieder ein Kleinkontinent abbrechen, wie einst Madagaskar? Die Erde jedenfalls rumort und wackelt hier immer wieder bedenklich. Risse jagen über die Oberfläche und spalten den Boden bis zu zwei Meter weit auf. In Äthiopien ist der Kontinent bereits an der Küste eingerissen und Erdbeben vergrößern regelmäßig die Spalten in der Erdkruste.

Europas größtes Reich liegt unter Wasser verborgen: die Kontinentalränder. Auf über 15.000 Kilometern ziehen sie sich als Übergangszone zwischen Festland und Tiefsee durch den Atlantischen Ozean und die Binnenmeere. Doch obwohl sie nur einige hundert bis tausende Meter unter dem Meeresspiegel liegen, ist von ihnen bislang weniger bekannt als von der Oberfläche des Mondes. Dabei dienen sie nicht nur den meisten Fischen als Kinderstube, sondern enthalten auch wertvolle Rohstoffe. Schlammvulkane, Gaskamine oder Schwarze Raucher sind nur einige der exotischen Lebensräume unter Wasser. Doch obwohl sie kaum erforscht sind, sind die Kontinentalränder keineswegs ein vom Menschen unberührter Raum: Schleppnetze reißen auf der Jagd nach Beute den Meeresboden auf und Schadstoffe aus der Luft und den Flüssen belasten den empfindlichen Lebensraum. Doch was sind Kontinentränder überhaupt und was macht sie nicht nur für die Forschung sondern auch für die Wirtschaft zunehmend interessant?

Um die unbekannte Welt am Rand unseres Kontinents genauer zu erforschen, führten im Rahmen des Projekts HERMES (Hotspot Ecosystem Research on the Margins of the European Seas) - Wissenschaftler aus 15 Ländern und 45 Forschungseinrichtungen von 2002 bis 2007 mehrere Expeditionen zu den Kontinentalrändern Europas durch. Mithilfe modernster Technik tauchten sie vor der ukrainischen Halbinsel Krim, am „Absatz“ Italiens, vor der Küste Irlands und Norwegens sowie rund um die Iberische Halbinsel in die Tiefe, nahmen Bodenproben, maßen Wasserqualität und kartierten den Meeresboden. Ihre Ergebnisse machten deutlich, wie variantenreich und vielfältig die unterseeische Landschaft entlang der Kontinentalränder Europas ist.

Ob Rocky Mountains, Alpen, Himalaya oder die Anden – Hochgebirge üben seit jeher eine Faszination auf uns Menschen aus. Doch was treibt die steinernen Kolosse mehrere Kilometer in den Himmel und wie sieht es im Inneren der Felsriesen aus? Es gibt sie stark zerklüftet oder mit ebenen Hochplateaus, mit schwindelerregenden Steilwänden oder als leicht wellige Hügellandschaft, als riesige Gebirgsketten oder als imposante Einzelberge. Im Himalaya tritt sogar Gestein zutage, das vor einigen Millionen Jahren noch dreißig Kilometer tief in der Erdkruste schlummerte. Selbst die höchsten Gipfel der Alpen bestehen aus Sedimenten ehemaliger Ozeane. Überraschend auch, dass die größten Gebirgssysteme der Erde nicht der Himalaya oder die Anden sind, sondern unter der Meeresoberfläche verborgen liegen. Auch der Mount Everest ist genau genommen nicht der König aller Berge, sondern wird vom hawaiianischen Mauna Kea um mehrere hundert Meter übertroffen.

