Aug30

Unter Spannung stehende Erdplatten – eine geologische Situation die entsteht, wenn Platten aufeinander stossen, sich verkeilen oder aneinander vorbei driften – führen zu grossem Druckaufbau in der Kruste. Kann die Erdkruste den Spannungen nicht mehr standhalten, entlädt sie sich mit einem gewaltigen Ruck als Beben, häufig ohne grosse Vorwarnung zunächst im Erdinnern. Die Kraft breitet sich als Wellen aus, ähnlich den Wellen im Wasser und erreichen in Sekundenschnelle den Meeres- oder Erdboden. Eine solche gewaltige und abrupte Druckentladungen hat sich in Italien nicht zum ersten Mal ereignet. Erinnert sei an das letzte Beben 2012 in Norditalien und 2009 in L’Aquila in Mittelitalien. Damit gehört Italien nebst Island, Griechenland und der Türkei zu den am meisten gefährdeten Erdbebenländern Europas.

Wie sieht die geologische Situation in Italien aus?

Plattentektonik Italien

Verlauf der Platten im Mittelmeerraum

In der oberen Grafik sehen wir, wie die Plattengrenzen im Mittelmeerraum verlaufen. Daran gekoppelt ist, wie in der unteren Grafik ersichtlich, eine starke Erdbebentätigkeit. Für Italien heisst dies, die westliche und nord-süd verlaufende Hälfte gehört zur eurasischen Platte, die östliche Hälfte zur afrikanischen. Wo es entlang der Plattengrenze bei einer Druckentlassung zu Beben kommt, lässt sich jedoch nicht vorhersagen.

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Wo in Europa die Erde bebt , Quelle: Share

Erdbeben sind Teil des Erdgeschehens. So bebt die Erde mehrmals täglich an irgendeiner Stelle der Welt  – im Jahr über eine Million Mal – und führt in bewohnten Gebieten ab einer Stärke von etwa 5,5 auf der Richterskala zu Schäden. Welchen Schaden ein Erdbeben anrichtet, ist in erster Linie eine Frage der Beschaffenheit des Untergrunds. So haben viele Lockergesteine eine hohe Erschütterungsfähigkeit; das heisst, sie reagieren ähnlich wie ein Pudding, bei dem ein leichtes Anstossen des Tellers dazu führt, dass er ein paar Sekunden lang ins Wackeln kommt.

Mit Erdbeben zu leben ist eine Herausforderung. Als förderlich gelten Bauweisen, die bei horizontaler Belastung grosse Verformungen zulassen, sich also duktil und nicht spröde verhalten. Aus dieser Erkenntnis leitet sich der Massnahmenkatalog des erdbebensicheren Bauens ab. Solche Massnahmen verteuern das Bauen allerdings und sind in der Realität nicht einfach umzusetzen, da es die ärmlichere Landbevölkerung trifft.

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Jul05

Für besonders viel Erheiterung sorgt die Helium-Stimme und das Helium einatmen. Wie kommt dieser Effekt zustande und was ist Helium?

Ausschlaggebend für den Helium-Stimmeffekt ist die Schallgeschwindigkeit, die sich je nach Luftzusammensetzung verändert und eine Frequenzverschiebung verursacht. Erhöht sich die Frequenz, so wird auch die Stimme höher; man spricht von der Micky-Maus Stimme! Durch Einatmen von Helium-Gas wird die “normale” Luftzusammensetzung verändert – die Luft wird leichter.

Helium ist ein chemisches Element der Ordnungszahl 2, zählt zu den Edelgasen und ist farblos, geruchlos, geschmacksneutral und ungiftig. Diese Harmlosigkeit betrifft allerdings nicht das Helium einatmen.

Nach Wasserstoff ist es das zweithäufigste Element im Universum. 10 Sekunden nach dem Urknall vereinigten sich durch Kernfusion Protonen und Neutronen zu ersten Atomkernen – der grösste Teil des stellaren Heliums entstand somit beim Urknall.

