Geothermische Tiefenstufe

Hast Du gewusst, dass die Erde zum Erdkern hin immer heißer wird? Je tiefer man ins Erdinnere gelangt, desto wärmer wird es. Im Erdkern werden Temperaturen um die 6000 °C erreicht. Die Temperatur erhöht sich dabei stufenweise. Man spricht von der geothermischen Tiefenstufe.

Geothermische Tiefenstufe

Die geothermische Tiefenstufe wird genutzt, um den Temperaturverlauf im Erdinnern zu beschreiben. Dabei handelt es sich um einen Tiefenabschnitt in Richtung des Erdkerns, in dem sich die Erde um 1 °C erhöht. Im Durchschnitt erwärmt sich die Erde pro 33 Meter um 1 °C.

Geothermie – Grundlagen

Bevor Du Dich genauer mit der geothermischen Tiefenstufe beschäftigst, solltest Du Dir die Grundlagen zur Geothermie anschauen.

Diese Erdwärme wird zum Beispiel zur Energiegewinnung genutzt und stellt eine Form an erneuerbarer Energie dar.

Die Erwärmung des Erdinnern hat dabei unterschiedliche Ursachen. Dazu gehören radioaktiver Zerfall von Isotopen und die Einstrahlung der Sonne. Dazu wirst Du in den nächsten Kapiteln Genaueres erfahren.

Geothermische Tiefenstufe – einfach erklärt

Das Erkunden des Erdinnern ist in Hinblick auf die Erforschung der Erde und erneuerbaren Energien wichtig. Daher ist es von Vorteil, den geothermisch Tiefenstufe genauer zu betrachten.

Geothermie Tiefenstufe – Definition

Die geothermische Tiefenstufe wird oft mit dem geothermischen Temperaturgradienten verwechselt. Dabei handelt es sich beim geothermischen Temperaturgradienten um den Kehrwert der geothermischen Tiefenstufe.

Diese Tiefenstufe liegt meistens bei 33 Metern¹. Das bedeutet, dass sich die Temperatur innerhalb von 33 Meter um 1 °C erhöht. Der geothermische Temperaturgradient liegt durchschnittlich bei 3 °C auf 100 Metern³.

Dieser Wert ist nur auf die Erdkruste anwendbar. Im Erdmantel und Erdkern herrscht eine andere geothermische Tiefenstufe.

Würde man die geothermische Tiefenstufe auf das gesamte Erdinnere anwenden, wäre der Erdkern bis zu 18.000 °C heiß. Dementsprechend wären größere Teile des Erdkerns geschmolzen und flüssig. Das wurde durch seismische Untersuchungen aber widerlegt.

Der Wert ändert sich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie dem Gestein, dem geologischen Bau und anderen Wärmequellen, wie Magmakammern und Einstrahlung der Sonne.

Geothermische Tiefenstufe – Erklärung

Der geothermische Temperaturgradient und die geothermische Tiefenstufe beruhen auf verschiedenen physikalischen und chemischen Prozessen im Erdinnern.

Zerfallen radioaktive Isotope, führt das dazu, dass sich das Erdinnere erhitzt. Bei dem Zerfall wird nämlich Energie frei, die dann in Wärme umgewandelt wird.

Man unterscheidet zwischen Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall.

Als die Erde entstanden ist, wurde Wärme freigesetzt und im Erdinnern gespeichert. Diese Wärme wird zwar immer weniger, ist aber noch in Form von Restwärme vorhanden und trägt zur Erwärmung der Erde bei.

Ein weiterer Grund für die Erwärmung des Erdinnern ist die Einstrahlung der Sonne auf die Erdoberfläche. Dabei werden Sonnenstrahlen von der Erde aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Wird diese Wärme nicht wieder in Form von Wärmestrahlung abgegeben, verweilt sie im Erdinnern.

Geothermischer Temperaturverlauf – Einflüsse

Die geothermische Tiefenstufe liegt nicht überall bei 1 °C pro 33 Meter. Sie ändert sich durch verschiedene Einflüsse, dazu gehört vor allem die Wärmeleitfähigkeit.

