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US-Metropolen sind heißes Pflaster

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 11.09.2007 19:02

New York 435 Meter unter dem Meeresspiegel, Miami 735 und Los Angeles sogar 1144 Meter tief im Ozean versunken, die Küstenstadt Seattle im nordwestlichen US-Bundesstaat Washington dagegen auf 1813 Metern Höhe. Das Bild, das US-Geophysiker im aktuellen "Journal of Geophysical Research" von ihrem Heimatkontinent zeichnen könnte sich nicht stärker von seiner heutigen Gestalt unterscheiden. Anstelle des drittgrößten Kontinents der Erde, gäbe es nur einen Streifen gebirgigen Festlands mit ein paar Inseln davor. Die Wissenschaftler haben bei ihrem Gedankenspiel einfach den Beitrag der Hitze aus dem Erdinneren zum Auftrieb der Kontinente herausgerechnet. Erstaunlich genug wird dieser Beitrag derzeit oft übersehen, wenn es um die Modellierung der Erdoberfläche geht.

Wäre überall unter Nordamerika die Erdkruste und der darunter liegende obere Erdmantel so kühl wie unter Nordkanada, sähe die geographische Karte vollkommen anders aus. Der größte Teil Nordamerikas läge tief unter den Wassermassen von Atlantik und Pazifik begraben, wenn nicht irgendetwas die Kontinente dazu brächte, auf den Platten der Erdkruste zu schwimmen wie Schaum auf der Wasseroberfläche. Ein Teil der Ursache ist bekannt, denn das Gestein der Kontinentalplatten ist weniger dicht als das der ozeanischen Krustenplatten. Doch dieser Effekt allein reicht nicht aus, um die Höhen zu erklären, zu denen sich das Festland emporschwingt.

Nicht nur Plattentektonik und Unterschiede in der Zusammensetzung des Gesteins heben Gebirge an, sondern auch Temperaturunterschiede. Foto: USGS

"Nur die Hälfte des Kontinentalauftriebs beruht auf der Zusammensetzung der Gesteine", meint Derrick Hasterok, Geologie-Doktorand an der Universität von Utah, "die andere Hälfte resultiert aus der Temperatur." Zusammen mit seinem Doktorvater David Chapman hat er im "Journal of Geophysical Research" vorgerechnet, wie die Hitze, die die Plattentektonik aus dem Erdinneren nach oben fördert, zum Auftrieb beiträgt und wie man ihren Beitrag von dem der Dichte unterscheiden kann.

Im Grunde ist das Innere der Erde wie ein unendlich zäher Brei, der in einem großen Topf vor sich hin brodelt: Denn der Erdkern und der radioaktive Zerfall sorgen für große Hitze - und die muss heraus! Das erledigen großflächige Konvektionsströmungen. Sie rühren die Erde permanent im Schneckentempo durch. Dieser Hitzetransport ist die Triebfeder der Plattentektonik, die an der Erdoberfläche Ozeane aufreißt oder Gebirge auftürmt. Aber anscheinend hat dieser Hitzetransport eine bislang vernachlässigte Nebenwirkung: "Wenn die Plattentektonik beispielsweise unter New York nicht reichlich Hitze aus dem Erdinneren nach oben schaffen würde, läge die Stadt tief unter Wasser. Die Hitze, die dort aus dem Erdinneren aufsteigt, heizt die Erdkruste auf, weshalb ihre Dichte absinkt und sie wie ein Korken aufschwimmt. Unter Nordkanada hingegen spielt dieser Effekt des plattentektonischen Temperaturauftriebs keine Rolle. Dort ist die Erdkruste drei Milliarden Jahre alt und entsprechend kalt", erklärt Hasterok.