Auf der Erde ist Helium rar, denn es entsteht beim Alphazerfall von z. B. Uran oder Radium und ist nicht-stellaren Ursprungs. Durch Alphazerfall  entstehendes Helium sammelt sich in natürlichem Erdgas in Konzentrationen bis zu 16 Volumenprozent, weshalb Helium durch fraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen wird.

Entdeckung des Heliums

Der französische Astronom Jules Janssen erhielt während der Beobachtung der totalen Sonnenfinsternis vom 18. August 1868 in Indien zum ersten Mal Hinweise aufgrund einer hellen, gelben Spektrallinie im Spektrum der Chromosphäre der Sonne. Kurz darauf bestätigte der Engländer Norman Lockyer (der Gründer des Wissenschaftsmagazins Nature), dass die gelbe Linie tatsächlich im Sonnenspektrum vorhanden ist, und schloss daraus, dass sie von einem unbekannten Element verursacht wird. Da die Spektrallinie nahe der Fraunhofer-Doppel-D-Linie des Metalls Natrium liegt, nannte er die Linie D3, um sie von den D1- und D2-Linien des Natriums zu unterscheiden. Zusammen mit Edward Frankland schlugen sie vor, das neue Element Helium zu nennen, was so viel wie Sonnenmetall heisst. Dass es sich dabei um kein Metall handelte, ahnte man damals noch nicht.

14 Jahre später gelang es Luigi Palmieri durch die Spektralanalyse von Vesuv-Lava erstmals das Element Helium auch auf der Erde nachzuweisen.

Helium ist ein nicht-regenerativer Roh­stoff und ein knappes Gut.

 

Einmal in der Luft, steigt es auf und verlässt aufgrund seiner geringen Masse das Gravitationsfeld der Erde. Kein Wunder breitete sich der kürzlich gemachte Fund eines unterirdischen Helium-Gasfeldes im tansanischen Grabenbruch als Sensationsmeldung über die ganze Welt.

Dieses neu entdecke He-Gasfeld gehört zu den weltweit grössten Vorkommen. Das Entscheidende: Erstmals haben Wissenschaftler die geologischen Bedingungen identifiziert, unter denen solche Heliumvorkommen entstehen.

Lavaausfluss im Ost-Afrikanischen Graben, © Craig F. Walker, Getty Images  Vulkanische Aktivität im tansanischen Grabenbruch, © Getty Images / National Geographic RF

v.l.n.r.: Lavaausfluss im Ost-Afrikanischen Graben, © Craig F. Walker, Getty Images; Vulkanische Aktivität im tansanischen Grabenbruch, © Getty Images / National Geographic RF

Anschaulich gesprochen könnten mit dem Helium-Vorrat über 100 Milliarden He-Ballone gefüllt und ein Gewicht von etwa 1,5 Milliarden Kilogramm gehoben werden.

Im frühen 20. Jahrhundert wurden grosse Mengen Helium in Erdgasfeldern der amerikanischen Great Plains gefunden. Die Vereinigten Staaten wurden die führenden Weltlieferanten; ihr weltweiter Förderanteile lag bei 75 %, Stand 2013.

Die industrielle Bedeutung von Helium ist gross. Während des Ersten Weltkrieges verwendete man Helium-Gas als Füllgas für Sperrballone, nach dem 2. Weltkrieg brauchte man flüssiges Helium als Kühlmittel für Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentreibstoff und andere zu kühlende Gegenstände.

Zusammenfassend findet es Anwendungen in der Tieftemperaturtechnik, besonders als Kühlmittel für supraleitende Magnete, in Tiefsee-Atemgeräten, bei der Altersbestimmung von Gesteinen, als Füllgas für Luftballons, als Traggas für Luftschiffe und als Schutzgas für verschiedene industrielle Anwendungen, z. B. beim Metallschutzgasschweissen und bei der Herstellung von Silizium-Wafern und in der Medizin.

