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Geophysik

Geophysik

Die Geophysik ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften und gleichzeitig der Physik. Sie erforscht die physikalischen Eigenschaften und Vorgänge der Erdkruste und des Erdinnern (Physik der festen Erde, die Geophysik im engeren Sinn), umfasst aber genauso die Physik der Ozeane (Ozeanografie) und der Atmosphäre (Meteorologie). Sie beschäftigt sich dabei vornehmlich mit natürlichen Erscheinungen und Vorgängen der Erde und ihrer Umgebung, sowie mit technischen Aspekten (s. Angewandte Geophysik) und geophysikalischen Karten. Ihre Teilgebiete sind:
- spezielle Geophysik
- Hydrologie (Wissenschaft vom Wasserbau und Wasserwirtschaft)
- Meteorologie (Wissenschaft von der Troposphäre)
- Aeronomie (Wissenschaft von der Stratosphäre)
- Ionosphärenforschung (Wissenschaft von der Thermosphäre)
- Allgemeine Geophysik mit 3 Teilbereichen: # die theoretische Geophysik, die sich z.B. mit der Potentialtheorie, den Wellengleichungen oder der Geodynamik befasst, wobei neben dem kartesischen Koordinatensystem insbesondere auch das Kugelkoordinatensystem verwendet wird. # die experimentelle Geophysik (im Labor), in der beispielsweise die Schall-Leitfähigkeit verschiedener Gesteine unter hohem Druck bestimmt wird oder an Modellen die Ausbreitung von Erdbebenwellen im Erdinneren simuliert wird. Daneben nimmt auch die Numerische Simulation einen immer breiteren Raum ein. # die Angewandte Geophysik zu Exploration (Erkundung), etwa zur Suche nach Erdöl, Wasser oder Erzen, oder zur Ermittlung von potenziell geeigneten Endlagerstätten für Abfälle, insbesondere Atommüll. Des weiteren im Umweltbereich (Altlasten/Deponien, zu Baugrunduntersuchungen (Standfestigkeit) oder in der Landwirtschaft (Agrogeophysik). Die geophysikalischen Erkundungsverfahren können in folgende Teildisziplinen gegliedert werden:
- Potentialverfahren
- Geoelektrik
- Geoelektromagnetik
- Geomagnetik
- Geothermik
- Gravimetrie
- Wellenverfahren
- Seismik
- Seismologie
- Elektromagnetische Verfahren
- Georadar (Ground Penetrating Radar, GPR)
- Magnetotellurik (MT)
- Radiometrie
- Transiente Elektromagnetik (TEM oder TDEM)
- VLF Die globalen Forschungsagenda der Geophysik werden im Rahmen der IUGG (Internationale Union für Geodäsie und Geophysik) und ihren 7 Assoziationen koordiniert. Für regionale und technische Aufgabenbereiche und die Rohstofferkundung gibt es weitere Organisationsformen. [http://www.iugg.org/] Organisation der Geophysik im deutschsprachigen Raum - Die Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.V.: [http://www.dgg-online.de]

Weblinks

- [http://www.geosciences-forum.com/ Geosciences-Forum: Geophysik]
- [http://www.uni-koeln.de/math-nat-fak/geomet/geo/ageo/lotem/index.html Transiente Elektromagnetik (Elektromagnetik im Zeitbereich)]
- [http://www.parautochthon.com/100584/index.html Einblick in die Geophysik] Kategorie:Physik ! Kategorie:Geowissenschaft ja:地球物理学 th:ธรณีฟิสิกส์

Geowissenschaften

Die Geowissenschaften (von Geo=Erde, Erdwissenschaften) umfassen die Wissenschaften, die sich mit der Erde beschäftigen und gehört damit zu den Naturwissenschaften. Den Geowissenschaften werden u.a. die Fächer Geologie, Geographie, Geoinformatik, Paläontologie, Mineralogie, Petrographie, Kristallographie, Geophysik, Geodäsie, Glaziologie, Kartographie, Photogrammetrie, Meteorologie und Bodenkunde zugeordnet. Die Geowissenschaften verwenden die Kenntnisse und Methoden der Basiswissenschaften Physik, Mathematik, Astronomie, Chemie und Biologie. Da die Geowissenschaften sehr interdisziplinär und fächerübergreifend sind, gibt es viele spezielle Disziplinen, die eine hohe Umweltrelevanz besitzen, z.B. Angewandte Geologie i.w.S., Ingenieurgeologie, Hydrogeologie, Hydrologie, Geochemie (u.a. mikrobielle Geochemie), Geoökologie, Meteorologie, Klimatologie, Geothermie. Die Geowissenschaften haben eine tragende Rolle für die Energieversorgung wie Rohstoffversorgung unserer Welt. Die Suche (Exploration) nach Trinkwasser, Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle), Metallen und Nichtmetallen (Steine und Erden), wie Kies, Bausand, Ziegelton, Zementkalk, etc., aber auch Kernenergierohstoffen (Uran) und Erdwärme werden durch Geowissenschaftler projektiert und realisiert. Die Gewinnung dieser Rohstoffe fällt aber eher in den Bereich der Ingenieurwissenschaften, besonders des Bergbaus. Die angewandten Geowissenschaften finden Verwendung bei vielen Bauvorhaben (Gründung von Bauwerken, Erdbau, Grundbau und Tunnelbau). Die Raumplanung, der Umweltschutz bis hin zur Abfallwirtschaft (Deponien) benötigen geowissenschaftliche Kenntnisse. Die Abgrenzung bzw. die Definition des Begriffs „Geowissenschaften” ist nicht eindeutig definiert. Das Fach Geographie ist hier ein gutes Beispiel. Die oben angeführten „harten” Themen sind auch Bestandteil der „physischen Geografie”. Nichtsdestsotrotz gibt es den Zweig der „Anthropogeografie” mit zahlreichen Bezügen zu zwar raumbezogenen, nicht aber per se „erd”-bezogenen Themen. Zu nennen sind z.B. Wirtschaftsgeografie, Kulturgeografie und viele mehr.

