Geodynamo

Der Geodynamo ist ein Modell, dass herangezogen wird, um die Entstehung des Erdmagnetfelds zu erklären. Unter dem Einfluss physikalischer Kräfte rotiert im Äußeren Erdkern leitfähige Materie (geschmolzene Metalle) schraubenförmig. Zudem umhüllt die Metallschmelze den Inneren Erdkern aus festem Metall. Hierdurch entsteht ein Strom, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld ist selbsterhaltend.

Die schraubenförmigen Strömungen in der Metallschmelze soll durch Temperaturunterschiede im Erdinnern entstehen. Gravitation und Erdrotation dienen als zusätzlicher Antrieb der Metallströmungen. Dieses Modell wurde in einem Versuchsaufbau mit flüssigem Natrium simuliert. Der Versuch wurde am Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt.

Frühere Überlegungen, dass es im Erdkern einen Permanentmagneten geben könnte, wurden mittlerweile widerlegt: der Erdkern ist 6000 Grad Celsius heiß. Bei solchen Temperaturen kann es keinen Permanentmagneten geben.

Der Geodynamo erzeugt das Erdmagnetfeld der Erde, welches die Erdoberfläche vor dem Bombardement mit kosmischer Strahlung schützt. Primär sind es Partikel des Sonnenwindes, die Auswirkungen auf Klima und Lebewelt haben können. Treffen besonders viele Sonnenwindpartikel auf der Erdmagnetfeld entstehen Polarlichter.

Der Geodynamo steht in direkter Wechselwirkung mit den Gesteinsschmelzen im unteren Erdmantel. Dort bilden sich Konvektionszellen aus Gesteinsschmelze, die für die Kontinentalwanderung verantwortlich sind. Sie bedingen auch einen Großteil des Vulkanismus auf der Erde. Die strömende Metallschmelze im Äußeren Erdkern gibt nicht nur Energie an die Konvektionszellen im unteren Erdmantel ab, sondern könnte auch Mantelplumes anheizen. Wissenschaftler der Universitäten von  Jilin und Nevada fanden in einer gemeinsamen Studie heraus, dass Mantelplumes viel tiefer wurzeln, als man bislang annahm. So könnten die Ströme aus geschmolzenen Metall auch Hotspot Vulkane auf Hawaii und anderswo beeinflussen. Zu diesem Schluss kamen die Forscher, weil das leicht flüchtige Element Helium an Hotspot Vulkanen freigesetzt wird. Das Helium scheint im unteren Erdmantel an Eisendioxid gebunden zu sein und bildet dort ein FeO2He Mineral. FeO2He ist nur unter extrem hohen Drucken und Temperaturen stabil, so wie sie im Grenzbereich des Unteren Erdmantel zum Oberen Erdkern vorkommen.

Geothermischer Gradient

Unter dem Geothermischen Gradienten versteht man die Temperaturzunahme in der Erdkruste mit der Tiefe. Im oberen Bereich der Kruste beträgt der Geothermische Gradient in Deutschland gut 3 Grad auf 100 m Tiefe. Regional kann es zu großen Unterschieden kommen: Im Oberrheingraben liegt der Geothermische Gradient bei 5 Grad. Klimatische Bedingungen beeinflussen die Temperatur nur auf die ersten Meter im Boden. In Deutschland herrschen in einer Tiefe von 15 m konstante 10 Grad Celsius.

Wärmestrom und Wärmedichte

In magmatisch/ vulkanisch aktiven Gegenden kann der Geothermische Gradient um einiges höher liegen. Extremwerte von 20 Grad pro 100 m sind möglich. Während in diesen Regionen die zusätzliche Erdwärme von einem Magmenkörper in der Erdkruste herrührt, ist die normale Temperaturzunahme mit der Tiefe dem Wärmestrom aus dem Erdinneren geschuldet. Er hängt maßgeblich vom zunehmenden Druck in der Tiefe ab. Im Erdmantel und im Erdkern spielt überwiegend radioaktiver Zerfall eine Rolle. Ca. 30 Prozent der Erdwärme stammt noch aus Zeiten der Erdentstehung. Der Wärmestrom ist eine Wärmeleistung und wird in Watt angegeben. Die gesamte Erde gibt 47 TW Wärme den Weltraum ab. Die natürliche mittlere Wärmestromdichte an der Erdoberfläche beträgt 91,6 mW/m².

Die treibende Kraft hinter fließen des Wärmestroms ist dabei das Temperaturgefälle vom rund 6.000 °C heißen Erdkern zur durchschnittlich 15 °C  kalten Erdoberfläche.