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Mai10

≪Black and White Smokers≫, ≪Weisse und Schwarze Raucher≫, sind untermeerische, hydrothermale Schlote. Das Phänomen kennen wir an Land als heisse Quellen, Fumarolen und Geysire.

Black Smokers ©  Wikimedia Public Domaine by NOAA   White Smokers © Wikimedia Public Domaine by NOAA

v.l.n.r.: Black- und White Smokers, © Wikimedia Public Domaine by NOAA

Quellen am Grund der Ozeane

Auf den mittelozeanischen Rücken, ein weltumspannendes System von Gebirgszügen in den Ozeanen, die als heisse Naht zwischen zwei auseinanderstrebenden Lithosphärenplatten entstehen, finden sich Thermalquellen mit Temperaturen über 400 Grad.

Hydrothermale untermeerische Schlote ©  Creative Commons 4.0 by DeDuijn

Hydrothermale untermeerische Schlote © Creative Commons 4.0 by DeDuijn

Solche Quellen entstehen, wenn Meerwasser hunderte von Metern in den Meeresboden eindringt, dort erhitzt wird und wieder an die Oberfläche gelangt. Dabei bilden sich am Meeresgrund aus ausgefällten Mineralen die sogenannten ≪Schwarzen oder Weissen Raucher≫, röhren- oder kegelförmige Schlote, aus denen das heisse Wasser zusammen mit einer Sedimentwolke austritt. Wenn sich nämlich das heisse Wasser mit dem kalten Tiefseewasser vermischt, scheiden sich gelöste Stoffe als feine Partikel aus, die eine Wolke bilden, so dass der Eindruck einer Rauchwolke entsteht.

Die Farbe des “Rauchs” wird durch die unterschiedliche Wassertemperatur und der, auf dem Weg durch die Erdkruste, herausgelösten Elemente bestimmt. Sind im austretenden Wasser der “Raucher” vor allem Sulfide und Salze von EisenManganKupfer und Zink vorhanden, entsteht die schwarze Farbe durch das Ausfällen von Eisen-II (Mangan/Kupfer/Zink)-Sulfid. Sind dagegen in grösseren Mengen Sulfate, wie Anhydrit und Gips, oder Siliziumdioxid im austretenden Wasser gelöst, entsteht der “Weisse Raucher”.

Raucher als Biotope

“Raucher” und ihre Umgebung bilden einzigartige Biotope. Die Basis ihrer Nahrungskette sind chemolithotroph aktive Archaeen und Bakterien; Lebewesen die die Oxidation von Schwefelwasserstoff als Energiequelle nutzen, um organische Verbindungen aus anorganischen Stoffen herzustellen. So wurde bei einem 2’500 Meter tiefen “Schwarzen Raucher” ein Grünes Schwefelbakterium entdeckt, das eine anoxygene Photosynthese mit Schwefelwasserstoff oder Schwefel als Reduktionsmittel betreibt, denn hier gelangt kein Sonnenlicht zu den Bakterien. Über die lichtempfindlichen Chlorosomen wird die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) der heissen Lösungen des “Rauchers” aufgefangen und als Energiequelle für die Photosynthese nutzbar gemacht.

Hypothesen zur Evolution des Lebens

Die extremen Umweltbedingungen, wie sie in der Tiefsee in der Nähe “Schwarzer Raucher” herrschen, lassen an die Verhältnisse in der frühen Erdgeschichte denken, in denen der Ursprung des irdischen Lebens vermutet wird. Vulkanismus mit hohen Temperaturen und hohem Druck, Mangel an Licht und eine hohe Konzentrationen anorganischer Stoffe weisen deshalb der Umgebung “Schwarzer Raucher” eine besondere Bedeutung zu. Die chemoautotroph aktiven Bakterien und Archaeen werden wegen ihres anaeroben Stoffwechsels und der Energiegewinnung ohne Nutzung von Sonnenlicht sowie ihrem Habitat, das auf der frühen Erde herrschte, als repräsentativ für die frühesten Formen des Lebens angesehen. -:)