Die einzelnen Wissenszweige

; Astrogeodäsie : Die Astrogeodäsie ist ein Teilgebiet der Geodäsie, welches Kenntnisse, Mittel und Methoden der Astronomie für Vermessungsaufgaben einsetzt (siehe auch Geodäsie). ; Bodenkunde : Die Bodenkunde (Pedologie) ist die Wissenschaft, die sich mit der Entstehung, der Entwicklung, den Bestandteilen und einer Klassifizierung von Böden befasst. Böden entstehen durch physikalische und chemische Verwitterung aus festem Gestein. ; Fernerkundung : Interdiziplinäres Instrument zur Datenbeschaffung durch Luftbildaufnahmen und Fernerkundungssatelliten für fast alle der hier aufgeführten Bereiche. ; Photogrammetrie : bedeutet die Rekonstruktion der dreidimensionalen Form von Gegenständen (hier insbesondere die Erd- oder Geländeoberfläche) aus Abbildungen (z. B. der perspektivischen Abbildung einer Fotografie). ; Geochemie : Die Geochemie befasst sich mit dem stofflichen Aufbau und der Verteilung von Elementen und Isotopen in der Erde, auf anderen Planeten und im Weltraum (Kosmochemie). Außerdem erforscht sie die Gesetzmäßigkeiten von Stofftransport und Materiekreisläufen in Mineralen und Gesteinen und der gesamten Erde. ; Geodäsie : Die Geodäsie oder Vermessungskunde befasst sich mit der Bestimmung der Figur der Erde, ihrer Abbildung in Karten und Plänen sowie der Vermessung und Beschreibung des Geländes und der Gegenstände und Sachverhalte an der Erdoberfläche. Teilbereiche der Geodäsie sind die Erdmessung, die Landesvermessung, die Kartographie, die Photogrammetrie, die Grundstücksvermessung und die Ingenieurvermessung. ; Geographie : Die Geografie untersucht alle Vorgänge und Erscheinungen auf dem Planeten Erde (siehe auch: (Physische Geografie). ; Geoinformatik : Die Geoinformatik setzt sich mit dem Wesen und der Funktion der Geoinformation, mit ihrer Bereitstellung in Form von Geodaten und mit den darauf aufbauenden Anwendungen auseinander. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse münden in die Technologie der GEO-Informationssysteme (GIS). Allen Anwendungen der Geoinformatik gemeinsam ist der Raumbezug. ; Geologie : Die Geologie untersucht den Aufbau des Planeten Erde, vor allem die Gesteine in der Erdkruste. Das wichtigste Prinzip der Geologie ist der Aktualismus. Anfang der 1960er erlebte die Wissenschaft einen sprunghaften Fortschritt durch die allgemeine Akzeptanz der Theorie der Plattentektonik. Schwesterwissenschaften der Geologie sind die Paläontologie und die historische Geologie. Siehe auch: Geschichte der Geologie ; Geophysik : Die Geophysik ist ein Zweig der Physik und verwendet physikalische Prinzipien zur Erforschung der Erde. Teilgebiete der Geophysik sind Seismik, Seismologie, Gravimetrie, Geoelektrik, Geothermik, Isotopengeophysik,Geomagnetik und Bohrlochgeophysik. Die Geophysik untersucht auch die Eigenschaften des erdnahen Raums. ; Geomorphologie : Die Geomorphologie untersucht die heute auf der Erdoberfläche vorkommenden Landschaftsformen. Das schließt deren Klassifikation, Beschreibung, Eigenheiten, Ursprünge, Entwicklung und den Zusammenhang zu den unterlagernden geologischen Strukturen ein. ; Geotechnik : ist ein Oberbegriff für die Disziplinen im Bauingenieurwesen, welche sich mit der Gründung von Bauwerken im Untergrund befassen. ; Geothermie : Die Geothermie versucht die innere Wärme des Erdkörpers für die Energiegewinnung nutzbar zu machen. ; Hydrologie : Die Hydrologie ist die Wissenschaft vom Wasser, von seinen Eigenschaften und seinen Erscheinungsformen auf und unter der Landoberfläche. ; Ingenieurgeologie : Die Ingenieurgeologie ist der angewandte Zweig der Geologie, der geologische Verhältnisse im Sinne des Bauingenieurwesens untersucht. Sie befasst sich z.B. mit der Standfestigkeit des Untergrunds von Bauwerken, auch mit der Erdbebensicherheit. Bei der Beseitigung und Vermeidung von Umweltschäden (Mülldeponien, Endlager) spielt sie ebenfalls eine Rolle. ; Kartographie : Die Kartographie ist die Wissenschaft, Kunst und Technik der Erstellung geografischer Karten zur planen Darstellung der Erdoberfläche mit all ihren topographischen, siedlungsgeografischen, territorialen, infrastrukturellen, sozialen, wirtschaftlichen, politischen, historischen, biologischen, geologischen, tektonischen und sonstigen Aspekten. Sie stützt sich auf Messungen der Geodäsie. ; Kristallographie : Die Kristallographie ist eine Materialwissenschaft und beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften von Kristallen. ; Limnologie : Die Limnologie ist die Wissenschaft von den Binnengewässern als Ökosystemen, deren Struktur, Stoff- und Energiehaushalt sie erforscht. ; Meteorologie : Die Meteorologie (Wetterkunde) ist die Wissenschaft von den atmosphärischen Erscheinungen. ; Mineralogie : Die Mineralogie beschäftigt sich mit der Zusammensetzung und Klassifikation der Minerale, ihrem Vorkommen und ihrer technischen und wirtschaftlichen Verwendung. ; Ozeanographie : Die Ozeanographie untersucht Stoff- und Energiekreisläufe in den Weltmeeren. In der Planktologie findet sich ein Bindeglied zu den Biowissenschaften. ; Paläoklimatologie : Die Paläoklimatologie versucht anhand verschiedener Daten aus Klimaarchiven die unterschiedlichen klimatischen Verhältnisse in der Vergangenheit zu klären und daraus wiederum Rückschlüsse auf die klimatische Zukunft der Erde zu ziehen. ; Paläontologie : Die Paläontologie ist die Wissenschaft, die sich mit den vorzeitlichen Pflanzen (Paläobotanik) und Tieren (Paläozoologie) beschäftigt. Quellenmaterial für den Paläontologen sind die Fossilien. Neben komplett überlieferten Skeletten oder Schalen von Tieren zählen Fraß- und Weidespuren, Grabgänge, einzelne Teile von Lebewesen (vor allem bei Pflanzen sind meist nur einzelne Teile (Blätter, Stämme, Wurzeln) überliefert), versteinerter Kot (Koprolithen) und chemisch alterierte Überreste zu den Fossilien. ; Petrologie und Petrographie : Petrologie und Petrographie sind Disziplinen, die feste Gesteine zum Untersuchungsgegenstand haben. Die Petrographie nimmt dabei eine mehr beschreibende Rolle ein. Aufgrund der Unterschiede bei der Entstehung von Gesteinen kann die Petrologie in drei Untergebiete eingeteilt werden: Petrologie magmatischer, metamorpher und sedimentärer Gesteine. ; Petrophysik : Die Petrophysik befasst sich mit der Bestimmung von phykalischen Eigenschaften von Gesteinsproben. Sie hat besondere Bedeutung erlangt bei der Bewertung von Speichergesteinen für Erdöl und Erdgas. ; Physische Geografie : Die Physische Geografie beschreibt die Gestalt der Erdoberfläche. ; Stratigraphie : Die Stratigraphie ist ein Zweig der Geologie. Sie versucht Gesteine hinsichtlich ihres Entstehungsalters chronologisch in der geologischen Zeitskala einzuordnen. Je nachdem auf welche Merkmale eines Gesteins sich die Stratigraphie stützt unterscheidet man: Fossil- oder Biostratigraphie, Lithostratigraphie, Magnetostratigraphie und Sequenzstratigraphie. ; Tektonik : Die Tektonik ist einerseits die Lehre vom gegenwärtigen Bau der Erdkruste z.B. „die Tektonik der Alpen”, andererseits von den Bewegungen und Kräften, die für den gegenwärtigen Zustand verantwortlich sind. ; Vulkanologie : Der Gegenstand der Vulkanologie sind die vulkanischen Phänomene der Erde. ; Wirtschaftsgeologie : Die Wirtschaftsgeologie oder Lagerstättengeologie benutzt bei der Suche nach ökonomisch wertvollen Rohstoffen (Exploration), neben klassischen geologischen Techniken, wie Kartierung und Probennahme im Gelände, auch Methoden der Geochemie, Geophysik und Fernerkundung. Zur Klärung der Genese von Lagerstätten sind besonders die Vorstellungen über den Fluss von unterirdischen, mineralisierenden Lösungen (Fluide) wichtig. Die Bergbaugeologie nutzt bei der Aufsuchung und Ausbeutung von Erzlagerstätten v.a. Erkenntnisse der Tektonik und Strukturgeologie. Bei der Suche nach fossilen Brennstoffen, sowie nach nichtmetallischen Rohstoffen, benötigt man auch Kenntnisse der Paläontologie (besonders Mikrofossilien) und Sedimentologie. Siehe auch: Liste geowissenschaftlicher Themen

Bekannte Geowissenschaftler

- Georgius Agricola
- Walter Christaller
- Johann Wolfgang von Goethe
- Stephen Jay Gould
- Arthur Holmes
- Carl Friedrich Gauß
- Alexander von Humboldt
- James Hutton
- Charles Lyell
- Georg von Neumayer
- William Smith
- Nicolaus Steno alias Nils Stensen
- Alfred Wegener
- Abraham Gottlob Werner

Weitere Literatur

- Hans Murawski und Wilhelm Meyer (1998): Geologisches Wörterbuch, Ferdinand Enke Verlag im dtv, ISBN 3-423-03038-0 (dtv), ISBN 3-432-84100-0 (Enke).
- Adolf Watznauer (1978): Wörterbuch Geowissenschaften (englisch-deutsch), Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt am Main, ISBN 3871441392.

Wikiprojekte

- Wikipedia:Wikiprojekt Geowissenschaften => Portal Geowissenschaften
- Wikipedia:Wikiprojekt Geoinformatik
- Wikipedia:WikiProjekt Geographie
- Wikipedia:Wikiprojekt Minerale
- [http://www.mineralienatlas.de/phpwiki/index.php Mineralienatlas:Wikiprojekt Mineralien - Fossilien]

Weblinks

- [http://www.geoberuf.de/ Berufsverband Deutscher Geowissenschaftler e.V.]
- [http://www.bgr.de/ Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR Hannover)]
- [http://univ.cc/geolinks/ Datenbank geowissenschaftlicher Institute Weltweit]
- [https://www.gga-hannover.de/app/fis_gp/startseite/start.htm Fachinformationssystem Geophysik (FIS GP Hannover)]
- [http://www.geosciences-forum.com/ Forum rund um die Geowissenschaften]
- [http://www.bundeswehr.de/forces/030317_geoinf.php#1 Geoinformationsdienst der Bundeswehr (GeoInfoDBw)]
- [http://dict.mygeo.info/ Geowissenschaftliches Online Wörterbuch Deutsch Englisch]
- [http://www.geozentrum-hannover.de/ Geozentrum Hannover]
- [http://www.g-o.de/ Das deutschsprachige Portal zu den Geowissenschaften]
- http://www.wikiwetter.de/
- [http://www.gga-hannover.de/ Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA Hannover)]
- [http://www.sci.muni.cz/~sulovsky/euracad.html Liste europäischer geowissenschaftlicher Universitätsinstitute]
- [http://www.nlfb.de/ Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung (NLfB Hannover)]
- [http://www.planeterde.de/ Planet Erde] ein Portal des Bundesministerium für Bildung und Forschung zum Thema Geowissenschaften ! Kategorie:Naturwissenschaft ja:地球科学 ko:지구과학 ms:Sains bumi simple:Earth science th:วิทยาศาสตร์โลก

Physik

Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die Naturwissenschaft, welche die grundlegenden Gesetze der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen untersucht. Sie befasst sich sowohl mit den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit als auch mit der Struktur von Raum und Zeit selbst. Die Physik beschreibt die Natur quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, sogenannter Theorien, und ermöglicht damit insbesondere Vorhersagen über das Verhalten der betrachteten Systeme. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Im Zusammenhang mit der Physik wurde auch erstmals die Frage nach der Ethik naturwissenschaftlicher Forschung aufgeworfen, ein Thema, das auch in der Literatur, etwa in dem Theaterstück Die Physiker von Friedrich Dürrenmatt, aufgegriffen worden ist.

Das Theoriengebäude der modernen Physik

Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die Newtonsche Physik, über das so genannte Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen größeren Gültigkeitsbereich als diese.

Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues Verständnis der Phänomene Raum und Zeit ein. Danach handelt es sich nicht um universell gültige Ordnungsstrukturen, sondern räumliche und zeitliche Abstände werden von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Raum und Zeit verschmelzen dabei zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Die Gravitation wird auf eine Krümmung dieser Raumzeit zurückgeführt, die durch die Anwesenheit von Masse bzw. Energie hervorgerufen wird. In der Relativitätstheorie wird auch erstmals die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema. Die Formulierung der Relativitätstheorie gilt als der Beginn der modernen Physik, auch wenn sie häufig als Vollendung der klassischen Physik bezeichnet wird.

Die Quantenphysik

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. Viele physikalische Größen erweisen sich in bestimmten Situationen als quantisiert, das heißt sie nehmen stets nur bestimmte diskrete Werte an und ändern sich in Form von Quantensprüngen. Materie erweist sich als Phänomen, das nur in Portionen, den sogenannten Elementarteilchen oder Quanten, in Erscheinung tritt. Ihr Aufenthaltsort lässt sich nicht mehr durch eine Bahn im Raum beschreiben sondern durch Wellen, über die eine Wahrscheinlichkeit dafür angegeben werden kann, das Teilchen bei einer Messung in einem bestimmten Raumgebiet zu finden. Man spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus. Der Aufenthaltsort eines Teilchens zwischen zwei solcher Messungen ist nicht nur unbekannt, sondern sogar nicht definiert. Die meisten Physiker folgern daraus, dass letztlich die Vorstellung von der Existenz einer vom Beobachter unabhängigen Realität aufgegeben werden muss. Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Teilchen spielen Symmetrieeigenschaften eine zentrale Rolle. Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung, und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens (Deutungen der Quantenphysik). Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten Wissen der Menschheit überhaupt.

Die vier Grundkräfte

Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte:
- Die Gravitation oder Schwerkraft,
- die elektromagnetische Wechselwirkung,
- die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
- die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Bisher ist es jedoch lediglich gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Zur Vereinigung der elektroschwachen- und starken Wechselwirkung wurde die Theorie der Supersymmetrie erdacht, deren Gültigkeit allerdings umstritten ist. Die größten Schwierigkeiten treten im Bereich der Gravitationskraft auf, da über sie - auch wenn schon lange bekannt - doch nur wenig gesichertes Wissen vorliegt. Maßgebliches Problem hierbei ist ihr kaum messbarer Einfluss auf alle Systeme, im Labormaßstab. Zu diesen fundamentalen Wechselwirkungen kommt noch ein fundamentales Prinzip der Quantenphysik, das Pauli-Prinzip. Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar eine weitere Wechselwirkung ab, die Austauschwechselwirkung.

Derzeitige Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Das Ziel der heutigen Physik ist es, sämtliche Vorgänge der Natur durch eine möglichst geringe Anzahl von möglichst einfachen Naturgesetzen zu beschreiben und auf die Wechselwirkung weniger Elementarteilchen zurückzuführen. Inwieweit dieses Ziel prinzipiell oder praktisch erreichbar ist, ist völlig offen. Immerhin ist der Gültigkeitsbereich der bekannten physikalischen Gesetze äußerst weitreichend. Ungeklärte Phänomene der Physik lassen sich zwei grundsätzlich verschiedenen Gruppen zuordnen:
- Phänomene, deren zugrundeliegende Gesetze noch unbekannt sind. Dazu zählen insbesondere Phänomene der Teilchenphysik und solche, zu deren Beschreibung die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zugleich erforderlich sind, wie beispielsweise der Urknall. Der Grund hierfür ist, dass es bisher nicht gelungen ist, eine in sich geschlossene Quantenfeldtheorie zu formulieren, welche die Quantenphysik und die Relativitätstheorie vollständig vereinigt.
- Phänomene, die zwar bekannten Gesetzen gehorchen, deren Beschreibung jedoch an der mathematischen Komplexität scheitert. Für solche Situationen versucht man berechenbare Näherungsmodelle zu entwickeln, deren Qualität und Gültigkeitsbereich sich oft nur experimentell ermitteln lassen. Eins der bedeutendsten ungelösten Probleme in diesem Zusammenhang ist das des menschlichen Bewusstseins. Insbesondere die Frage, zu welcher der beiden Problemgruppen es zu zählen ist, wird kontrovers diskutiert. Die Physik ist prinzipiell nicht in der Lage, Aussagen über das Wesen der Dinge an sich zu treffen. Sie beschränkt sich darauf, die Gesetzmäßigkeiten zu ergründen, denen die Dinge unterworfen sind. Warum die Natur überhaupt gewissen Gesetzen gehorcht, ist letztlich unbekannt. Eine partielle Antwort gibt lediglich das anthropische Prinzip, indem es feststellt, dass es in einem Kosmos ohne Naturgesetze niemanden geben würde, der sich über deren Abwesenheit wundern könnte.

Themenbereiche der Physik

Im Folgenden werden die verschiedene Themenbereiche der Physik mit Kurzkommentar dargestellt und zwar nach übergeordnetem, theoretischen Rahmen eingeordnet und gleichzeitig weitgehend chronologisch sortiert. Viele der aufgeführten Themen lassen sich nicht eindeutig einer Theorie zuordnen. So sind beispielsweise viele Phänomene der Thermodynamik nur auf Basis der Quanten- und Relativitätstheorie erklärbar. In diesen Fällen ist das Thema unter der ältesten Theorie eingeordnet und bestehende maßgebliche Bezüge zu jüngeren Theorien sind mit (RT) für die Relativitäts- und (QT) für die Quantentheorie angedeutet. Die Liste enthält sowohl phänomenorientierte Sachgebiete als auch Querschnittstheorien (QST) mit gebietsübergreifendem Anwendungsbereich. Siehe auch das Physik-Portal mit unkommentierten, aber nach verschieden Kriterien sortierten Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen.

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

... ist der Bereich der Physik, der bis zur Entdeckung der Relativitätstheorie bekannt war.
- Die klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie überhaupt. Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften, einschließlich solcher Kräfte, die zwischen den Körpern wirken (Wechselwirkungskräfte).
- Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.
- Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und dessen Beeinflussung durch Materie.
- Die Wellenlehre als theoretische Disziplin bildet die mathematische Grundlage für Beschreibungen von Schwingungsvorgängen in Akustik, Optik und Atomphysik (QST/QT).
- Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene. Obwohl bereits früher bekannt, erhielt sie erst durch die Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie ihr theoretisches Fundament (RT).
- Die Thermodynamik, auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen. Ihr Anwendungsbereich reicht jedoch weit darüberhinaus (QST/RT/QT).
- Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
- Die Strömungslehre behandelt die Dynamik von Fluiden, das heißt nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydrodynamik (Dynamik der Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
- Die nichtlineare Dynamik und die Physik der komplexen Systeme befassen sich unter anderem mit Chaostheorie, Strukturbildung und Selbstorganisation (QST).

Die Relativitätstheorie

... befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Die Einheit von newtonscher Physik, Elektrodynamik und Relativitätstheorie wird als Klassische Physik bezeichnet.
- Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum, Zeit und Massen aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen. Dabei werden primär konstante Geschwindigkeiten betrachtet (QST).
- Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und führt das Phänomen der Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück.

Die Quantenphysik

... ist zur Beschreibung von Phänomenen im Mikrokosmos erforderlich, wo die Gesetze der klassischen Mechanik an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten. Im folgenden sind insbesondere Themen der nichtrelativistischen Quantenmechanik aufgeführt, bei denen sich die Zahl der beteiligten Teilchen nicht ändert.
- Aufgabe der Atomphysik ist es, den Aufbau und die Eigenschaften der Atome und ihre Spektren zu erklären. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann (RT).
- Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und stellt die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
- Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen (RT).
- Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik. Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Laser-Typen (RT).
- Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen (RT).
- Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie, die bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
- Die Physik kondensierter Materie beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik der Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der freier Teilchen.
- Die Festkörperphysik und Halbleiterphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, insbesondere (aber nicht ausschließlich) von fester Materie mit periodischem Aufbau.
- Die Physik der Flüssigkeiten ist ein Teilgebiet der Fluidmechanik und befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch sind (im Unterschied zum idealen Gas) bei Flüssigkeiten im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
- Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie, die sowohl Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen als auch die einer ungeordneten Flüssigkeit: Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die Beweglichkeit einer Flüssigkeit auf (genauer Translation), besitzen jedoch eine wohldefinierte gegenseitige Orientierung.
- Die Physik der weichen Materie beschreibt die Eigenschaften von Polymeren, Kolloiden und Membranen.
- Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen Phänomene an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall der Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik.