Doch es ist nur eine Frage der Zeit, bis Verwitterung und Erosion sogar diese Giganten auf Mittelgebirgsmaß zurechtstutzen werden. So brachte es beispielsweise der Ural vor 350 Millionen Jahren noch auf über 4.000 Meter – heute sind es nicht einmal mehr 2.000 Meter. Und die Alpen wären ohne Erosion wahrscheinlich sogar über dreißig Kilometer hoch. Trotzdem wachsen fast alle Hochgebirge unserer Erde immer noch weiter in den Himmel – bis zu einem Zentimeter jährlich. Auch wenn die Wissenschaft lange Zeit im Dunkeln tappte, so weiß man seit den 1960er-Jahren, dass Gebirge vorwiegend durch die Plattentektonik und den damit zusammenhängenden Vulkanismus entstehen. In Südamerika schiebt sich beispielsweise die ozeanische Nazca-Platte mit bis zu zehn Zentimetern pro Jahr unter den Kontinent und lässt die Anden immer höher werden.

Erst mithilfe immer präziser werdender Messmethoden können nach und nach die letzten Geheimnisse der Berge gelüftet werden: Was genau passiert bei einer Subduktion im Erdinneren oder wie stark hängt die Hebungsrate eines Gebirges von der Driftrate der Erdplatten ab? Wie viel höher wird der Himalaya in Zukunft noch werden und wie genau sieht es im Inneren der Steinriesen aus?

Ohne sie sähe unsere Welt sicherlich anders aus: Es gäbe keine tiefen Schluchten und keine dunklen Höhlen, die Gebirge würden endlos in den Himmel wachsen und die Böden wären unfruchtbar. Zumeist unbemerkt verändern Verwitterung und Erosion die Landschaft und sind zugleich aus dem System Erde nicht wegzudenken. Selbst im Alltag begegnet uns die Verwitterung: ein verrostendes Auto am Straßenrand, die alte und in Fetzen liegende Zeitung auf dem Bürgersteig oder der bröckelnde Putz an Häuserfassaden. Wer ahnt schon, dass hierfür dieselben Prozesse verantwortlich sind, die auch Höhlen formen, Gebirge abtragen oder Täler schaffen? So ist ein Felssturz in den Alpen der Beginn einer weiten Reise des Gesteins als Flussschotter bis in den Atlantik. Auch der durch Regenwasser gelöste Kalk in den Karstlandschaften Kroatiens landet über den Umweg des Grundwassers irgendwann im Meer.

Tag für Tag nagen Sonne, Wind und Regen an allem, was sich auf der Erdoberfläche befindet. Dabei zerkleinert die Verwitterung entweder chemisch oder mechanisch jedes noch so harte Gestein und die Erosion transportiert diesen mehr oder weniger groben Schutt dann an einen anderen Ort – Ausgangsmaterial für fruchtbare Böden oder neue Sedimentgesteine. Doch durch welche chemischen Reaktionen kann Wasser selbst den härtesten Fels im wahrsten Sinne des Wortes aushöhlen? Und wieso verblasst eine Inschrift auf alten Grabsteinen in England schneller als in Ägypten? Jeder der schon einmal bei einer „steifen Brise“ am Strand spazieren war, kennt die schmirgelnde Wirkung von sandhaltigem Wind. Doch wer hat schon einmal von Kernsprüngen und fraktalen Ufern gehört? Dass Flussschotter im Oberlauf kantig und im Unterlauf rund sind, lässt sich vielleicht noch erklären, aber wieso fördert der Anbau von Mais oder Zuckerrüben die Erosion von Ackerflächen?

Scheinbar endlos erscheint die Liste der Faktoren, die Verwitterung und Erosion beeinflussen: wichtig ist die Zusammensetzung des Gesteins, die Trockenheit oder Feuchte des Klimas, die Stärke und Richtung des Windes oder der Säuregehalt des Wassers. Hinzu kommt der Grad der Vegetationsbedeckung, die Geländeform oder die Ausrichtung zur Sonne. Doch wie auch immer die Situation des angegriffenen Gesteins ist, eins steht fest: Nichts und niemand entkommt der Verwitterung und der anschließenden Erosion...