>> Black Smoker / Clouds at Godzilla Vent / Exploring Deep Sea Vents /

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Dez29
Heisse Quellen des Längenfelder Aqua Dome im Ötztal, Tirol, © aqua-dome.at

Heisse Quellen des Längenfelder Aqua Dome im Ötztal, Tirol, © aqua-dome

In Österreich auf 3’000 Metern sickert Gletscherwasser durch das Tiroler Gestein bis in eine Tiefe von 1’800 Metern, von wo das Thermalwasser mit einer Temperatur von 40 Grad Celsius in die heissen Quellen des Längenfelder Aqua Dome sprudelt.

Terme von Saturnia, © Creative Commons

Terme von Saturnia, © Creative Commons

Die Badekultur wurde schon im römischen Reich sehr ausgiebig gepflegt.

Aber auch Japan ist berühmt für seine 2000-jährige ausgeklügelte Badekultur. Weil die japanischen Inseln vulkanischen Ursprungs sind, verhält sich das Land wie ein Schwamm, der mit dem Wasser der heissen Quellen durchtränkt ist. An zahlreichen Stellen sprudelt es heiss und mineralreich aus der Erde. Es bilden sich einladende Becken und prägt ganze Landschaften. Onsen nennen sich die Bäder, die an Stellen warmer Quellen enstanden sind.

Heisse Quellen im Jigokudani Affen Park in Nagano, Japan © Creative Commons

Heisse Quellen im Jigokudani Affen Park in Nagano, Japan © Creative Commons

Auch unsere weitläufige Verwandtschaft, hier die Japan Makaken lieben es im Winter warm und nass!

Die Travertine-Terrassen von Pamukkale, Westtürkei, © Creative Commons

Die Travertine-Terrassen von Pamukkale, Westtürkei, © Creative Commons

Und wer kann, sollte unbedingt den Jahreswechsel an einem Ort begehen, der wie Pamukkale als achtes Weltwunder gilt! Die Travertine, die aus Kalksinter entstanden sind und die natürlichen Wasserbecken bilden, brauchten dazu etwa 15’000 Jahre. Das Wasser sprudelt munter aus unterirdischen Quellen mit einer Temperatur von 34 Grad. Es ist ein Naturschauspiel eingebettet in der kargen Berglandschaften der südwestlichen Türkei.

Für bescheidenere Budgets aber ebenso erholsam, können diverse Bäder in der Schweiz besucht werden. Zum Beispiel empfiehlt sich bei schönem Wetter das, von Mario Botta umgebaute, Rigi Kaltbad. Hier geniesst man nicht nur Erholung im Bad, sondern einen wunderbaren Ausblick in die Berge.

Erdwissen wünscht Euch liebe Leserinnen und Leser einen schwungvollen Rutsch ins 2016. Zudem freut mich, dass Erdwissen mit dem letzten Beitrag in diesem Jahr sicher die 4000er Marke aller Likes erreicht haben wird, vielen Dank an Euch alle!

Prosit und bis zum nächsten Jahr!  smiley

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Nov17

Die “Inseln der Glückseligen” (griechisch Elysion) sind in der griechischen Mythologie Orte im äussersten Westen des damaligen Erdkreises, an die ausgewählte Helden entrückt wurden, um als Unsterbliche ein glückliches Leben zu führen.

Makaronesien©CreativeCommons  Makaronesien umfasst fünf Inselgruppen als Unterregionen, v.N.n.S.:

  • Azoren (Portugal)
  • Madeira (Portugal)
  • Ilhas Selvagens (Portugal)
  • Kanarische Inseln (Spanien)
  • Kapverdische Inseln (seit 1975 unabhängig von Portugal)

 

Diese im östlichen Zentralatlantik liegenden Inselgruppen sind vulkanischen Ursprungs. Obwohl riesige Entfernungen zwischen den Inselgruppen herrschen, sind sie hinsichtlich der geologischen Entstehung aber auch der Tier- und Pflanzenwelt verwandt.

