Die Erde

Die Erde

Allgemeines

Die Erde ist der dichteste, fünftgrößte und der Sonne drittnächste Planet des Sonnensystems. Ihr Durchmesser beträgt über 12.700 Kilometer und ihr Alter etwa 4,6 Milliarden Jahre. Sie ist Heimat aller bekannten Lebewesen. Nach der vorherrschenden chemischen Beschaffenheit der Erde wird der Begriff der erdartigen (terrestrischen) oder auch erdähnlichen Planeten definiert. Das astronomische Symbol der Erde ist oder (Radkreuz).

Die Erde im Kosmos

Umlaufbahn

Gemäß dem ersten keplerschen Gesetz bewegt sich die Erde um die Sonne auf einer elliptischen Bahn, die Sonne befindet sich in einem der Brennpunkte der Ellipse. Der sonnenfernste Punkt der Umlaufbahn, das Aphel, und der sonnennächste Punkt, das Perihel, sind die beiden Endpunkte der Hauptachse der Ellipse. Der Mittelwert des Aphel- und Perihelabstandes ist die große Halbachse der Ellipse und beträgt etwa 149,6 Mio. km. Ursprünglich wurde dieser Abstand der Definition der Astronomischen Einheit (AE) zugrunde gelegt, die als astronomische Längeneinheit hauptsächlich für Entfernungsangaben innerhalb des Sonnensystems verwendet wird.

Das Perihel liegt bei 0,983 AE (147,1 Mio. km) und das Aphel bei 1,017 AE (152,1 Mio. km). Die Exzentrizität der Ellipse beträgt also 0,0167. Der Perihel-Durchgang erfolgt um den 3. Januar und der Aphel-Durchgang um den 5. Juli. Für einen Sonnenumlauf benötigt die Erde 365 Tage, 6 Stunden, 9 Minuten und 9,54 Sekunden; diese Zeitspanne wird auch als siderisches Jahr bezeichnet. Das siderische Jahr ist 20 Minuten und 24 Sekunden länger als das tropische Jahr, das die Basis für das bürgerliche Jahr der Kalenderrechnung bildet. Die Bahngeschwindigkeit beträgt im Mittel 29,78 km/s, im Perihel 30,29 km/s und im Aphel 29,29 km/s; somit legt der Planet eine Strecke von der Größe seines Durchmessers in gut sieben Minuten zurück.

Die Bahnebene der Erde wird Ekliptik genannt. Die Ekliptik ist um gut 7° gegen die Äquatorebene der Sonne geneigt. Der Nordpol der Sonne ist der Erde am stärksten gegen Anfang September zugewandt, der solare Südpol wiederum gegen Anfang März. Nur um den 6. Juni und den 8. Dezember befindet sich die Erde kurz in der Ebene des Sonnenäquators.

Rotation

Die Erde rotiert rechtläufig – in Richtung Osten – in 23 Stunden, 56 Minuten und 4,09 Sekunden relativ zu den Fixsternen einmal um ihre eigene Achse. Analog zum siderischen Jahr wird diese Zeitspanne als siderischer Tag bezeichnet. Aufgrund der Bahnbewegung der Erde entlang ihrer Umlaufbahn im gleichen Drehsinn und der daraus resultierenden leicht unterschiedlichen Position der Sonne an aufeinanderfolgenden Tagen ist ein Sonnentag, der als die Zeitspanne zwischen zwei Sonnenhöchstständen (Mittag) definiert ist, etwas länger als ein siderischer Tag und wird nach Definition in 24 Stunden eingeteilt.