Die relativistische Quantenphysik

... befasst sich mit Phänomenen, zu deren Beschreibung die Quantenphysik und die Relativitätstheorie zugleich erforderlich sind.
- Die Elementarteilchenphysik, auch Teilchenphysik oder Hochenergiephysik, ist die Lehre von den elementarsten Grundbausteinen der Materie und ihrem Verhalten.
- Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern und ist für die Teilchenphysik relevant. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte bis auf die Gravitation einheitlich beschreibt:
- die Dirac-Theorie ist eine relativistische Beschreibung von Fermionen und begründet die Basis für die Konzepte Spin und Antimaterie
- die Quantenelektrodynamik stellt die Verbindung zwischen Photonen und elektromagnetischen Feldern her und beschreibt die Wechselwirkung mit Ladungen als Austausch von virtuellen Photonen
- die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks als Austausch von Gluonen
- Quantengravitation ist ein Überbegriff für Ansätze, die vier Grundkräfte der Physik mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen (QST):
- die Stringtheorie beschreibt Elementarteilchen als Strings und geht von verborgenen Dimensionen der Raumzeit aus
- die Loop-Quantengravitation beschreibt die Raum-Zeit als Spin-Netzwerk bzw. Spin-Schaum
- die Quantengeometrie
- die Supersymmetrie

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche

- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- Bei der physikalischen Chemie handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Physikalische Chemiker wenden die Methodik der Physik auf die Anschauungsobjekte der Chemie an.
- Die Technische Physik ist jenes Teilgebiet der Physik, das sich mit den technischen Anwendungen physikalischen Wissens befasst.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
- Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
- In der Theorie der Quantencomputer tritt die Physik in interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Informatik. Hier werden unter anderem Algorithmen mit geringerer Komplexität als bei klassischen Computern möglich.
- Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern. Diese werden benötigt, um die Energiedichten der Elementarteilchenphysik zu erreichen, aber auch als Strahlenquelle für Untersuchungen in einem weiteren naturwissenschaftlichen Bereich.
- Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit der technischen Beherrschung von Kernreaktionen in Kernreaktoren.
- Die Umweltphysik beschäftigt sich in ihrer Forschung vor allem mit den Bereichen Energie und Klima.
- Soziophysik und Wirtschaftsphysik wenden physikalische und statistische Methoden auf gesellschaftliche, wirtschaftliche, kulturelle und politische Phänomene an.

Methodik der Physik

Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und theoretische Physik voneinander unterscheiden.

Experimentalphysik

Während manche Naturwissenschaften wie etwa die Astronomie und die Meteorologie sich methodisch weitgehend auf die Beobachtungen ihres Untersuchungsgegenstandes beschränken müssen, steht in der Physik das Experiment im Vordergrund. Dabei versucht die Experimentalphysik, durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht einerseits physikalisches Neuland zu betreten, andererseits überprüft sie von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Grundlage eines physikalischen Experimentes ist es, die Eigenschaften eines zuvor präparierten physikalischen Systems, zum Beispiel eines Teilchenbeschleunigers, einer Vakuumkammer mit Detektoren oder eines geworfenen Steins durch Messung in Zahlenform auszudrücken, etwa als Länge einer Teilchenspur, Impulshöhe eines elektrischen Spannungspulses oder als Aufprallgeschwindigkeit. Konkreterweise werden entweder nur die zeitunabhängigen (statischen) Eigenschaften eines Objektes gemessen oder man untersucht die zeitliche Entwicklung (Dynamik) des Systems, etwa in dem man Anfangswerte und Endwerte einer Messgröße vor und nach dem Ablauf eines Vorgangs bestimmt oder alternativ kontinuierliche Zwischenwerte feststellt.

Theoretische Physik

Die Aufgabe der Theoretischen Physik wiederum besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Hypothesen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Bei der Entwicklung eines Modells wird grundsätzlich die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert. Zur theoretischen Beschreibung eines physikalischen Systems benutzt man die Sprache der Mathematik. Seine Bestandteile werden dazu durch mathematische Objekte wie zum Beispiel Skalare oder Vektoren repräsentiert, die in durch Gleichungen festgelegten Beziehungen zueinander stehen. Der Zweck des Modelles ist es, aus bekannten Größen unbekannte zu errechnen und damit zum Beispiel das Ergebnis einer experimentellen Messung vorherzusagen. Phänomene der Welt, die sich nicht mathematisch beschreiben lassen, wie beispielsweise das menschliche Bewusstsein, werden gemeinhin nicht als Gegenstand der Physik angesehen. Das fundamentale Maß für die Qualität einer Theorie ist, wie in vielen Naturwissenschaften auch, die Übereinstimmung mit reproduzierbaren Experimenten. Durch den Vergleich mit dem Experiment lässt sich der Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit einer Theorie ermitteln, allerdings lässt sie sich niemals „beweisen“. Um eine Theorie zu widerlegen, bzw. um die Grenzen ihres Gültigkeitsbereiches zu demonstrieren, genügt im Prinzip ein einziges Experiment, sofern es reproduzierbar ist. Experimentalphysik und theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, dass Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.

Mathematische Physik und Angewandte Physik

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen, die mathematische Physik und die angewandte Physik. Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der theoretischen Physik betrachtet, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sind, sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. Sie abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert sich stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells, insbesondere seine tiefer liegenden Symmetrien und Invarianzen. Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen und Varianten bereits bekannter Theorien, die dann wiederum als Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung empirischer Vorgänge Einsatz finden können. Die angewandte Physik steht dagegen in (unscharfer) Abgrenzung zur Experimentalphysik, teilweise auch zur theoretischen Physik. Ihr wesentliches Kennzeichen ist, dass sie ein gegebenes physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen erforscht, sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen Erkenntnisse zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen Problems einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf dem Gebiet der Technik oder Elektronik, in Medizin, Chemie oder Astronomie, aber auch in den Wirtschaftswissenschaften, wo z. B. im Risikomanagement Methoden der theoretischen Festkörperphysik zum Einsatz kommen.

Simulation/Computerphysik

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Rechensysteme hat sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts und beschleunigt seit etwa 1990 die Computersimulation als neue Methodik innerhalb der Physik entwickelt. Computerphysiker sind keine reinen Theoretiker, da sie durch ihre Simulationen Theorien zu testen versuchen, aber auch keine reinen Experimentatoren, da ihre Experimente ausschließlich in der Welt des Rechners stattfinden. Die Bandbreite möglicher Simulationen deckt die komplette Spanne von der mathematischen Physik über Simulationen kosmologischer Modelle bis hin zur angewandten Physik ab. Naturgemäß hat dieser Bereich der Physik zahlreiche Anknüpfungspunkte an die Informatik.

Verhältnis zu anderen Wissenschaften

Abgrenzung zu anderen Wissenschaften

Zur Abgrenzung gegenüber der Biologie wird die Physik oftmals als die Wissenschaft von der unbelebten Natur bezeichnet. Eine Abgrenzung gegenüber der Chemie ist nicht so eindeutig; der Übergang von der Physik der Elektronenhülle, also der Atom- und Molekülphysik, zur Quantenchemie ist fließend. Die Mathematik beschreibt im Gegensatz zur Physik keine realen Objekte, sondern abstrakte Begriffe und deren Eigenschaften.

Wechselwirkung mit anderen Wissenschaften

Die Physik gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen wie beispielsweise die Astronomie, die Chemie, die Geologie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung auch in Disziplinen jenseits der Naturwissenschaften, besonders im technischen Bereich, wie in den Ingenieurwissenschaften, aber auch in den quantitativen Wirtschaftswissenschaften. Umgekehrt haben auch oft Erkenntnisse aus anderen Fachgebieten wie der Mathematik oder der Astronomie die physikalische Forschung bereichert und stimuliert. Auch in der Philosophie finden die Erkenntnisse der Physik Beachtung: So versucht der philosophische Zweig der Metaphysik Erklärungen für das Wesen der Natur zu finden, während sich die Physik auf ihre Beschreibung beschränkt.

Physik als Studium

Das Physikstudium gliedert sich im deutschsprachigen Sprachraum in ein zweijähriges Grundstudium, an dass sich nach einer Vordiplom genannten Zwischenprüfung das Hauptstudium anschließt. Den Kern der Ausbildung bilden Experimentalphysik nebst Physikalischen Praktika und Theoretische Physik, dazu kommen Vorlesungen in Mathematik und Nebenfächern wie Chemie, Astronomie oder Informatik. In der Experimentalphysik folgt auf einen Grundkurs bestehend aus den Gebieten Mechanik, Schwingungs- und Wellenlehre, Akustik, Strömungslehre, Spezieller Relativitätstheorie, Elektrizitätslehre, Magnetismus, elektromagnetische Wellen, Optik und Wärmelehre eine Vorlesung über semiklassische Quantentheorie, Molekül- und Atomphysik. Danach schließen sich spezialisierte Vorlesungen über die modernen Forschungsgebiete der experimentellen Physik wie Plasmaphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Festkörper- und Halbleiterphysik an. Die Theoretische Physik wird im Rahmen des Studiums meist in einen Zyklus aus vier Gebieten eingeteilt: # Mechanik (Newton'sche Mechanik, Analytische Mechanik, Spezielle Relativitätstheorie, Hamilton'sche Mechanik) # Elektrodynamik (Elektro- und Magnetostatik, Maxwell'sche Elektrodynamik, Elektromagnetische Wellen, Spezielle Relativitätstheorie) # Quantenmechanik (Schrödinger'sche Wellenmechanik, Heisenbergsche Matrizenmechanik, Dirac-Notation, Grundzüge der Theoretischen Atomphysik, Einführung in die Relativistische Quantenmechanik) # Thermodynamik und Statistische Physik (Wärmelehre, Statistische Physik, Quantenstatistik, Vielteilchentheorie) Die Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, Theoretische Festkörperphysik und weitere Gebiete sind an den meisten Universitäten als Spezialvorlesungen vertreten, gehören aber nicht zum Grundkanon.