Hotspot-Vulkanismus

Die Inselgruppen sind über sogenannten Hotspots (heissen Zonen) entstanden, auf vulkanisch aktiven Zentren, die nicht durch plattentektonische Aktivitäten, wie zum Beispiel dem ozeanischen Rücken im Atlantik, verursacht werden.

Ein Hotspot ist eine Zone, in der heisses Mantelmaterial aus tieferen Schichten (wahrscheinlich aus der Kern-Mantel-Grenze) emporsteigt. Diese Zonen werden auch Manteldiapire genannt. Der erhöhte Temperaturfluss erzeugt Aufschmelzung des Gesteins in der Asthenosphäre. Weil diese Schmelzen geringere Dichte aufweisen, können sie an die Oberfläche gelangen. Dieser Hotspot-Vulkanismus kann man vom Vulkanismus der ozeanischen Rücken gut unterscheiden; beide fördern Basalte jedoch von unterschiedlichem Chemismus.

Aus der scheinbaren Wanderung eines Hotspots und dem Alter der Basalte aus solchermassen entstandenen Vulkanen, lassen sich Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung der Lithosphärenplatte rekonstruieren. Diese relative Bewegung bedingt das unterschiedliche Alter der Vulkane einer Inselgruppe.

Entstehung von Hotspots, © CreativeCommons

Ein Lithosphärenpaket bewegt sich über die Asthenosphäre, wobei im Verlauf der Zeit über dem Hotspot Vulkane an der Oberfläche ausbrechen, © CreativeCommons.

Bekannte Beispiele für Hotspot-Vulkanismus sind die Hawaii-Inseln, die Eifel in Deutschland, die Galápagos-Inseln und der Yellowstone-Nationalpark in Wyoming.

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Sep29

Wo reichern sich Seltene Erden an?

Die Seltenen Erden gehören technologisch einer sehr wichtigen Elementgruppe an. Allerdings sind sie nicht so selten wie ihre Bezeichnung andeutet. Wenn im Laufe der Zeit Magma immer weiter an die Erdoberfläche drängt und abkühlt, kristallisieren Minerale aus. Weil “auf dem Weg nach oben” keine geeigneten Minerale auskristallisieren, in denen die Seltenen Erden geeignete Gitterplätze finden können, reichern sie sich in der Restschmelze immer stärker an. Deshalb findet man sie häufig in magmatischen Gesteinen wie zum Beispiel im Karbonatit.

Karbonatit 

Karbonatit ist ein karbonatreiches, magmatisches Gestein. Wir kennen Karbonatgesteine eigentlich nur als Sedimentgesteine. In den magmatischen Karbonatitkomplexen jedoch findet man die meisten der förderbaren Vorkommen der Seltenen Erden. Das wichtigste Mineral, welches Seltene Erden gut aufnehmen kann, ist das Mineral Bastnäsit.

oldoinjolengai  Bastnäsite ©-BY-SA-3.0

Links: Der Karbonatitvulkan Ol Doinyo Lengai, Tanzania © Tobias Fischer (University of New Mexico); Rechts: Bastnäsit, Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Phosphatlagerstätten 

Auch in der Gruppe der Phosphate finden sich sehr wichtige Mineralträger für Seltene Erden. Phosphatlagerstätten mit dem Mineral Apatit werden in grossem Stil zur Produktion von Phosphatdüngemittel abgebaut. Und über diesen Abbau gelangt man sozusagen zum Nebenprodukt den Seltenen Erden. Das wichtigste Mineral aus der Phosphat Gruppe jedoch ist der Monazit.