Aufgrund der Eigenrotation der Erde hat ein Punkt auf dem Äquator eine Geschwindigkeit von 464 m/s bzw. 1670 km/h. Infolge der dadurch bedingten Fliehkraft ist die Figur der Erde an den Polen geringfügig abgeplattet und dafür gegen ihren Äquator zu einem sogenannten Äquatorwulst verformt. Gegenüber einer volumengleichen Kugel ist der Erdradius am Äquator 7 Kilometer größer und der Polradius 14 Kilometer kleiner. Der Durchmesser am Äquator ist etwa 43 km größer als der von Pol zu Pol. Der Gipfel des Chimborazo ist wegen seiner Nähe zum Äquator der Punkt der Erdoberfläche, der am weitesten vom Erdmittelpunkt entfernt ist.

Die Rotationsachse der Erde ist 23°26' gegen die senkrechte Achse der Ekliptik geneigt, dadurch werden die Nord- und die Südhalbkugel der Erde an verschiedenen Punkten ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterschiedlich beschienen, was zu den das Klima der Erde prägenden Jahreszeiten führt. Die Richtung der Achsneigung fällt für die Nordhalbkugel derzeit in die ekliptikale Länge des Sternbilds Stier. In dieser Richtung steht, von der Erde aus gesehen, am 21. Juni auch die Sonne zur Sommersonnenwende. Da die Erde zwei Wochen später ihr Aphel durchläuft, fällt der Sommer auf der Nordhalbkugel in die Zeit ihres sonnenfernen Bahnbereichs.

Präzession und Nutation

Präzessionsbewegung (P) der Erdachse (R) mit (stark überzeichneter) Nutation N

Die Gezeitenkräfte des Mondes und der Sonne bewirken am Äquatorwulst der Erde ein Drehmoment, das die Erdachse aufzurichten versucht und zu einer Kreiselbewegung der Rotationsachse führt. Ein vollständiger Kegelumlauf dieser lunisolaren Präzession dauert etwa 25.700 bis 25.800 Jahre. Mit diesem Zyklus der Präzession verschieben sich die Jahreszeiten. Der Mond verursacht durch die Präzessionsbewegung seiner eigenen Umlaufbahn mit einer Periode von 18,6 Jahren eine zusätzliche „nickende“ Bewegung der Erdachse, die als Nutation bezeichnet wird. Der Einfluss des Mondes bewirkt zugleich eine Stabilisierung der Erdachsenneigung, die ohne ihn durch die Anziehungskraft der Planeten bis zu einer Schräglage von 85° taumeln würde.

Rotationsdauer und Gezeitenkräfte

Die Gravitation von Mond und Sonne verursacht auf der Erde die Gezeiten. Der Anteil der Sonne ist dabei etwa halb so groß wie der des Mondes. Damit verbunden ist die Gezeitenreibung von Ebbe und Flut der Meere. Diese bremst die Erdrotation und verlängert dadurch gegenwärtig die Tage um etwa 20 Mikrosekunden pro Jahr. Die Gezeiten wirken sich auch auf die Landmassen aus, die sich um etwa einen halben Meter heben und senken. Die Rotationsenergie der Erde wird dabei in Wärme umgewandelt. Der Drehimpuls wird auf den Mond übertragen, der sich dadurch um etwa vier Zentimeter pro Jahr von der Erde entfernt. Dieser schon lange vermutete Effekt ist seit etwa 1995 durch Laserdistanzmessungen abgesichert. Extrapoliert man diese Abbremsung in die Zukunft, wird auch die Erde einmal dem Mond immer dieselbe Seite zuwenden, wobei ein Tag auf der Erde dann etwa siebenundvierzig Mal so lang wäre wie heute. Damit unterliegt die Erde demselben Effekt, der in der Vergangenheit schon zur gebundenen Rotation (Korotation) des Mondes geführt hat.

Aufbau

Die Erde definiert mit ihrem geochemischen Aufbau die Klasse der erdähnlichen Planeten (auch erdartige, terrestrische Planeten, oder Gesteinsplaneten genannt). Die Erde ist unter den vier erdähnlichen Planeten des Sonnensystems der größte.