Geschichte

Die neuzeitliche Geschichte der Physik wurzelt in antiken Vorarbeiten vor allem griechischer Gelehrter (insbesondere von Aristoteles) und beginnt etwa ab dem Jahr 1500. Seit dieser Zeit kann man von der Physik als eigenständiger Wissenschaft sprechen, obwohl es schon vorher physikalische Entdeckungen und Lehren gab, zum Beispiel über das Feuer, das Rad, das von Archimedes formulierte Hebelgesetz und seine Anwendung in einfachen Maschinen, erste Erkenntnisse in der Optik, der Flüssigkeitslehre und Vorstellungen vom Aufbau der Körper (Demokritsches Teilchenmodell).
- 1543 Veröffentlichung des heliozentrischen Weltbildes in „De Revolutionibus Orbium Coelestium“ („Von den Umdrehungen der Himmelskörper“) durch Nikolaus Kopernikus
- 1589 Fallgesetze (Galileo Galilei)
- 1609 Planetengesetze (Johannes Kepler)
- 1638 und 1650 Luftdruck und Vakuum entdeckt und angewendet (Evangelista Torricelli, Otto von Guericke)
- 1687 Grundgesetz der Mechanik (newtonsche Gesetze durch Isaac Newton)
- 1786 Elektrisches Grundgesetz (coulombsches Gesetz: zur Bestimmung der Kraft zwischen Ladungen)
- 1865 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwellgleichungen durch James Clerk Maxwell)
- 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) durch Wilhelm Conrad Röntgen
- 1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität einiger chemischer Elemente durch Marie und Pierre Curie
- 1900 Begründung der Quantenphysik durch Max Planck
- 1905 Formulierung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1916 Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1938 Atomkernspaltung künstlich herbeigeführt durch Otto Hahn
- 1947 Entwicklung des Transistors durch William B. Shockley
- 1960 Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman
- 1970 Erste kontrollierte Kernfusion im Fusionsreaktor Tokamak 3
- 1995 Erfolgreiche Bose-Einstein-Kondensation von Atomen Siehe auch: Portal:Physik, Physiker, Computerphysik, Einheitensystem, Naturkonstante, Physik für die Schule, Physikalisches System, Auf den Schultern von Giganten, Liste der Kurzschreibweisen (Physik), Liste physikalischer Sätze

Literatur

- Tipler, Paul A.; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag 2. Auflage 2004 ISBN 3-827-41164-5
- Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik. Oldenbourg 1999 ISBN 3-486-25857-5
- Gerthsen; Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag 22. Auflage 2004 ISBN 3-540-02622-3
- Demtröder: Experimentalphysik 3. Auflage Springer 2004 ISBN 3-540-26034-X
- Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt:Lehrbuch der Experimentalphysik.de Gruyter 10. Auflage 1998 ISBN 3-110-12870-5

Weblinks

- Physik allgemein
- [http://www.dpg-physik.de/ Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.]
- [http://www.ptb.de/ Physikalisch-Technische Bundesanstalt]
- Physik-Portale
- [http://www.weltderphysik.de/ Welt der Physik]
- [http://www.pro-physik.de/Phy/External/PhyH/ Findemaschine pro-physik.de]
- [http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker]
- [http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik]
- [http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/cover.html Physik einfach erklärt] ! als:Physik ja:物理学 ko:물리학 ms:Fizik simple:Physics th:ฟิสิกส์ zh-min-nan:Bu̍t-lí-ha̍k

Erdinneres

Die Erde ist annähernd eine Kugel. Durch die Fliehkräfte ihrer Rotation ist sie an den Polen geringfügig abgeplattet, so dass der Äquator-Durchmesser 12.756,2 km beträgt und der Pol-Durchmesser nur 12.713,6 km. Der Unterschied der beiden Durchmesser beträgt also 42,6 km. Dies führt zur Erdfigur des Erdellipsoids. Der Meeresspiegel (das Geoid) weicht davon nochmals um ± 100 m ab. Diese Höhenunterschiede werden durch Masseanomalien im Erdmantel (nicht der Kruste)hervorgerufen, welche sich auf die Gravitation auswirken, etwa ein höherer Eisen- oder Mangangehalt. Die Unterschiede im Umfang bewirken, dass es keinen eindeutig höchsten Berg auf der Erde gibt. Je nach Definition könnte dies der Mt. Everest, der Chimborazo oder der Mauna Loa sein. Die Oberfläche der Erde unterteilt sich in Landflächen mit einem Anteil von 29,3 % an der Gesamtoberfläche des Planeten und Wasserflächen mit einem Anteil von 70,7 %. Die Landflächen werden zum überwiegenden Teil von den Kontinenten gebildet.

Entstehung des Schalenaufbaus

Ebenso wie alle anderen Planeten des Sonnensystems entstand die Erde vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus einer rotierenden Staub- und Gaswolke, die durch ihre Schwerkraft langsam dichter wurde und Planetesimale bildete. Massereichere Teilchen zogen wegen ihrer größeren Gravitation die kleineren an und wuchsen auf diese Weise allmählich zu Proto-Planeten heran bis letztlich die Planeten übrig blieben, die einen Großteil der freien Materie abgezogen hatten. Aus einem anfangs kalten und im Inneren homogenen Himmelskörper hat sich die Proto-Erde innerhalb von etwa 100 Millionen Jahre durch die Einschläge der Planetesimale und der freiwerdenden gravitativen Energie zunehmend erwärmt. Durch den Massenzuwachs verdichtete sich der Erdkern, radioaktive Zerfallsprozesse beschleunigten die Erhitzung des Planeten. Nachdem sich die Erde auf ungefähr 2000°C erwärmt hatte - eine Temperatur, bei der Eisen und die meisten Silikate geschmolzen sind - bildete sich tröpfchenförmige Eisenschmelzen, in der sich die - gemäß Goldschmidt-Klassifikation - siderophilen Elemente anreicherten, und Silikatschmelzen in der sich die lithophilen Elemente anreicherten. Die schwereren Tröpfchen der Metallschmelze wanderten Richtung Zentrum und sammelten sich dort zum Eisenkern, während die leichtere Silikatschmelze vom Zentrum nach außen verdrängt wurde und sich zum Erdmantel und zur Erdkruste entwickelte. Durch lange währende Differentiation gelangte somit kontinuierlich leichtere Materie in die äußeren Zonen der Erde. So entstand über dem schweren Eisenkern ein Mantel aus Gesteinen mittlerer Dichte, bestehend aus Magnesium-Eisen-Silikaten und darüber eine Außenkruste aus leichtem Material wie Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Calcium, Natrium und anderen. Das leichte Wasser, dessen Herkunft bis heute umstritten ist, fand sich zu den Urozeanen zusammen. Die noch leichteren Gase erzeugten schließlich die Atmosphäre der Erde. Dass die Differentiation auch heute noch nicht abgeschlossen ist, erkennt man zum Beispiel am Gasausstoß bei Vulkanausbrüchen, wobei riesige Mengen an Gasen aus dem Erdinneren entweichen.

Eigenschaften der Schalen

Die Erde besteht in ihrem Inneren aus drei durch seismische Diskontinuitätsflächen (Unstetigkeitsflächen) begrenzte Hauptschalen: Der Erdkruste, dem Erdmantel und dem Erdkern.

Erdkern

- Innerer Erdkern: Der innere Kern der Erde erstreckt sich zwischen 5100 km und 6370 km unter der Erdoberfläche. Er besteht aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung. Der Druck beträgt hier bis zu vier Millionen Bar und die Temperatur liegt zwischen 4000 °C und 5000 °C, ähnlich der Temperatur der dunklen Flecken an der Sonnenoberfläche.
- Äußerer Erdkern: Der äußere Kern liegt in einer Tiefe zwischen rund 2900 km und 5100 km. Er ist flüssig bei einer Temperatur von ca. 2900 °C und besteht aus einer Nickel-Eisen-Schmelze, die möglicherweise auch geringe Spuren von Schwefel oder Sauerstoff enthält. Im Zusammenwirken mit der Erdrotation ist die bewegliche Eisenschmelze aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit verantwortlich für das Erdmagnetfeld.
- Obere Begrenzung des Erdkerns: Kern-Mantel-Grenze (Wiechert-Gutenberg-Diskontinuität, D"-Schicht)

Erdmantel

- Unterer Mantel: Der Übergang zwischen äußerem Kern und unterem Mantel ist durch eine sprunghafte Dichteabnahme von 10 auf 5 g/cm³ gekennzeichnet. Ursache dafür ist ein Mineralwechsel, denn der untere Mantel besteht aus schweren Silikaten (Hauptsächlich Magnesium-Perowskit) und einem Gemenge von Metalloxiden wie zum Beispiel Magnesiumoxid und Eisenoxid (zusammen als Magnesiowüstit bezeichnet). Im unteren Mantel, zwischen 660 km und 2900 km Tiefe, herrscht eine Temperatur von etwa 2000 °C. Die thermische Grenzschicht (D"-Schicht) zwischen äußerem Kern und unterem Mantel wird als möglicher Ursprungsort von Plumes angesehen.
- Übergangszone: Der Bereich zwischen 410 km und 660 km Tiefe gilt als Übergang vom oberen zum unteren Mantel, wird gelegentlich jedoch auch schon zum oberen Mantel gerechnet. Die Grenzen orientieren sich an den Tiefen der Mineral-Phasenübergängen des Olivin, dem Hauptbestandteil des oberen Mantels. Da diese Phasenübergänge mit einer Änderung der Dichte und der seismischen Geschwindigkeit einhergeht, zeigen sie sich als Diskontinuitäten und können mit seismologischen Verfahren beobachtet werden.
- Oberer Mantel: Der obere Mantel beginnt in 410 km Tiefe und erstreckt sich bis zur Erdkruste. Er besteht aus Peridotit, der sich aus Olivin und Pyroxen zusammensetzt, sowie einer Granat-Komponente. Der obere Mantel umfasst auch die Asthenosphäre
- Asthenosphäre: Zwischen ca. 100 km und 210 km Tiefe innerhalb des oberen Erdmantel erstreckt sich die Asthenosphäre. Bedingt durch partiell aufgeschmolzenes Gesteinsmaterial zeichnet sich die Asthenosphäre durch reduzierte seismische Geschwindigkeiten und erhöhte Fließfähigkeit ('Fließschicht') aus. Diese Fließfähigkeit ermöglicht die Bewegung der darüber liegenden starren Lithosphärenplatten.
- Obere Begrenzung des Erdmantels: Mohorovičić-Diskontinuität

