Aufgaben 175 Bioplanet Erde Vulkane und Erdbeben liefern Daten zum Aufbau der Erde Woher stammt unser Wissen über diesen Aufbau? Die tiefsten Bohrungen reichen knapp mehr als 12 km in die Erde, doch die Erde selbst liefert Hinweise: Vulkane (siehe S. 180) fördern Material aus dem Erdmantel an die Oberfläche, das Aufschluss über die Zusammensetzung dieser Schicht gibt. Noch wichtiger sind Daten aus Erdbeben. Diese gewaltigen Erschütterungen laufen in Wellen durch die Erde. Da sich chemische und mechanische Eigenschaften des Planeten aber mit zunehmender Tiefe ändern, wandern diese Wellen nicht geradlinig. Mit zunehmender Dichte folgen sie gekrümmten Wegen. An den Grenzen zwischen Schichten, den Diskontinuitäten, ändern die Erdbebenwellen ihre Geschwindigkeit und Richtung markant. Das liegt daran, dass sich hier der Aggregatzustand bzw. die chemische Zusammensetzung (und damit die Dichte) ändert. Durch Auswertung dieser Daten über ein weltweites Netz von Messstationen kann die Lage dieser Diskontinuitäten berechnet werden. Und warum ist die Erde überhaupt in Schichten gebaut? Diese Frage lässt sich aus ihrer Geschichte verstehen: Nach ihrer Entstehung war der Planet sehr heiß und durchgehend flüssig. Die schweren Anteile – Nickel und Eisen – sanken zur Mitte und bildeten den Kern. Die leichteren Elemente „schwammen“ obenauf und bildeten den Mantel und die Kruste. Vulkane liefern Material aus dem Mantel Erdbebenwellen geben Aufschluss über den Schichtenbau Minerale: Die Bausteine der Erde Hast du dir schon einmal die Vielfalt der Kiesel an einem Flussufer oder Ähnliches angeschaut? Die Beschäftigung mit dem Aufbau von Mineralen ist vielleicht die älteste Wissenschaft überhaupt. Die frühesten Perioden der Menschheitsgeschichte basieren auf mineralogischen Kenntnissen (Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit). Doch was sind Minerale genau? Unter einem Mineral versteht man eine chemisch einheitliche Substanz, die auf natürlichem Wege entstanden ist und normalerweise in kristallinem1 Zustand vorliegt. Das heißt, von jedem Mineral lässt sich eine chemische Formel angeben – bekannte Beispiele sind Steinsalz (NaCl) oder Quarz (SiO2, k Abb. 3 a). Minerale unterscheiden sich in ihren Eigenschaften beträchtlich und sind entsprechend wichtige Rohstoffe mit einer Vielzahl von Verwendungen, etwa als Baustoffe, Erze, Schmucksteine oder Kosmetikprodukte. Schließlich basiert auch jedes elektronische Gerät auf mineralogischen Produkten – der Rohstoff für Elektronik-Chips ist Silizium, das in großen Mengen aus Quarz gewonnen wird. „Auf der Erde gibt es ca. 5 800 unterschiedliche Minerale, die nach chemischen Kriterien in mehrere Klassen eingeteilt werden. Dazu zählen Elemente (wie Gold oder Diamant), Sulfide (wie Pyrit, FeS2), Halogenide (wie Steinsalz, NaCl), Oxide (wie Korund, Al2O3) oder Silikate (wie Zirkon, ZrSiO4). Von den 5 800 Mineralen sind die meisten sehr selten, der Großteil der Erdkruste (über 95 %) besteht aus nur ca. 0,5% aller Minerale. Gerade die Silikatminerale, also Minerale, die aus Silikat-Tetradern (k Abb. 3 b) und verschiedenen Ionen bestehen, bilden hier den Hauptanteil (fast 80 %). 1 Kristall: ein Festkörper mit regelmäßiger, sich wiederholender Anordnung der Atome; Minerale sind in den meisten Fällen kristallin, doch auch viele organische und synthetische Stoffe sind kristallin, zB Zucker oder Arzneimittel-„Pulver“. Minerale sind chemisch einheitliche Körper, die auf geologischem Weg entstanden sind Abb. 3: Quarz, ein sehr häufiges Mineral. Große Quarzkristalle werden als „Bergkristall“ bezeichnet (a). In der Kristallstruktur, also einem Ausschnitt aus der Anordnung der Atome, erkennt man die Regelmäßigkeit: Jeweils ein Siliziumatom und vier Sauerstoffatome bilden Tetraeader. Jedes Sauerstoffatom hat zwei Bindungen zu einem Siliziumatom, daraus ergibt sich die Summenformel Si02 (b). 1 S Suche im Internet nach Bildern unter den Schlagworten „Laufwege“ und „Erdbebenwellen“. Wähle geeignete Bilder und interpretiere die Laufwege mit Hilfe der oben genannten Informationen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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