Er ist unsichtbar, lässt sich nicht mit Händen greifen und doch verändert und formt er ganze Landschaften: der Wind. In Wirbelstürmen und Tornados lässt seine Kraft Bäume schwanken, deckt Häuser ab und wirbelt selbst gewaltige Trümmerbrocken durch die Luft. Doch auch im ganz Kleinen entfaltet er seine Wirkung, Staubteilchen für Staubteilchen und Sandkorn für Sandkorn. Kaum bemerkt, kann er so im Laufe der Zeit buchstäblich Berge versetzen. Mit seiner enormen Kraft bewegt er Millionen von Tonnen feinster Materialien, transportiert Staub über tausende von Kilometern und schafft nicht selten erst die Voraussetzung für Leben und Pflanzenwuchs. Die Kraft des Windes macht aber auch Probleme: Denn immer häufiger müssen Städte und Ballungsräume gegen den heranwirbelnden Sand und Staub ankämpfen.

Unsere Erde ist kein statisches System. Ganz im Gegenteil: Überall - ob in der Atmosphäre oder im Ozean strömt es, Wasser und Luft sind dynamisch und kaum jemals vollkommen ruhig. Luftzirkulationen bestimmen unser Wetter und nehmen Einfluss auf das Klima. Winde, Hoch- und Tiefdruckgebiete, alle diese Phänomene beruhen auf globalen Zirkulationen, deren Motor die Sonne ist. Und auch die Ozeane stehen nicht still. Ständig sind sie in Bewegung, Meeresströmungen wälzen Wasser um, transportieren Nährstoffe und sorgen für einen Temperaturausgleich zwischen Polen und Äquator. Sowohl Luft als auch Wasser legen dabei riesige Entfernungen zurück. Wodurch entsteht dieser ständige Rundlauf und welche Auswirkungen hat er?

Was ist die Erde? Nur die Summe ihrer Teile oder doch mehr als das? Glaubt man dem britischen Wissenschaftler James Lovelock, ist sie Gaia - eine Art lebendiger Organismus. Eine planetarische Einheit, die als Gesamtheit auf Außenreize reagiert und ihren Zustand durch komplexe Regelkreise stabil hält. Lovelocks Gaia-Hypothese wurde erst verlacht und dann von der Esoterik vereinnahmt. Doch im Laufe der Zeit hat auch die etablierte Wissenschaft begonnen, sich mehr und mehr mit den einst so verfemten Ideen auseinanderzusetzen. Inzwischen sind viele Aspekte der Gaia-Hypothese sogar zu einem selbstverständlichen Teil der Geowissenschaften geworden. Immer häufiger ist heute vom System Erde, von einem interdisziplinären und ganzheitlichen Ansatz die Rede.

Es scheint Science-Fiction in Reinkultur – ist aber auch angewandte Wissenschaft: Stelen wir uns vor, in vielen Millionen Jahren, wenn die Menschen schon lange von der Erde verschwunden sind, wird dieser Planet von Neuem erforscht. Ob von außerirdischen Intelligenzen oder von einer auf der Erde neu entstandenen vernunftbegabten Lebensform ist im Prinzip egal. Entscheidend ist vielmehr die Frage: Was werden diese Entdecker an Spuren von uns und unseren Zivilisationen noch finden? Diese Frage stellte sich auch der Geologe Jan Zalasiewicz von der University of Leicester in England - und hat in seinem Buch einige Antworten dazu zusammengetragen. Er beschreibt, wie Forscher der fernen Zukunft die Geschichte dieses Planeten enträtseln und wie sie aus den Spuren, die wir in den Gesteinsschichten hinterlassen, nach und nach auch die Geschichte der Menschheit entschlüsseln könnten. Wie wird der Fußabdruck des Menschen auf diesem Planeten aussehen? Tief und beständig oder schon nach wenigen Jahrtausenden wieder von Wind und Wetter zerstört und endgültig verloren? Welche Art von Fossilien und anderen Relikten werden wir hinterlassen? Was wird aus unseren Städten, aus unseren Autos und Plastikbechern?