Erdkruste

Die Erdkruste, auch Lithosphäre genannt (zur Lithosphäre zählt auch noch der äußere starre Teil des oberen Erdmantels), besteht aus zwei sehr unterschiedlichen Strukturen:
- Ozeanische Erdkruste: Die ozeanische Kruste bildet mit ihrer 5-10 km Mächtigkeit eine vergleichsweise dünne Schicht um den Erdmantel. Sie besteht aus riesigen Platten, die ständig in langsamer Bewegung sind und dabei auf der 'Fließschicht' (Asthenosphäre) des oberen Mantels schwimmen. An den Spreizungszonen der Krustenplatten, den mittelozeanischen Rücken, dringen ständig basaltische Magmen empor, die fließbandartig neue ozeanische Kruste produzieren, bestehend aus Basalt und Gabbro. Deshalb wird die ozeanische Kruste mit wachsender Entfernung von den Rücken immer älter. Da sie an Subduktionszonen wieder in den Mantel abtaucht, um erneut aufgeschmolzen zu werden, ist sie nirgendwo älter als 200 Millionen Jahre.
- Kontinentale Erdkruste: Sie besteht aus einzelnen Schollen, die wir auch als Kontinente bezeichnen. Auch die kontinentale Kruste 'schwimmt' auf der Asthenosphäre, dort wo sie als Gebirgsmassiv am höchsten aufragt taucht sie durch ihr Eigengewicht auch am tiefsten ein (Isostasie). Im Detailaufbau zeigt die kontinentale Erdkruste eine Zweiteilung in eine spröde Oberkruste und eine duktile Unterkruste, welche durch Mineralumbildungen (Modifikationswechsel) bedingt und durch die Conrad-Diskontinuität getrennt werden.
- Obere Begrenzung der Erdkruste: Erdoberfläche (darüber Erdatmosphäre) Erdatmosphäre Die Dicke der kontinentalen Kruste iegt zwischen 30 - 60 km Kilometern. Sie setzt sich aus kristallinen Gesteinen zusammen, deren Hauptbestandteile Quarz und Feldspäte bilden. Chemisch ist die kontinentale Kruste zu 47,2 Gewichtsprozent (62,9 Atomprozent bzw. 94,8 Volumenprozent) aus Sauerstoff aufgebaut, bildet also eine dichte 'steinharte' Packung aus Sauerstoff. Im Bereich der Erdkruste und an der Erdoberfläche sind die Gesteine einem ständigen Umwandlungsprozess unterworfen, den man auch als Kreislauf der Gesteine bezeichnet. Selten finden sich Gesteine, die seit der ersten Krustenbildungen in der Erdgeschichte unverändert geblieben sind. Die ältesten je gefundenen Gesteine haben ein Alter von 3,96 Milliarden Jahren.

Erforschung des Schalenbaus der Erde

Unsere Kenntnisse über den Aufbau der Erde stammen aus verschiedenen geophysikalischen Quellen.

Gravimetrie und Isostasie

Erste Hinweise auf das innere Material der Erde ergaben sich aus ihrer mittleren Dichte von 5,5 g/cm³, die man mittels Gravitationsgesetz durch Bestimmung der Erdmasse berechnen konnte. Da oberflächennahe Gesteine im Durchschnitt 2,7 g/cm³ aufweisen, muss das Erdinnere zumindest 2-3mal dichter sein (Eisen hat etwa 8 g/cm³). Messungen der Lotrichtung zeigten schon im frühen 19. Jahrhundert, dass das Erdinnere unter hohen Gebirgen eine geringere Dichte hat. Durch genaue Schwerkraft-Messungen (Gravimetrie) erkannte man bald, dass dort die feste Erdkruste dicker als anderswo ist, und dass der darunter befindliche Erdmantel aus schwereren Gesteinen besteht. Große Gebirgsmassive tauchen wie Eisberge umso tiefer ins Erdinnere, je höher sie sind. Dieses „Schwimm-Gleichgewicht“ nennt man Isostasie. Durch Satellitengeodäsie lassen sich auf ähnliche Art auch tiefere Anomalien des Erdmantels orten.

Bohrungen

Die tiefste Bohrung, die je durchgeführt wurde, fand in Russland auf der Halbinsel Kola statt und führte bis in eine Tiefe von 12 km. Hier konnte die oberste Schicht der kontinentalen Kruste erforscht werden, die an dieser Stelle eine Mächtigkeit von etwa 30 km besitzt. Eine weitere Bohrung, die so genannte Kontinentale Tiefenbohrung (KTB), die 9,1 km erreicht hat, wurde in der deutschen Oberpfalz vorgenommen. Bei einer geplanten Tiefe von 14 km wäre es möglich gewesen, die kontinentale Kruste an der Nahtstelle zu erforschen, an der vor 300 Millionen Jahren die auf dem Erdmantel driftenden Kontinente Ur-Afrika und Ur-Europa kollidierten. Tiefbohrungen bewegen sich im oberen Krustenbereich und können daher nur einen kleinen Einblick ins Erdinnere gewähren. Würde man die Erde auf Apfelgröße verkleinern, so würden unsere tiefsten Bohrungen noch nicht einmal dem Anritzen der Schale entsprechen. Durch Bohrungen in größere Tiefen vorzustoßen übersteigt derzeit die technischen Möglichkeiten, die hohen Drücke (in 14 km Tiefe zirka 4 kbar) und Temperaturen (in 14 km Tiefe zirka 300°C) erfordern neue Lösungen.

Vulkanische Tätigkeit

Die größte Tiefe, aus der Magma an die Erdoberfläche dringt und dabei die verschiedenen Formen des Vulkanismus hervorbringt, findet sich an der Grenzschicht zwischen dem äußeren Kern und dem unteren Mantel, wie das zum Beispiel bei Plumes zu beobachten ist. Das bei einer Eruption zu Tage geförderte Material stammt also teilweise aus dem Mantel und kann entsprechend analysiert werden. Weiteren Aufschluss über die Manteleigenschaften kann man über die Erforschung der mittelozeanischen Rücken gewinnen. Der hier direkt unter der Plattengrenze liegende Mantel steigt auf, um den Raum in den entstehenden Lücken zu füllen. Normalerweise schmilzt das Mantelgestein dabei durch die Druckentlastung und bildet nach Erkalten die neue Ozeankruste auf dem Meeresboden. Diese rund 8 km mächtige Kruste versiegelt den Zugang zum ursprünglichen Mantelgestein. Eine interessante Ausnahme bildet möglicherweise der mittelozeanische Rücken zwischen Grönland und Russland, der Gakkel-Rücken, der der langsamste spreizende Rücken der Erde ist (weniger als 1 cm pro Jahr). Der Erdmantel steigt hier nur sehr langsam auf. Daher bildet sich keine Schmelze und in Folge dessen auch keine Kruste. Das Mantelgestein könnte also direkt am Meeresboden zu finden sein.

Seismik

Die Erde wird täglich von Erdbeben erschüttert, die weltweit von Messstationen registriert werden. Wäre die Erde ein homogener Körper, könnte man genau ausrechnen, wann die sich gleichmäßig in alle Richtungen durch den Erdkörper ausbreitenden Erdbebenwellen bestimmte Orte erreichen. Die tatsächlichen Beobachtungen widerlegen diese Annahme. Die seismischen Signale treten verzögert oder vorzeitig auf. Das lässt nur eine Schlussfolgerung zu: Die seismischen Wellen durchqueren Materie unterschiedlicher Dichte, denn je flüssiger Materie ist, desto langsamer wird sie von Erdbebenwellen durchquert. Im Jahre 1912 hatte Beno Gutenberg erstmals die Grenze zwischen dem silikatischen Mantelmaterial und dem Nickel-Eisen-Kern in einer Tiefe von 2900 km ausgemacht. Kurz zuvor entdeckte der kroatische Geophysiker Andrija Mohorovicic die nach ihm benannte Unstetigkeitsfläche zwischen Erdkruste und Erdmantel. Beides war möglich, weil markante Sprünge in der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen - so genannte 'seismische Diskontinuitäten' - gemessen werden konnten. Neben den seismischen Diskontinuitäten lassen sich auch 'chemische Diskontinuitäten' beobachten. Sie beruhen auf einer plötzlichen Änderung der chemischen Zusammensetzung im Erdinneren. Im Allgemeinen stimmen beide Diskontinuitäten an den Grenzen Kern-Mantel und Mantel-Kruste überein. Es gibt jedoch Ausnahmen: In der 'Übergangszone' gibt es Dichtesprünge ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung. Man geht davon aus, dass sie durch Phasenumwandlung entstanden sind, wobei sich ein Mineral in einer bestimmten Tiefe in ein neues, dichteres Mineral derselben Zusammensetzung umbildet.