Innere Hitze hat großen Effekt

Und um das eher theoretische Thema greifbarer zu machen, haben Hasterok und Chapman ihr Modell gleich noch auf Nordamerika angewandt. Resultat: Ohne die Hitze aus dem Erdinneren wäre der Kontinent auf einen Streifen gebirgigen Festlands mit einigen Inseln reduziert, denn nur die höheren Lagen der Rocky Mountains und der Sierra Nevada, sowie das Gebiet im Nordwesten zwischen Cascade Mountains und dem Ozean würden aus dem Wasser ragen. Allerdings würde das Areal im Nordwesten um die Städte Seattle und Vancouver wesentlich höher liegen als zurzeit. Der Grund liegt darin, dass die Plattentektonik die Erdoberfläche nicht nur aufheizen sondern auch kühlen kann. Unter dem Gebiet westlich der Cascade Mountains sinkt eine kalte und schwere ozeanische Krustenplatte, die Juan-de-Fuca-Platte, unter den nordamerikanischen Kontinent. Sie wirkt wie ein Kühlkissen und isoliert gleichzeitig den Kontinent vom Hitzestrom aus dem Erdmantel, und deshalb sinkt das Land an dieser Stelle um rund 1800 Meter ein.

David Chapman, Professor für Geophysik an der Universität von Utah, verfolgt die Idee vom Einfluss der Erdwärme auf den Auftrieb schon seit längerem. Theoretisch ist dieser Faktor in der Geophysik auch bekannt, doch seine Bedeutung wurde bislang praktisch ignoriert. Die Geologen ließen lediglich die Dichte der Gesteine und die Druck- oder Zugkräfte der Plattentektonik in ihre Simulationen einfließen, wenn sie die Topographie eines bestimmten Gebietes in Modellen nachvollziehen wollten. Dabei zeigt ein scharfer Blick in die geologischen Karten, dass die Zusammensetzung der Gesteine und die Bewegung der Platten nicht alles sein können. Ein Beispiel: Obwohl das Colorado-Plateau und die Great Plains östlich der Rocky Mountains aus demselben Gestein bestehen, beträgt der Höhenunterschied zwischen ihnen 1500 Meter. Der Grund: Das Gestein unter dem Colorado Plateau ist um 150 Grad Celsius heißer und damit weniger dicht als das unter den Great Plains - und entsprechend hoch steigt die Landschaft auf.

Wärmebild für andere Kontinente wird gerade berechnet

Erdbebenwellen haben den Geologen die Bedeutung der Temperatur in der tiefen Erde verraten. Je kälter die Steine sind, desto schneller laufen die Bebenwellen durch den Untergrund. Mit dieser Information entstand im Computer eine Art Wärmebild des Planeten. Und das zeigt für Nordamerika an vielen Stellen große Hitze im Untergrund. "Dass die Hitze in der Erdkruste und im oberen Erdmantel eine Rolle spielt, haben Geologen schon vor Jahrzehnten für die Meere erkannt", erklärt Hasterok. Der Meeresboden ist an den mittelozeanischen Rücken bis zu 3000 Metern hoch. Dort dehnt die Plattentektonik jedoch die Kruste, so dass die Erhöhung nicht durch Kollisionen entstehen kann. Dafür dringt aber aus dem Erdinneren dringt Magma nach oben und bildet neue Meereskruste. Die ist heiß und wölbt daher die Rücken auf, doch auf dem Weg über den Globus kühlt sie mehr und mehr ab, lagert Wasser ein und sinkt dadurch ab. So entstehen die Tiefsee-Ebenen. Schließlich ist die Meereskruste so dicht und schwer, dass sie ins Erdinnere sinkt.

Hasterok und Chapman haben diesen Effekt des Hitzeauftriebs jetzt auch auf die Kontinente ausgedehnt. Bisher schien das schlicht zu komplex zu sein, weil die Zusammensetzung der Kontinentalplatten zu heterogen und ihr Aufbau zu chaotisch ist. Die Geologen aus Utah haben sich nun doch herangewagt und sind mit ihrer Entdeckung der Temperaturabhängigkeit einen wichtigen Schritt zu einem ganzheitlichen Bild der dynamischen Prozesse in der Erde weiter gekommen. Auf andere Kontinente kann man die Ergebnisse von Nordamerika nicht übertragen, ja man kann noch nicht einmal einheitliche Angaben für den Kontinent selbst machen. Das liegt eben an der unterschiedlichen Zusammensetzung des Untergrundes und nicht zuletzt an unterschiedlichen Temperaturen im Erdinneren. Daher rechnen die Geologen momentan, wie es mit den anderen Kontinenten aussieht.