Aufbau der Erde: wichtigste Schalen und ihre durchschnittliche Tiefe (chemisches und rheologisches Modell vermischt)

Da sich die Bereiche unterhalb von wenigen Tausend Metern Tiefe einem direkten Zugriff des Menschen durch Bohrungen entziehen, fußt das Wissen um den Aufbau des Erdinneren zu einem Großteil auf der Seismik, das heißt, der Aufzeichnung und Auswertung von mechanischen Wellen, die sich durch den Erdkörper bewegen, ausgelöst z. B. durch Erdbeben oder Atomwaffentests. Das daraus resultierende seismische Profil des Erdkörpers ist durch zwei markante Diskontinuitäts­flächen gekennzeichnet. Diese gelten als Grenzflächen zwischen Erdkruste und Erdmantel bzw. Erdmantel und Erdkern.

Die massenanteilige Zusammensetzung der Erde besteht hauptsächlich aus Eisen (32,1 %), Sauerstoff (30,1 %), Silizium (15,1 %), Magnesium (13,9 %), Schwefel (2,9 %), Nickel (1,8 %), Calcium (1,5 %) und Aluminium (1,4 %). Die restlichen 1,2 % teilen sich Spuren von anderen Elementen.

Nach seismischen Messungen ist die Erde hauptsächlich aus drei Schalen aufgebaut: aus dem Erdkern, dem Erdmantel und der Erdkruste. Diese Schalen sind durch seismische Diskontinuitätsflächen (Unstetigkeitsflächen) voneinander abgegrenzt. Die Erdkruste und der oberste Teil des oberen Mantels bilden zusammen die sogenannte Lithosphäre. Sie ist zwischen 50 und 100 km dick und zergliedert sich in große und kleinere tektonische Einheiten, die Platten.

Ein dreidimensionales Modell der Erde wird, wie alle verkleinerten Nachbildungen von Weltkörpern, Globus genannt.

Erdmagnetfeld

Das die Erde umgebende magnetische Feld wird von einem Geodynamo erzeugt. Das Feld ähnelt nahe der Erdoberfläche einem magnetischen Dipol. Die magnetischen Feldlinien treten auf der Südhalbkugel der Erde aus und durch die Nordhalbkugel wieder in die Erde ein. Im Erdmantel verändert sich die Form des Magnetfeldes. Außerhalb der Erdatmosphäre wird das Dipolfeld durch den Sonnenwind verformt.

Die geomagnetischen Pole der Erde fallen nicht genau mit den geografischen Polen der Erde zusammen. Im Jahr 2007 war die Achse des geomagnetischen Dipolfeldes um etwa 11,5° gegenüber der Erdachse geneigt.

Über die Entstehung des Hauptmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien, wovon die sogenannte Dynamotheorie heute allgemein als zutreffend anerkannt ist. Der durch sie beschriebene Mechanismus wird als Geodynamo bezeichnet. Es handelt sich um ein bisher unvollständig erklärtes Phänomen der Magnetohydrodynamik.

Das Erdmagnetfeld ist gegenüber der Erdachse verschoben und geneigt.

Die Dynamotheorie geht von dem als gesichert geltenden Aufbau des Erdinneren aus, insbesondere davon, dass eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit vorhanden ist. Diese Bedingung erfüllt der flüssige äußere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschließt. Der Erdkern ist sehr heiß, einige Schätzungen liegen bei 5000 °C. Er ist also in etwa so heiß wie die Sonnenoberfläche. Eisen oder Nickel sind bei dieser Temperatur nicht (ferro-)magnetisierbar, weil diese weit über deren Curie-Temperaturen liegt. Damit sind diese Materialien dort selbst nicht magnetisch, sondern können nur als elektrische Leiter fungieren.

Form und Stärke

Der Kompass weist auf weiten Teilen der Erdoberfläche grob in geographische Nord-Richtung. Abweichungen von dieser Ausrichtung bezeichnet man als Missweisung oder Geographische Deklination. Sie sind besonders groß und variabel in hohen nördlichen und südlichen Breiten, denn dort, abseits der geographischen Pole, liegen die geomagnetischen Pole, an denen die horizontale Feldkomponente verschwindet. Der Pol im Norden heißt geomagnetischer Nordpol, obwohl es aus physikalischer Sicht ein magnetischer Südpol ist.