Meteoriten, Alter der Erde

Unsere Vorstellungen über den Stoffbestand des Erdinneren beruhen neben den oben genannten Methoden auf Analogieschlüssen anhand der Zusammensetzung von Meteoriten. Meistens wird angenommen, dass die chemische Gesamtzusammensetzung der Erde ähnlich derjenigen von chondritischen Meteoriten ist, da diese vermutlich wiederum den Planetesimalen, aus denen die Erde gebildet wurde, ähneln. Die weitaus überwiegende Zahl der Meteorite stammen von Asteroiden aus dem Asteroidengürtel. Hin und wieder bewirken Bahnstörungen, dass kleine Körper als Meteoriten auf die Erdoberfläche stürzen. Rund ein Zehntel besteht fast gänzlich aus Eisen, der Rest aus verschiedenen Gesteinen. Grob vereinfacht kann man sagen, dass reine 'Eisen-Meteorite' und 'Stein-Eisen-Meteorite' aus dem Kern bzw. dem Übergangsbereichh Kern-Mantel von differenzierten Asteroiden stammen, 'Stein-Meteorite' von undifferenzierten Asteroiden oder aus dem Mantel oder Kruste von differenzierten Asteroiden. Meteoriten spielen eine große Rolle in der Datierung des Sonnensystem und auch der Erde. So wurde auf das Alter der Erde von 4,55 Milliarden Jahren zuerst in den 1950ern von Clair Cameron Patterson und Fritz G. Houtermans mittels Uran-Blei-Datierung an dem Eisenmeteoriten Canyon Diablo geschlossen. Datierungsmethoden basierend auf anderen Isotopensystem (zum Beispiel ⁸⁷Rb-⁸⁷Sr, ¹⁴⁷Sm-¹⁴³Nd) haben seither dieses Alter bestätigt. Das älteste auf der Erde gefundene Material sind Zirkon-Kristalle in Westaustralien mit einem Alter bis zu 4,4 Milliarden Jahre, was somit eine untere Grenze des Erdalters bildet. Kategorie:Geophysik

Ozeanografie

Die Ozeanografie (auch Ozeanographie), Meereskunde, ist eine Wissenschaft, die sich mit den physikalischen, chemischen, geologischen und biologischen Vorgängen in den Weltmeeren beschäftigt. Im deutschen Sprachraum wird teilweise zwischen der Ozeanografie, die chemische, biologische und physikalische Vorgänge der Meere und Ozeane erforscht, und der Meeresbiologie unterschieden, die sich den biologischen Zusammenhängen widmet. Auch die geophysikalischen Erscheinungen auf und unter dem Meeresgrund werden der Ozeanografie zugeordnet.

Bereiche

Die klassischen Gebiete der Ozeanografie werden oft in die folgenden Hauptbereiche gegliedert:
- biologische Ozeanografie untersucht wie die Umweltbedingungen (Strömungen, Salzgehalt, etc.) sich auf Verteilung, Vorkommen, Wachstum, Fortpflanzung und Sterberate von maritimen Organismen auswirkt und anderesherum, wie die Lebenszyklen dieser Organismen, sich auf geologische, physikalische und chemische Prozesse im Meer auswirken. Die biologische Ozeanografie ist zu unterscheiden von der Meeresbiologie (siehe Abschnitt weiter unten)
- chemische Ozeanografie beschäftigt sich mit der Herkunft und Zusammensetzung des Wassers im Meer und auch mit chemischen Zyklen von z. B. Kohlenstoff oder Stickstoff im Meer.
- Meeresgeologie erforscht Prozesse, die den Meeresgrund formen, in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Ferner werden auch marine Rohstoffvorkommen, zum Beispiel in Form von mineralischen Erzen und Gashydraten untersucht.
- maritime Meteorologie widmet sich der Erforschung der Wechselwirkung des Ozeans mit der Atmosphäre, zum Beispiel, Wärme-, Impuls-, und Wasserdampftransport; der Untersuchung des Einflusses der Ozeane auf das Klimasystem oder auch Auswirkungen von Wetterphänomenen wie Wirbelstürmen, Monsunen, etc. auf die Meere
- maritime Geochemie konzentriert sich auf die Wechselwirkungen zwischen chemischen und geologischen Vorgängen im Meer
- Meeresbiologie untersucht Pflanzen und Tiere, die im Meer leben, deren Fortpflanzung, Physiologie und Anatomie. Sie wird oft unterteilt in Meeresbotanik, Meereszoologie, Planktonologie, Fischereibiologie, Marine Mikrobiologie und Marine Ökologie
- Meerestechnik: Entwicklung moderner, innovativerer Technologie zur Gewinnung von Beobachtungsdaten. Beispiele: Autonome Tiefendrifter, Glider, Lander (Tiefseeobservatorien), autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV=Autonomous Unterwater Vehicle), ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROV=Remotely Operated Vehicles)
- physikalische Ozeanografie behandelt physikalische Vorgänge der Meere. Sie erforscht Parameter wie Temperatur, Lichtdurchlässigkeit, Bewegungsvorgänge im Meer, wie Wellen, Flut und Strömungen und dem Wärmetransport im Ozean durch Strömungen. Sie behandelt außerdem Akustik im Ozean und die Satellitenfernerkundung des Ozeans. Weitere kleinere Felder sind unter anderem Meeresrechtwesen, Fischereiwesen, Meeresarchäologie. Verwandte Disziplinen sind Meereisforschung, Polarforschung und Klimaforschung. Ozeanografie versteht sich als eine interdisziplinäre Wissenschaft. Die einzelnen Bereiche arbeiten oft eng zusammen. Aus diesem Grund wird manchmal die international verbreitete Bezeichnung Ozeanologie als Bezeichnung für diese Wissenschaft bevorzugt.

Berufsausbildung Ozeanograf

Ozeanografen arbeiten zumeist in der Forschung oder auch meerestechnischen Firmen. Die Ausbildung unterscheidet sich je nach Fachrichtung. Zumeist jedoch gilt für die oben genannten Fachbereiche, dass das eigentliche Studium zum Ozeanografen in Deutschland nur in Kiel und Hamburg möglich ist, als Nebenfach jedoch auch in Bremen, Rostock und Oldenburg. Für den physikalischen Ozeanografen unterscheidet sich das Studium bis zum Vordiplom nicht von dem eines reinen Physikstudiums. Erst anschließend werden Schwerpunkte in ozeanografischen Bereichen belegt. Für den chemischen Ozeanografen gilt, dass normalerweise ein Vordiplom oder auch Diplom in Chemie erworben wird und erst im Rahmen einer Promotion findet die Spezialisierung zum chemischen Ozeanografen statt. Auch sind Quereinstieg über die Geologie oder Biologie möglich mit einer anschließenden Promotion in Meereschemie. Ferner ist der Einstieg über ein Staatsexamen an der Fachhochschule, als chemisch-technischer Assistent denkbar, denn anschließend ist ein Studium in der Chemie möglich. In ähnlicher Weise erfolgt der Einstieg in die anderen Fachbereiche.

Siehe auch

- Liste internationaler ozeanografischer Forschungsinstitute
- Joint Oceanographic Institutions
- Tsunami

Weblinks

- http://www.deutsche-meeresforschung.de/ - Konsortium Deutsche Meeresforschung: Portal der Meeresforschung in Deutschland
- http://www.ifm-geomar.de/ - Leibniz-Institut für Meereswissenschaften in Kiel
- http://www.ifm.uni-hamburg.de/ - Institut für Meereskunde, Universität Hamburg
- http://www.awi-bremerhaven.de/ - Alfred Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven
- http://www.ocean.uni-bremen.de/EInfo/webseiten/eLibrary.html - Downloadseite der Uni Bremen, PDFs wesentlicher internationaler Arbeiten
- http://www.meeresmuseum.de - Meereskundemuseum in Stralsund
- http://www.heise.de/tr/aktuell/meldung/54758 - Erdbeben-Forschung: Am Puls der Tiefsee Kategorie:Ozeanologie Kategorie:Naturwissenschaft ja:海洋学 ko:해양학

Erde

Die Erde (von indogermanisch er[t]) ist der dritte Planet des Sonnensystems. Sie ist ca. 4,55 Milliarden Jahre alt und ist der einzige bekannte belebte Ort. Das Planetenzeichen ist 18px oder 14px. Der lateinische Name ist Terra. Die Erde zählt zu der Gruppe der erdähnlichen (terrestrischen) Planeten.

