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VL Geodynamik & Tektonik, WS 080905.11.2008 Die thermische Evolution der Erde Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam.

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1 VL Geodynamik & Tektonik, WS Die thermische Evolution der Erde Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam

2 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Übersicht zur Vorlesung

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

4 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Vor 70 Millionen Jahren

5 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Heute

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

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

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

9 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 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.

10 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 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).. Generelle Methode (II): Beobachtung & Verallgemeinerung

11 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

12 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Topographie der Erde

13 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Alter der ozeanischen Kruste

14 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

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

16 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

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

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

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

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

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

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

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

24 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Abkühlrate der Erde pro Ga (secular cooling) ~ 10 TW geteilt durch E = 3.7 x Ws ergibt ca. T ~ 100 K pro Ga (ist max. Wert)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

34 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wärmefluss: Ozeane bathymetry

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

36 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wärmefluss: Ozeane

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

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

39 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 McGovern & Schubert (1989) Einfache (0D) Evolutionsmodelle für die Erde

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

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

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

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

44 VL Geodynamik & Tektonik, WS Zusammenfassung (I) Die Erde verfügt über einen erheblichen, wenn auch wirtschaftlich nicht leicht nutzbaren Energieinhalt von etwa J, der gegenwärtige mittlere Oberflächen- wärmefluss 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.

45 VL Geodynamik & Tektonik, WS Beispiele solcher Prozesse sind Vulkanismus, Erdbeben- tätigkeit, 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. Zusammenfassung (II)


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