Erdfigur

Eine theoretische ideale Erdkugel (Globus) ist als Rechenfläche für die Wissenschaften nur bedingt geeignet, weil die Erde durch ihre Rotation an den Polen um etwa 0,3 Prozent abgeflacht ist. Diese Abplattung wäre zwar mit freiem Auge aus dem Weltall kaum zu bemerken, macht aber de facto über 21 km aus.
Nimmt man den üblichen „mittleren Erdradius“ von 6371 km, betragen die zonalen Abweichungen von diesem immerhin noch zwischen -14 km und +7 km. Mit einem Kugelradius von 6368 km würden sich diese Abweichungen zwar auf −11/+10 km verringern, doch ergäben sich viel zu kleine Werte für Oberfläche und Volumen der Erde. Die mit unserem Planeten volumengleiche Kugel hätte einen Radius von 6371,2 km. Der Radius einer oberflächengleichen Kugel weicht um wenige Meter ab.

Daher sind kugelförmige Modelle für die Erde nur dann brauchbar, wenn keine Genauigkeit besser als 10 Kilometer erforderlich ist. Selbst für die Landkarten in einem einfachen Schulatlas braucht man ein etwa 10-mal besseres Modell, und erst recht für Ortsangaben mit geografischen oder Gauß-Krüger-Koordinaten.
So ist vielfach unbekannt, dass sich geozentrische und geografische Breiten um bis zu 0,19° oder 22 Kilometer unterscheiden. Fachgebiete wie Erdmessung, Geoinformatik, Geophysik und Satellitengeodäsie müssen sich täglich mit dieser Tatsache auseinandersetzen.

Aus Sicht des GFZ Potzdam

Prinzipiell kann die Form der Erde auf mehrere Arten definiert werden:

• 1.als vereinfachte Erdoberfläche – also mit Meereshöhen von 0 m (genauer −400 m beim Toten Meer) bis +9.000 m (Himalaya)
• 2.als Fläche der „festen Erde“ – also mit Höhen von −11 km (tiefster Meeresboden) bis +9 km
• 3.als idealisierte Fläche des Meeresspiegels (ohne die naturbedingten Schwankungen von 1 – 18 m) – das seit 1870 so genannte Geoid
• 4.ein dem Geoid angepasstes, rotationssymmetrisches Ellipsoid

Für die praktische Anwendung wird das Geoid durch seine Abweichung von einem Bezugsellipsoid festgelegt: In einem regelmäßigen Raster werden die Lotabweichung (Unterschied zwischen Ellipsoidnormale und Lotlinie) und die Geoidundulation (Höhenunterschied zwischen Ellipsoid und Geoid) angegeben. So lassen sich trotz der Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld präzise Vermessungsnetze berechnen und mit Gravimetrie kombinieren.
Das Modell Nr. 4 – welches der weit überwiegenden Zahl von Anwendungen und Berechnungen zugrunde gelegt wird: Eine nicht physikalisch, sondern rein geometrisch definierte, durch zwei Achsen festgelegte Rotationsfigur (Äquatorradius a und Polradius b).
Die konkreten Werte der Achsen a, b hängen allerdings von der jeweiligen Region ab, weil sich die mittlere Erdkrümmung bereits innerhalb eines Kontinents um bis zu zwei km unterscheiden kann.

Für die Landesvermessung einzelner Staaten wird meist das für das jeweilige Land bestangepasste der zuvor genannten oder eines von etwa Hundert weiteren Referenzellipsoiden benutzt. Die Referenzellipsoide unterscheiden sich untereinander um bis zu 1000 Meter. Bei genaueren Ortsangaben sollte daher auch immer das entsprechende Bezugssystem angegeben werden.

