Die thermische Evolution der Erde Institut fr Geowissenschaften

Die thermische Evolution der Erde Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam 05. 11. 2008 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Übersicht zur Vorlesung VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Vor 200 Millionen Jahren Superkontinent Pangea VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Vor 70 Millionen Jahren VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Heute VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Motor der Plattentektonik Dynamik des Erdinnern VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Antriebskraft: thermische Konvektion Rayleigh Zahl „Ra“ thermal buoyancy Ra = viscosity 0 Tgd 3 layer thickness thermal diffusivity - thermal expansivity - density g - gravity VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 0

Die Erde als thermodynamisches System VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Generelle Methode (I): Beobachtung & Verallgemeinerung Sorgfältige Beobachtung ist notwendig, um die Komplexität der wechselwirkenden Prozesse richtig und möglichst vollständig wahrnehmen zu können. => Geologie Diese Komplexität beruht aber in vielen Fällen auf relativ einfachen Grundprinzipien und Symmetrien (wie z. B. Zeitinvarianz), die Dynamik des "System Erde" bestimmen. => Geophysik Beide Methoden sind unverzichtbar, führen aber oft in gegensätzliche Richtungen ! Für beide Methoden werden zudem unterschiedliche Fähigkeiten benötigt - das macht einen grossen Teil des besonderen Reizes der Geowissenschaften aus. VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Generelle Methode (II): Beobachtung & Verallgemeinerung Langjährige Erfahrung besagt, dass wir zwar viele unserer Erkenntnisse der Entwicklung von immer detaillierteren Modellen und Theorien verdanken, aber sorgfältige Beobachtung und Analyse von Daten immer ihre Bedeutung besitzen und behalten werden, im Gegensatz zu Theorien: Diese haben, wie alle Lebewesen in der Biologie, nur eine endliche Lebenszeit (Mike Sandiford). . VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Globale Beobachtungsgrössen in der Geophysik • • • Topographie Geoid (~ Höhe Meereswasserspiegel) Magnetfeld Seismizität Wärmefluss weitere: • • • Schwerefeld Krustendicke („Moho“) Seismizität im tiefen Erdinnern Plattengeschwindigkeiten (GPS) in situ Spannungsfeld VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Topographie der Erde VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Alter der ozeanischen Kruste VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Entstehung der Erde • Solare Nebel (Staub) Scheibe • Bildung von Planetesimalen • Akkretierung der Erde aus Planetesimalen • Aufschmelzen der gesamten Planeten-OF (Magma-Ozean) • Herausbildung des Erdkerns VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Temperaturprofil bei der Erdkernentstehung CMB In den Stadien I und II sind die Temperaturen zu niedrig, um einen Differentiationsprozess in Gang zu bringen. MLB Im Stadium III beginnt die Formierung von Erdkern und Erdmantel. Stevenson (1989) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Hypothese(n) zur Erdkernentstehung • Impakt von Meteoriten mit Fe-Kern(en) • Migration der Schmelze durch Risse • Bildung von eisenreichen Blobs • Absinken bedingt durch Rayleigh-Taylor Instabilität • endgültiger Kerndurchmesser erst nach mehreren 100 Ma erreicht VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Temperaturprofil im Erdinnern heute Weitgehend adiabatischer Temperaturverlauf im Erdmantel CMB MLB Konduktives T-Profil in den beiden thermischen Grenzschichtem Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Lord Kelvin und das Alter der Erde (1864) Von dem gemessenen Wärmefluss an der Erdoberfläche kann man durch Lösung der 1 D Wärmeleitungs-Gleichung unter bestimmten Annahmen auf das Alter der Erde schliessen. Ergebnis ~ 65 Ma ! Aber: • Vernachlässigung radioaktiver Energiequellen • Vernachlässigung des konvektiven Wärmetransports VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Lord Kelvin und das Alter der Erde (1864) Stüwe (2002) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Radioaktive Quellen von thermischer Energie Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Radioaktive Quellen von thermischer Energie Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Radioaktive Quellen von thermischer Energie Spohn (1998) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Energie Bilanz der Erde (heute) 1 TW = 1012 W Wärmefluss durch Oberfläche ~ 42 TW Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Abkühlrate der Erde pro Ga („secular cooling“) ~ 10 TW geteilt durch ∆E = 3. 7 x 1027 Ws ergibt ca. ∆T ~ 100 K pro Ga (ist max. Wert) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmetransport (1) - Konduktion VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmetransport (2) - Konvektion VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Konvektion transportiert Wärme effektiver ! compare time scales: ! d 2 a for ascent of the blob ! and with we obtain Rayleigh number Ra VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Plattentektonik auf dem Mond ? VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Plattentektonik auf dem Mond ? VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmetransport (3) - Elektromagn. Strahlung • Energietransport direkt durch elektromagnetische Strahlung (z. B. über das Planck‘sche Strahlungsgesetz „black body“ oder die Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche) • vernachlässigbar in der Lithosphäre (bei tiefen Temperaturen) • zunehmende Bedeutung im tiefen Erdinnern (unterer Mantel) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Ozeane vs. Kontinente Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Ozeane vs. Kontinente VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Kontinente Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Ozeane bathymetry VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Ozeane Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Ozeane VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Wärmefluss: Ozeane und Kontinente cratonic & oceanic geotherms VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Alles zusammen: Global gemitteltes Tiefenprofil der Temperatur („global geotherm“) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Einfache (0 D) Evolutionsmodelle für die Erde Mc. Govern & Schubert (1989) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Einfache (0 D) Evolutionsmodelle für die Erde Stacey (1994) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Einfache (0 D) Evolutionsmodelle für die Erde Franck & Bounama (1995) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Einfache (0 D) Evolutionsmodelle für die Erde Franck & Bounama (1995) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Einfache (0 D) Evolutionsmodelle für die Erde Franck & Bounama (1995) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Zusammenfassung (I) Die Erde verfügt über einen erheblichen, wenn auch wirtschaftlich nicht leicht nutzbaren Energieinhalt von etwa 1031 J, der gegenwärtige mittlere Oberflächenwärmefluss beträgt ca. 42 TW. Geologische Prozesse, die mit der Konvektion in Mantel und Kern verbunden sind, setzen Wärme in andere Energieformen wie Deformationsarbeit, kinetische und potentielle Energie und magnetische Feldenergie um. 05. 11. 2008 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Zusammenfassung (II) Beispiele solcher Prozesse sind Vulkanismus, Erdbebentätigkeit, die Verschiebung von Kontinenten, Hebungen und Senkungen von Krustenblöcken, die Aufwerfung von Faltengebirgen sowie die Erzeugung des Magnetfeldes. Einfache Evolutionsmodelle für die thermische Entwicklung der Erde auf der Grundlage von parametrisierten Konvektionsmodellen für den Oberflächenwärmefluss gestatten eine qualitativ richtige Beschreibung der Entwicklung des mittleren Energieinhalts der Erde. 05. 11. 2008 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809