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DFG-Senatskomission für Zukunftsaufgaben der GeowissenschaftenDFG-Senatskomission für Zukunftsaufgaben der Geowissenschaften
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1.3 – System Erde

Die Erde, wie sie heute existiert, ist nur eine Momentaufnahme in der viereinhalb Milliarden Jahre langen Geschichte unseres Planeten. Durch die Untersuchung der geologischen Vergangenheit kann man verstehen, wie die Erde „funktioniert“, welche Umweltbedingungen auf unserem Planeten möglich sind und wie schnell sie sich ändern können.

Lange glaubte man, dass die Erdgeschichte durch sehr langsame Veränderungen geprägt war, die über Millionen von Jahren allmählich abliefen. Die Forschung in den letzten Jahrzehnten hat jedoch gezeigt, dass plötzliche, katastrophale Ereignisse eine entscheidende Rolle in der Vergangenheit unseres Planeten gespielt haben. Gewaltige Flutbasalt-Eruptionen, die Tausende von Kubikkilometern Magma pro Woche freigesetzt haben sowie Einschläge von Asteroiden sind wahrscheinlich die Ursache für die großen Artensterben in der Erdgeschichte. Vor mehr als 600 Millionen Jahren waren weite Teile der Erdoberfläche von einer Eisschicht bedeckt. Diese Eiszeit war sehr viel extremer als irgendein Ereignis in der jüngeren geologischen Vergangenheit, und das plötzliche Auftauen wird mit der Faunenexplosion in Zusammenhang gebracht, bei der sich alle Tierstämme entwickelten.

Die moderne geowissenschaftliche Forschung erlaubt ein tiefgehendes Verständnis des Gesamtsystems der Erde. Sie zeigt Zusammenhänge zwischen Phänomenen auf, die lange Zeit nicht verstanden wurden. „Fossile“ Wärme, ein Überbleibsel aus der Frühgeschichte der Erde, treibt zusammen mit radioaktivem Zerfall im Erdinneren heute noch die Bewegung von Platten an der Erdoberfläche an. Vulkanismus und tektonische Prozesse an der Erdoberfläche beeinflussen die Zusammensetzung von Atmosphäre und Ozeanen. Schwankungen in der Zusammensetzung des Meerwassers steuerten wahrscheinlich die Entwicklung mariner Lebewesen über Hunderte von Millionen Jahren. Umgekehrt laufen zahlreiche scheinbar anorganische Vorgänge an der Erdoberfläche unter Mitwirkung von Mikroorganismen ab, etwa die Verwitterung von Gesteinen. Neue Gebirge ändern die vorherrschenden Wettermuster, aber subtile Klimaänderungen können umgekehrt auch die Gebirgsbildung beeinflussen. Viele dieser Prozesse lassen sich quantitativ modellieren, in manchen Fällen von der atomaren bis zur planetaren Skala. Dass es Ozeane an der Erdoberfläche gibt, ist letztlich beispielsweise auf die chemischen Bindungsverhältnisse im Mineral Olivin zurückzuführen, dem Hauptbestandteil des oberen Erdmantels.

Verständnis des Gesamtsystems

Das verbesserte Systemverständnis der modernen Geowissenschaften ist untrennbar mit dem zunehmenden Einsatz mathematischer Methoden und Modelle verbunden. Globale Zirkulationsmodelle erlauben es, das Klima an der Erdoberfläche zu modellieren; analog kann die Dynamik des Erdinnern durch fluid-dynamische Modelle der Mantelkonvektion vorhergesagt werden. Durch quantenmechanische Berechnungen lassen sich sowohl die Material­eigenschaften im Erdkern vorhersagen, als auch die Absorption von Biomolekülen an Mineraloberflächen bestimmen.

Mathematische Methoden und Modelle

Entscheidende Impulse für die modernen Geowissenschaften kommen von neuen geophysikalischen Methoden und neuen Methoden der chemischen Analyse. So vermessen Satelliten zum Beispiel die Erdoberfläche und die Masseverteilung innerhalb der Erde. Das erlaubt es, Plattenbewegungen oder die Oberflächendeformation vor einem Vulkanausbruch direkt zu beobachten. Durch die seismische Tomographie werden ungeahnte Feinstrukturen des Erdmantels und des Erdkerns sichtbar; selbst die Fließrichtungen des Gesteins im Erdmantel lassen sich direkt abbilden. Hochdruck-Experimente im Labor tragen zusätzlich dazu bei, dass die Zusammensetzung des Erdinnern bald auskartiert werden könnte. Geochemische Methoden, insbesondere Methoden der Isotopengeochemie, haben die Geowissenschaften revolutioniert. Um die Entwicklung des Lebens zu untersuchen, ist man nicht mehr ausschließlich auf Fossilien angewiesen – die Signatur des Lebens findet sich auch in der relativen Häufigkeit bestimmter Isotope sowie in molekularen Fossilien. Das sind Abbauprodukte von Biomolekülen ehemals lebender Zellen, die Jahrmilliarden unverändert überstehen können. Die Zusammensetzung der Atmosphäre und die Oberflächentemperaturen der Erde lassen sich ebenso wie die Entwicklungsgeschichte von Erdkruste und Erdmantel aus Isotopenhäufigkeiten rekonstruieren. Für die Untersuchung der Frühgeschichte der Erde ergeben sich dadurch völlig neue Perspektiven. Ob es vor vier Milliarden Jahren Wasser auf der Erdoberfläche gab und welche tektonischen Prozesse damals abliefen, lässt sich möglicherweise durch die Analyse eines einzigen, mikroskopisch kleinen Zirkonkornes klären.

Geophysikalische und Geochemische Methoden

Die moderne geowissenschaftliche Forschung nutzt Methoden und Erkenntnisse aus Mathematik, Physik, Chemie und Biologie. Gleichzeitig profitieren jedoch auch die naturwissenschaftlichen Nachbarfächer von Entwicklungen in den Geowissenschaften. Wichtige Verfahren der chemischen Analytik, wie etwa die Elektronenstrahl-Mikroanalyse, wurden in den Geowissenschaften entwickelt und werden heute in vielen Bereichen der Physik und Chemie eingesetzt. Methoden der Hochdruckforschung, die ursprünglich zur Untersuchung des tiefen Erdinnern entwickelt wurden, dienen heute dazu, neue Materialien herzustellen, ebenso wie zur Grundlagenforschung in der Festkörperphysik und -chemie.

Die Geowissenschaften als Teil der modernen Naturwissenschaften. Moderne Geowissenschaften greifen in großem Umfang auf Methoden aus der Chemie, Physik und Biologie zurück (Bild: Andreas Audétat, Bayerisches Geoinstitut (BGI),Bayreuth)

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:00 durch Jana Stone | Impressum