Äquator

Erdäquator und Längenkreise

Der Äquator der Erde ist der auf ihrer Oberfläche angenommene Großkreis, auf dessen Ebene (die Äquatorebene) die Erdachse senkrecht steht. Die Erdoberfläche wird vom Äquator in eine Nord- und eine Südhälfte unterteilt, woher der lat. Name „Gleichmacher“ (alt dt. „Gleicher“) stammt. Er ist Bezugskreis für die parallelen Kleinkreise, die zur Bemaßung der Erde in Nord-Süd-Richtung mit Hilfe von Breitenkreisen verwendet werden. Er selbst hat die geographische Breite 0°.

Der Schnitt der Äquatorebene der Erde mit der um die Erde gedachten Himmelskugel ist der Himmelsäquator.

In der Geometrie wird der Begriff Äquator allgemein auf die Kugel in Verbindung mit einer durch ihren Mittelpunkt festgelegten Achse angewendet.

Länge und Durchmesser des Äquators

Der Umfang des Äquatorkreises beträgt 40.075,017 Kilometer (WGS 84). Die Erde hat in der Kreisebene des Äquators einen mittleren Durchmesser von 12.756,274 Kilometern.

Die Länge einer Seemeile (abgekürzt sm; engl. nautical mile, NM) war ursprünglich der Äquatorbogen über eine Bogenminute und betrug 1,853 Kilometer bezogen auf einen mittleren Erd-Radius von 6.370 Kilometern.

Himmelsäquator

Grafische Darstellung des Zusammenhangs von Himmelsäquator (gelb), Himmelsnordpol und Ekliptik (rot).

Der Himmelsäquator ist der Großkreis auf der gedachten Himmelskugel, auf dem sie von der Ebene des Erdäquators geschnitten wird. Anders ausgedrückt: Wenn man in den Mittelpunkt einer gläsernen Erdkugel eine Glühlampe stellen würde, ist der Himmelsäquator gerade die Projektion des Erdäquators an die scheinbare Himmelskugel. Er teilt die Himmelskugel in eine Nord- und eine Südhälfte.

Da die Erdachse gegenüber der Ebene des Sonnensystems geneigt ist, schneidet der Himmelsäquator die Ekliptik – die scheinbare Ebene der Umlaufbahn der Sonne um die Erde – derzeit (Stand 16. November 2014) unter einem Winkel von 23,43° (Schiefe der Ekliptik). Die beiden Schnittpunkte werden als Frühlingspunkt bzw. Herbstpunkt bezeichnet, da sich in ihnen die Projektion der Sonne an die scheinbare Himmelskugel zu den Tag-und-Nacht-Gleichen im Frühling bzw. Herbst befindet.

Orte auf dem Himmelsäquator haben im äquatorialen Koordinatensystem die Deklination 0°, eine Poldistanz von 90°, ihre Rektaszension wird ausgehend vom Frühlingspunkt gemessen.

Da die Erdachse eine Präzessionsbewegung ausführt, ändert sich im Laufe der Zeit auch die Lage des Himmelsäquators und mit ihm die Richtung des Frühlingspunkts im Raum.

Erdoberfläche

Die Erdoberfläche ist die Grenzfläche zwischen der festen Erdkruste (einschließlich der Böden) und den Gewässern auf der einen sowie der Atmosphäre auf der anderen Seite. Sie lässt sich nach verschiedenen Kriterien in Hemisphären (von altgriechisch ἥμισυς hemisys ‚halb‘ und σφαῖρα sfaira ‚Kugel‘) in Halbkugeln einteilen, also in Hälften der Erdoberfläche.
Geländehöhen auf der Erdoberfläche werden auf den mittleren Meeresspiegel bezogen. Diese Niveaufläche – das Geoid – hat genähert die Form eines Ellipsoids und eine Oberfläche von 510 Millionen km², wovon rund 71 % von Meeren bedeckt sind.