Der Wärmestrom ist abhängig von der Gesteinsdichte. Besonders Fluide wie Tiefenwässer können den Wärmestrom regional beeinflussen. Bohrungen, etwa zur Gewinnung von Erdwärme haben ebenfalls einen Einfluss.

Energie aus der Erdwärme

Besonders ich vulkanisch aktiven Gegenden wird die Wärme aus dem Erdinneren zur Erzeugung von Strom genutzt. Der Weg von der Erdwärme zum Strom führt dabei über die Erzeugung von heißem Wasserdampf. Er wird gewonnen, indem man Bohrungen abteuft und Wasser in den Untergrund pumpt. In Form von Dampf kommt es wieder hoch und steht unter so hohem Druck, dass damit Generatoren angetrieben werden. Auch heißes Wasser kann so gewonnen werden.

Einen normalen Geothermischen Gradienten, also einen Temperaturunterschied von wenigen Grad, kann man sich mittels einer Sole-Wasser-Wärmepumpen zunutze machen.

Geysir

Geysir ist der Sammelbegriff für heiße, vulkanische Springquellen, die eine Wasserfontäne fördern. Das Auswerfen der Wasserfontäne geschieht meistens periodisch. Wenn der Geysir ausbricht, nennt man diesen Vorgang “springen”. Alternativ kann man das Springen des Geysirs auch als Eruption bezeichnen.

Das Wort Geysir wurde in Island geprägt und stammt von geysa ab, was soviel wie “in Wallung bringen” bedeutet. Wenn die Isländer schon das Wort Geysir prägten, dann ist es nahe liegend Island als Land der Geysire zu bezeichnen. Tatsächlich gibt es auf Island eine hohe Anzahl Geysire. Namensgebend war der “Große Geysir” im Thermalgebiet von Haukadalur. Dort liegt auch der Strokkur. Er ist der aktivste Geysir der Insel.

Die meisten Geysire verdanken ihre Existenz dem Vulkanismus, oder Magmatismus. Für die Bildung eines Geysirs muss es ein hydrothermales System im Boden geben. Die Thermalenergie stammt in der Regel von einer Magma-Ansammlung (Magmenreservoir) im Untergrund. Es muss soviel Hitze nachkommen, dass das Wasser überhitzt und heißer als 100 Grad wird. Das benötige Wasser ist eine Mischung aus Grundwasser und Regenwasser. Als dritte Voraussetzung für das Entstehen eines Geysirs braucht man einen senkrechten Schacht mit einer Engstelle. In diesem Schacht sammelt sich das Wasser, welches sich von unten erwärmt. Durch den Druck der Wassersäule im Schacht, kann das Wasser zunächst nicht sieden, da sich der Siedepunkt erhöht. Doch irgendwann bilden sich einzelne Gasblasen. Sie steigen auf und heben das Wasser über der Engstelle an, welches aus dem Schacht überläuft. Es kommt zur Druckentlastung und rapider Dampfentwicklung, die das Wasser explosionsartig aus dem Schacht treibt. Der Geysir springt. Dabei wird eine Mischung aus Wasser und Dampf gefördert. Gelegentlich können Steine aus dem Schacht mitgerissen werden.

Tatsächlich gibt es die meisten Geysire der Welt nicht auf Island, sondern im Yellowstone Nationalpark in den USA. In dem Thermalgebiet gibt es mehr als 300 Geysire und geysirartige Quellen. Das ist mehr als die hälfte aller Geysire weltweit. Zu den bekanntesten Geysiren hier zählen Old Faithful, Castle- und Steamboat Geyser. Letzterer springt seit 2018 regelmäßig und ist der größte Geysir der Erde.

Weitere bedeutende Geysire gibt es auf Neuseeland, in Kamtschatka und der chilenischen Hochgebirgswüste Atacama. Hier gefriert das Wasser oft, bevor es den Boden erreicht.

Kaltwasser-Geysire

Eine besondere Geysir-Art sind die Kaltwasser-Geysire. Treibende Kraft hinter diesen Geysiren ist nicht geothermaler Wasserdampf, sondern das Gas Kohlendioxid. Dieses sammelt sich in einer Kappe unterhalb des Schachts, bis soviel Gas vorhanden ist, dass es die Wassersäule aus selbigen treibt. Die meisten Kaltwasser-Geysire wurden durch künstliches aufbohren von Kolhensäurequellen erzeugt. Bekanntes Beispiel ist hier der Andernacher Kaltwassergeysir in der Vulkaneifel.