Mantelkonvektion

Mantelkonvektion Definition

Im Grunde wird dabei der Untere Erdmantel durch den Erdkern aufgeheizt, weswegen das Material flüssig wird und nach oben steigt, während das kühlere feste Material nach unten sinkt.

Dieser Prozess beeinflusst zum Teil die Bewegung der Platten auf der Erdkruste.

Das Konzept der Mantelkonvektion entwickelte sich erst zum Beginn des 20. Jahrhunderts. Zunächst wurde es in der Geologie genutzt, um die Entstehung von Faltengebirgen zu erklären. Später dann auch für die Erklärung von Tiefseerinnen und vulkanischen Spaltensystemen.

Mantelkonvektion: Aufbau der Erdschalen

Um genauer zu verstehen, was passiert, hier zur Erinnerung der Aufbau der Erdschalen:

Die Erde ist in mehrere Schichten aufgebaut. Im Zentrum befindet sich der Erdkern. Es wird angenommen, dass dieser hauptsächlich aus Eisen, Nickel und radioaktiven Elementen besteht. Durch den Zerfall der Elemente wird der Kern auf einer sehr hohen Temperatur gehalten.

Über dem Kern befindet sich der Erdmantel. Dieser ist im oberen Teil im Wesentlichen flüssig, wahrscheinlich aber im unteren Teil fest. Die oberste Schicht ist die Erdkruste. Ihr festes, aber weniger dichtes Material schwimmt auf dem Erdmantel. Der Erdmantel besteht aus der circa 6–11 km dünnen ozeanischen Kruste und der ungefähr 30 km dicken kontinentalen Kruste.

Die kontinentale Kruste ist in mehrere Platten aufgespalten, die sich durch die Plattentektonik bewegen. Die Bewegung der Platten lässt sich genau beobachten und nachvollziehen. Anders sieht es mit den Prozessen unter den Platten aus.

Das Prinzip der Mantelkonvektion

Bei der Mantelkonvektion wird von einem Wärmetransport-Mechanismus ausgegangen. Dieser baut auf dem Prinzip der Konvektion auf. Durch Gravitation sinkt am Oberen Erdmantel kühles und festes Material hinab zum circa 5400 °C heißen Erdkern. Dieser Vorgang wird auch als Subduktion bezeichnet. Zur gleichen Zeit steigt als Ausgleich heißes und flüssiges Material hinauf zur Erdkruste. Durch diese Bewegung entstehen von selbst Strömungen.

Abbildung 1: Grafische Darstellung der MantelkonvektionQuelle: br.de

Abbildung 2: Modell der Thermischen Konvektion mit roten AufwärtsströmungenQuelle: wikipedia.de

Diese Umwälzung in der Erde verläuft sehr langsam. Es wird vermutet, dass die Geschwindigkeit pro Jahr bei 5 Zentimetern liegt. Damit würde es also 240 Millionen Jahre dauern bis eine vollständige Umwälzung einmal stattgefunden hat. Die Ströme verlaufen dabei sowohl vertikal als auch horizontal.

Es wird davon ausgegangen, dass es in der früheren Erdgeschichte eine geschichtete Mantelkonvektion gab. In 660 km Tiefe befindet sich die sogenannte Phasengrenze, die den Oberen Erdmantel und Mantelübergangszone vom Unteren Erdmantel trennt. Die Mantelkonvektion soll heftiger und in den einzelnen Zonen stattgefunden haben.

Diese geschichtete Mantelkonvektion hat sich allerdings zu einer Gesamtmantelkonvektion gewandelt, bei der die Ströme bis in den Unteren Erdmantel hindurchdringen.

Nachweis der Mantelkonvektion

Es ist schwierig, den Prozess der Mantelkonvektion zu erforschen. Neben der direkten Beobachtung der Plattentektonik und physikalischen Experimenten ist auch die Seismologie ein wichtiger Bestandteil. In der Seismologie werden Erdbeben untersucht und deren Entstehung erforscht.

Durch diese ist es möglich, Ausläufer der Mantelkonvektion sichtbar zu machen. Eine herabgesetzte seismische Geschwindigkeit lässt auf ein heißes Gebiet schließen, während schnelle seismische Geschwindigkeiten auf ein kaltes Gebiet hindeuten. Unter Island befindet sich bspw. eine heiße, aufsteigende Region, während sich unter Japan ein kalte, absteigende Region befindet.

Die aus der Seismologie gewonnen Modelle zeigen die Dichteverteilung im Oberen Erdmantel. Mithilfe dieser lassen sich die möglichen Strömungsfelder berechnen und modellhaft sichtbar machen. Ebenso lassen sich dadurch Karten erstellen, die die Auswirkungen auf den Erdmantel zeigen. So lässt sich zum Beispiel grafisch darstellen, wie sich eine dieser Strömungen von der Arabischen Halbinsel unterhalb des afrikanischen Kontinents bewegte, diesen anhob und das Rote Meer aufriss.

Abbildung 3: Auswirkung der Mantelkonvektion auf den Afrikanischen KontinentQuelle: spektrum.de

Eine weitere Möglichkeit die Mantelkonvektion zu beobachten ist das Erdschwerefeld, auch Geiod genannt. Da die Strömungen zu unterschiedlichen Dichtegraden unterhalb der Erdkruste führen, lassen sich die leichten Unterschiede im Schwerefeld ausmachen. So befindet sich im westlichen Pazifik ein leicht höheres Gravitationsfeld. Es wird davon ausgegangen, dass dies durch einen Abwärtsstrom mit einer höheren Dichte verursacht wird.

Während es diese Möglichkeiten gibt, die Auswirkungen der Mantelkonvektion auf der Lithosphäre sichtbar zu machen, so ist jedoch noch unklar, wie die Konvektion im Erdinneren verläuft, wie sie strukturell aufgebaut ist und wie große die Anzahl der Konvektionen ist.

Mantelkonvektion und Plattentektonik

Die Mantelkonvektion hat einen starken Einfluss auf die Plattentektonik. Durch den Unterschied in der chemischen Zusammensetzung der Platten und dem Erdmantel, sowie den physikalischen Eigenschaften wie z. B. in der Temperatur und der Dichte, werden die konvektiven Prozesse im Erdmantel beeinflusst.

Die Konvektion im Erdmantel treibt dabei sowohl die Ausdehnung von Platten in den Mittelozeanischen Rücken als auch das Verschwinden in den Subduktionsgebieten an. Die erkalteten Teile der herabsteigenden Platten verflüssigen sich im Erdmantel schließlich wieder, während sie zurück in den Konvektionskreislauf gelangen.