E2 Interne thermische Dynamik

Thema

Die Erde verliert Wärme aus ihrem Inneren hauptsächlich durch Konvektion im Erdmantel und durch Wärmeleitung durch die darüber liegende Lithosphäre. Dieser Wärmeverlust stammt aus zwei unterschiedlichen Quellen: der primordialen Wärme, die seit der Planetenentstehung und -differenzierung gespeichert ist und sich über geologische Zeitalter langsam verteilt, und der kontinuierlichen radiogenen Wärme, die durch den Zerfall von Uran-238, Uran-235, Thorium-232 und Kalium-40 entsteht.

Der Erdmantel weist eine starke Konvektion auf, da der Parameter, der die Konvektionsfähigkeit einer Flüssigkeit beschreibt, im Mantel Werte zwischen zehn Millionen und einer Milliarde erreicht – weit über dem kritischen Schwellenwert von nur tausend, den eine Flüssigkeit überschreiten muss, um Konvektion zu zeigen. Der Mantel konvektiv so stark, obwohl er sich auf kurzen Zeitskalen wie ein starrer Festkörper verhält.

Die Effizienz dieses konvektiven Wärmetransports im Vergleich zur einfachen Wärmeleitung lässt sich mit einem weiteren Parameter quantifizieren, der im Erdmantel Werte annimmt, die zehn- bis vierzigmal höher sind: Das bedeutet, dass die Temperatur im Erdinneren deutlich höher wäre als heute, wenn im Mantel keine Konvektion stattfände und Wärme ausschließlich durch Wärmeleitung transportiert würde.

Der durchschnittliche Wärmestrom, der die Erdoberfläche erreicht, beträgt etwa 80 Milliwatt pro Quadratmeter. Dieser Wärmestrom ist jedoch nicht gleichmäßig verteilt: An mittelozeanischen Rücken, wo der Mantel aufsteigt und der Oberfläche sehr nahe kommt, erreicht er bis zu 300 Milliwatt pro Quadratmeter, während er über den ältesten Kratonen, wo die kontinentale Kruste den darunter liegenden Mantel seit Milliarden von Jahren isoliert, auf kaum 30 Milliwatt pro Quadratmeter abfällt. Die Temperatur an der Grenze zwischen Mantel und Kern, zwischen 3.500 und 4.000 Kelvin, hält den äußeren Kern flüssig und treibt den Geodynamo an, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Die langsame Entwicklung dieser Temperatur bestimmt wiederum, wie schnell der innere Kern weiter erstarrt und wie lange das Magnetfeld, das den Planeten schützt, noch bestehen wird. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen dem Wärmeverlust, mit dem diese Beschreibung begann, und dem langfristigen Schicksal des Erdmagnetfelds selbst geschlossen.

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