Ein Beispiel für einen solchen Körper ist ein Gestein. Gesteine sind Gemische aus Mineralen und biologischen Substanzen. Sie haben unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, abhängig von den Mineralen, aus denen das Gestein entstanden ist. Da die kontinentale Kruste aus Gestein besteht, verändert sich die geothermische Tiefenstufe in Abhängigkeit zur Gesteinsart, die aufzufinden ist.

Ist viel Grundwasser im Boden vorhanden, wird die geothermische Tiefenstufe in diesem Bereich beeinflusst. Wasser hat nämlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit und daher sinkt der geothermische Gradient.

Außerdem kann der Magmatismus zu einer höheren geothermischen Tiefenstufe und einem höheren geothermischen Temperaturgradienten führen. Dort, wo magmatische Prozesse stattfinden, ist es nämlich durch das Magma wärmer.

Das kann unter anderem das Vorhandensein einer Magmakammer in der Erdkruste sein oder ein aktiver Vulkan.

Die Jahreszeiten haben ebenfalls einen indirekten Einfluss auf die Entwicklung der oberflächennahen geothermischen Tiefenstufe. Indirekt, weil eigentlich die Sonneneinstrahlung die geothermische Tiefenstufe beeinflusst. Da diese aber mit den Jahreszeiten schwankt, haben die Jahreszeiten einen Einfluss auf die geothermische Tiefenstufe. Denn wenn die Sonneneinstrahlung etwa im Winter geringer ist, wird weniger Wärme von der Erde aufgenommen, dadurch wird der geothermische Gradient kurzfristig kleiner. Umgekehrt ist es im Sommer, wenn die Sonneneinstrahlung vergleichsweise hoch ist.

Geothermische Tiefenstufe berechnen und ermitteln

Da die Temperatur zum Erdinnern immer weiter zunimmt, gestaltet es sich als schwierig, die geothermische Tiefenstufe zu ermitteln. Das liegt das daran, dass die Geräte für eine Tiefenbohrung durch die Hitze zerstört werden würden.

Forschende modellieren deshalb die geothermische Tiefenstufe. Das bedeutet, dass sie ein Modell aufstellen, wie sich die geothermische Tiefenstufe in Richtung Erdkern entwickelt. Dabei handelt es sich nicht um einen belegten Fakt, der zum Beispiel durch Experimente bewiesen werden konnte.

Die Modelle beruhen auf den Temperaturen von Lava, Labordaten über die Schmelztemperatur von Gesteinen und der Seismik, dazu gehören etwa seismische Wellen.

Tiefenbohrung – Erdwärme

Eine Tiefenbohrung ist eine Möglichkeit, die geothermische Tiefenstufe oberflächennah zu bestimmen. Dafür wird in die Erdkruste gebohrt. Diese Art von Bohrungen werden häufig in der Geothermie genutzt, um Bereiche hinsichtlich der Energieversorgung durch Erdwärme zu untersuchen.

Die geothermische Tiefenstufe kann mit dieser Methode nur oberflächennah in der Erdkruste bestimmt werden, da die Temperatur in der Tiefe immer stärker ansteigt und somit die Gerätschaften zum Bohren zerstört.

Die tiefste Tiefenbohrung, die noch zu wissenschaftlichen Forschungen genutzt wird, liegt in Windischeschenbach in Bayern. Diese Bohrung ist rund 9.101 Meter⁴ tief. Dort liegt die Temperatur bei 280 °C⁴. Die Temperaturen stimmen mit dem durchschnittlichen geothermischen Temperaturgradienten überein.

In Windischeschenbach handelt es sich um eine kontinentale Tiefenbohrung, kurz KTB. Das bedeutet, dass das Bohrloch auf dem Festland, in kontinentaler Erdkruste gebohrt worden ist. Der Bohrturm, den man außen sieht, ist 83 Meter⁵ hoch.

Abbildung 2: Bohrturm der kontinentalen Tiefenbohrung in Windischeschenbach

Auf der Halbinsel Kola bei Sibirien wurden 1984 Tiefen bis 12.262 Metern⁴ und Temperaturen bis zu 205 °C erreicht. Dieser Wert lag damals über den Erwartungen der Forschenden. Heute weiß man jedoch, dass die hohen Temperaturen in dieser Tiefe nichts Ungewöhnliches sind. Die Forschungen an dieser Station wurden eingestellt, nachdem die Sowjetunion zerfallen ist.