Entstehung und Aufbau der Erde

Hauptartikel: Entstehung der Erde, Innerer Aufbau der Erde, Erdfigur und Plattentektonik Plattentektonik Die Erde ist der größte Gesteinsplanet im uns bekannten Sonnensystem. Alle anderen Planeten sind kleiner oder bestehen wie Jupiter hauptsächlich aus Gas in stark komprimierten Zuständen. Die Erde entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Man geht heute allgemein davon aus, dass sie während der ersten 100 Millionen Jahre einem intensiven Bombardement von Meteoriten ausgesetzt war. Heute ist nur noch ein geringer Beschuss zu verzeichnen. Die meisten der Meteore werden von Objekten kleiner als 1 cm hervorgerufen. Im Gegensatz zum Mond sind auf der Erde die meisten Einschlagkrater durch geologische Prozesse wieder ausgelöscht worden. Durch die kinetische Energie der Impakte während des schweren Bombardements und durch die Wärmeproduktion des radioaktiven Zerfalls erhitzte sich die junge Erde, bis sie größtenteils aufgeschmolzen war. In der Folge kam es zu einer gravitativen Differenzierung des Erdkörpers in einen Erdkern und einen Erdmantel. Die schwersten Elemente, vor allem Eisen, sanken in die Richtung des Schwerpunkts des Planeten, während leichte Elemente, vor allem Sauerstoff, Silizium und Aluminium nach oben stiegen. Aus diesen Elementen bildeten sich hauptsächlich silikatische Minerale, aus denen auch die Gesteine der Erdkruste bestehen. Aufgrund ihres vorwiegenden Aufbaus aus Eisen und Silikaten hat die Erde wie alle terrestrischen Planeten eine recht hohe mittlere Dichte von 5,515 g/cm³. Die Erde hat, wie alle Planeten, durch die Eigengravitation ihrer großen Masse annähernd die Form einer Kugel. Durch die Fliehkräfte ihrer ziemlich schnellen Rotation ist sie an den Polen geringfügig abgeplattet. Der Äquatorumfang ist dadurch mit 40.075,004 km um 67,183 km bzw. um 0,17 % größer als der Polumfang mit 39.940,638 km. Der Poldurchmesser ist mit 12.713,500 km dementsprechend um 42,77 km bzw. um 0,34 % kleiner als der Äquatordurchmesser mit 12.756,270 km. Solch ein geometrisches Verhältnis ist das eines Ellipsoids. Der Meeresspiegel (das Geoid) weicht davon nochmals um ± 100 Meter ab. Die Unterschiede im Umfang tragen mit dazu bei, dass es keinen eindeutig höchsten Berg auf der Erde gibt. Nach der Höhe über dem Meeresspiegel ist es der Mt. Everest im Himalaya und nach dem Abstand des Gipfels vom Erdmittelpunkt der auf dem Äquatorwulst stehende Vulkanberg Chimborazo in den Anden. Von der jeweils eigenen Basis an gemessen ist der Mauna Kea auf der vom pazifischen Meeresboden aufragenden großen vulkanischen Hawaii-Insel am höchsten. Wie die meisten festen Planeten und fast alle größeren Monde, z. B. der Erdmond, weist auch die Erde eine deutliche Dichotomie ihrer Oberfläche auf, d. h. eine Zweiteilung in unterschiedlich ausgeprägte Halbkugeln. Die Oberfläche der Erde unterteilt sich in eine Landhemisphäre und eine Wasserhemisphäre. Die Wasserfläche hat in der gegenwärtigen geologischen Epoche einen Gesamtanteil von 70,7 %. Die von der Landfläche umfassten 29,3 % entfallen hauptsächlich auf sieben Kontinente; der Größe nach: Asien, Afrika, Nordamerika, Südamerika, Antarktika, Europa und Australien. Wobei Europa als große westliche Halbinsel Asiens im Rahmen der Plattentektonik wahrscheinlich nie eine selbstständige Einheit gewesen ist. Die kategorische Grenzziehung zwischen Australien als kleinstem Erdteil und Grönland als größter Insel wurde nur rein konventionell festgelegt. Die Fläche des Weltmeeres wird im Allgemeinen in drei Ozeane einschließlich der Nebenmeere unterteilt: In den Pazifik, den Atlantik und den Indik. Die tiefste Stelle, das Witjastief 1 im Marianengraben, liegt 11.034 m unter dem Meeresspiegel. 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 so genannte Lithosphäre. Sie ist zwischen 50 und 100 km dick und zergliedert sich in große und kleinere tektonische Einheiten, die Platten. Die größten Platten entsprechen in ihrer Anzahl und Ordnung in etwa jener der von ihnen getragenen Kontinente, mit Ausnahme der pazifischen Platte. All diese Schollen bewegen sich gemäß der Plattentektonik relativ zueinander auf den teils aufgeschmolzenen, zähflüssigen Gesteinen des oberen Mantels, der 100 bis 150 km mächtigen Asthenosphäre. Der innere Erdkern ist fest, der äußere geschmolzen und gut 4.000 °C heiß. Ein dreidimensionales Modell der Erde wird, wie alle verkleinerten Nachbildungen von Weltkörpern, Globus genannt.

Atmosphäre

Hauptartikel: Erdatmosphäre Die Erde besitzt eine etwa 640 km hohe Atmosphäre. Deren Masse beträgt 5,13 x 10¹⁸ kg und macht somit knapp ein Millionstel der Erdmasse aus. Der mittlere Luftdruck auf dem Niveau des Meeresspiegels ist 1.013 hPa groß; bei einer mittleren Luftdichte von 1,293 kg/m³. In den bodennahen Schichten besteht die Lufthülle im Wesentlichen aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % Edelgasen. Dazu kommt ein wechselnder Anteil an Wasserdampf (0 – 5 %), der das Wettergeschehen bestimmt. Die auf der Erde gemessenen Temperaturextreme betragen –89,6 °C (gemessen am 21. Juli 1983 in der Wostok-Station in der Antarktis auf 3.420 Metern Höhe, was einer Temperatur von –60 °C auf Meereshöhe entspräche) und +58 °C (gemessen am 13. September 1922 in Al 'Aziziyah in Libyen auf 111 Metern Höhe). Die mittlere Temperatur in Bodennähe beträgt 15 °C; die Schallgeschwindigkeit bei dieser Temperatur beträgt in der Luft am Meeresniveau etwa 340 m/s. Die Erdatmosphäre streut den kurzwelligen, blauen Spektralanteil des Sonnenlichts etwa fünfmal stärker als den langwelligen, roten und bedingt dadurch bei hohem Sonnenstand die Blaufärbung des Himmels. Dass die Oberfläche der Meere und Ozeane vom Weltall aus gesehen blau erscheinen, weswegen die Erde seit dem Beginn der Raumfahrt auch der Blaue Planet genannt wird, ist jedoch auf die stärkere Absorption roten Lichtes im Wasser selbst zurückzuführen. Die Spiegelung des blauen Himmels an der Wasseroberfläche ist dabei nur von nebensächlicher Bedeutung.

Globaler Energiehaushalt

Der Energiehaushalt der Erde wird im Wesentlichen durch die Einstrahlung der Sonne und die Ausstrahlung der Erdoberfläche bzw. Atmosphäre bestimmt, also durch den Strahlungshaushalt der Erde. Der sonstige vorwiegend durch radioaktive Zerfälle erzeugte Energiebeitrag beträgt nur etwa 0,1 %. Die Albedo der Erde beträgt im Mittel 0,367, wobei ein wesentlicher Anteil auf die Wolken der Erdatmosphäre zurückzuführen ist. Dies führt zu einer globalen effektiven Temperatur von 246 K (-27 °C). Die Durchschnittstemperatur am Boden liegt jedoch durch einen starken atmosphärischen Treibhauseffekt bzw. Gegenstrahlung bei etwa 288 K (15 °C), wobei die Treibhausgase Wasser und Kohlendioxid den Hauptbeitrag liefern.

Herkunft des irdischen Wassers

Hauptartikel: Herkunft des irdischen Wassers Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers dürfte durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, ist fragwürdig. Weitere große Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen sein. Messungen des Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopen-Verhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.

Himmelsmechanik

Umlaufbahn

Der mittlere Abstand des Zentrums der Erde vom Zentrum der Sonne ist die große Bahnhalbachse und beträgt etwa 149.597.870 km. Ursprünglich wurde dieser Abstand der Definition der Astronomische Einheit (AE) zugrunde gelegt, die als astronomische Längeneinheit hauptsächlich für Entfernungsangaben innerhalb des Sonnensystems verwendet wird. Der sonnennächster Punkt der Erde, das Perihel, liegt bei 0,983 AE AE und sein sonnenfernster Punkt, das Aphel, bei 1,017 AE. Sie läuft also auf einer elliptischen Umlaufbahn mit einer Exzentrizität von 0,0167 um die Sonne. Für einen Umlauf um die Sonne benötigt sie 365 d 6 h 9 min 9,54 s, diese Zeitspanne wird auch als Siderischen Jahres bezeichnet. Die Bahnebene der Erde wird als Ekliptik bezeichnet.

Mond

Hauptartikel: Mond Die Erde wird von einem Mond umkreist. Dieser ist im Vergleich zur Erde deutlich größer als es bei den anderen Planeten mit Ausnahme des Pluto/Charon-Systems der Fall ist. Der große Mond ist verantwortlich für die Stabilität der Schiefe der Ekliptik der Erde und damit auch für die guten Bedingungen zum Entstehen von Leben auf der Erde.

Rotation und Gezeiten

Die Erde rotiert einmal in 23 h 56 min 4,09 s um ihre eigene Achse. Analog zum siderischen Jahr wird diese Zeitspanne als ein Siderischer Tag bezeichnet. Aufgrund der Bahnbewegung der Erd