Gliederung nach Hemisphären

• Geodäsie: Die Nord- und die Südhemisphäre, wie sie sich aus der Breite bezüglich des Erdäquators ergeben, sowie die östliche und die westliche Hemisphäre, nach dem Längengrad bezüglich des Nullmeridians und des 180. Längengrads. Der einzige Staat der Erde, dessen Staatsgebiet in allen vier Erdhemisphären liegt, ist Kiribati, ein Inselstaat im Pazifik.
• Geomorphologie: Die Wasserhemisphäre und die Landhemisphäre. Erstere umfasst den ganzen pazifischen Raum und ist zu 89 % von Meeren bedeckt, zweitere ungefähr den atlantischen Raum und Eurasien mit etwa 50 % Festland.
  Daneben bezeichnen Nord- und Südhemisphäre wie auch West- und Osthemisphäre kultur- und wirtschaftspolitische Einteilungen, die aber verhältnismäßig willkürlich gewählt sind. Die Verwendung in diesem Zusammenhang etablierte sich in der Zeit des Kalten Kriegs in der Mitte des 20. Jahrhunderts. Südhemisphäre bezog sich auf die Dritte Welt, Osthemisphäre auf den vom Kommunismus bzw. Realsozialismus beeinflussten Raum Europas und Asiens (Zweite Welt). Heute wird diese Einteilung aufgrund der geänderten geopolitischen Lage in der Fachliteratur kaum mehr verwendet.
  

Höhen

Die mittlere Höhe der Festlandsflächen liegt bei ungefähr 700 m (Europa 300 m, Asien 880 m, Amerika 610 m, Afrika 660 m, Ozeanien und Australien 300 m). Ihren höchsten Punkt erreicht die Erdoberfläche mit dem Mount Everest bei 8.848 Metern über dem Meeresspiegel. Der tiefste frei zugängliche Punkt der Erdoberfläche befindet sich am Ufer des Toten Meeres, dessen Wasseroberfläche 423 Meter unter Meeresniveau liegt. Der tiefste Punkt der Oberfläche der kontinentalen Erdkruste befindet sich unter dem Denman-Gletscher des Antarktischen Eisschildes, wo eine Tiefe von etwa 3.500 m unter dem Meeresspiegel erreicht wird. Die mittlere Tiefe der Meere beträgt etwa 3.500 m und die tiefste Stelle der Oberfläche der Erdkruste bzw. der Lithosphäre befindet sich im Marianengraben bei ungefähr 11.000 Metern unter dem Meeresspiegel.

Gliederung nach Wasser und Land

Die Geomorphologie gliedert die Erdoberfläche in Gebiete, die von Gewässern bedeckt sind: Seen, Flüsse und Meere, sowie in Gebiete, die nicht von Gewässern bedeckt sind: Festland und Inseln.

Während der Ausdruck „Oberfläche“ bei den nicht von Gewässern bedeckten Gebieten relativ einfach als die Grenzfläche zwischen der Litho- und/oder Pedosphäre und der Atmosphäre zu verstehen ist (Geländeoberkante), bezieht er sich bei Gewässern entweder auf die sichtbare Gewässeroberfläche (Wasserspiegel) oder die Grenzfläche zwischen Lithosphäre (einschließlich der Sedimente bzw. „subhydrischen Böden“) und Wasserkörper (Gewässergrund, engl. sediment-water interface). Bei genauerer Betrachtung aber ist auch bei den Landmassen wahlweise die „von oben sichtbare“ Fläche einschließlich der Vegetationsdecke und Überbauung (Topographie), oder nur Gelände­oberfläche (Orographie) gemeint.

Bei großflächig vergletscherten Regionen wie der Arktis und der Antarktis, wo zudem Teile des Eisschildes als Schelfeis weit in die Küstengewässer hineinreichen, stellt sich die Frage, ob die Oberfläche der Eiskörper zur Erdoberfläche zählt oder nicht.