Monazit

 

Monazite Monazite

Links & Rechts: Monazit, Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Monazit ist deshalb so wichtig, weil es, ähnlich wie Bastnäsit, hohe Anteile an leichten Seltenen Erden enthält, aber auch höhere Anteile an den schweren Seltenen Erden, eben diesen, die so gesucht sind für die Technologien, von denen die Rede im letzten Beitrag war.

Für die, die noch etwas mehr wissen wollen >> Oldoinyo Lengai Volcano Eruption

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Sep01

Die Lehre von den Vulkanen ist ein Thema, das viele naturwissenschaftliche Disziplinen vereinigt. Seit dem heissen Wochenende, das mit Einmachen von frischen Tomaten und dem Erlebnis der Eigenschaften von Tomatensauce draufging, sind mir gewisse vulkanologische Aspekte hautnah klar geworden.

Tomaten Caspacho Gärend, spritzend, schaumbildend – das sind Adjektive, die den kochenden Geologen zwangsläufig zur Vulkanologie führen.

Vulkane sind Öffnungen in der Erdkruste, aus denen glutflüssiges Gestein aus dem Inneren der Erde entweicht. Solange sich diese Gesteinsschmelze im Erdinneren befindet wird es Magma genannt. Kommt es an die Erdoberfläche, nennt man es Lava. Die Vulkane selbst brechen auf unterschiedliche Weise aus und nehmen sehr verschiedene Formen an. Die Art und Stärke eines Vulkanausbruchs stehen in direktem Zusammenhang mit dem Entstehungsort und der Lavaart. Grundsätzlich unterscheidet man explosiven und effusiven Vulkanismus. Der effusive Vulkanismus zeichnet sich durch rotglühende Lavafontänen und Lavaströme aus, bei der die Lava ruhig ausfliesst. Vulkane dieser Art haben eine geringe Hangneigung, oder bestehen auch nur aus einer Förderspalte. Explosiv fördernde Vulkane produzieren häufig graue, hoch in den Himmel aufsteigende Eruptionswolken. Die Lava dieser Vulkane ist gasreicher, zähflüssiger (viskos) und kühler als die des “roten Vulkanismus” und besitzt ein hohes, zerstörerisches Potential. Die klassische Vulkanart dieser Gattung ist der Strato- oder Schichtvulkan. Er bildet schöne, symmetrische Kegel, die mehrere 1000 Meter hoch werden können. Man unterscheidet grob 6 Vulkantypen. Schematisch abgebildet ist auch der Vulkanexplosivitätsindex, VEI. Es gibt 9 Stufen (0-8), wobei die Erhöhung um eine Stufe einer Verzehnfachung der Explosivität entspricht. Ein VEI von 0 entspricht der effusiven Tätigkeit. Dieser Index ist direkt vom Chemismus des Magmas und des Ortes abhängig.

Vulkantypen ©eskp.de unter cc-byVEI Index © eskp.de unter cc-by Vulkanauswirkgung

Links: Schematische Zeichnung der sechs Hauptvulkantypen; ©eskp.de unter cc-by. Mitte: VEI, Vulkanexplosivitätsindex ©C. Bonanati/GEOMAR, verändert nach Walker, 1973. Rechts: Übersicht über die Eruptionsprodukte bei Vulkanausbrüchen ©eskp.de unter cc-by

Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf das Klima

Interessant zu wissen ist zudem, was bei einem Vulkanausbruch in die Erdatmosphäre abgegeben wird.  Vulkanische Aschen und Gase verteilen sich in den höheren Atmosphärenschichten. Die feinen Partikel vermindern die Sonneneinstrahlung und sogenannte Aerosole sind in der Lage UV-Strahlung zu reflektieren, als Folge sinken die Temperaturen. Bei einem Ausbruch wird Kohlendioxid gefördert, ein Treibhausgas mit gegenteiligem Effekt.
Vulkanausbrüche dürfen nicht als singuläres Ereignis gewertet werden. Ein gutes Beispiel ist das Jahr ohne Sommer, 1816. Schuld daran soll der Ausbruch des Tambora gehabt haben, der ein Jahr zuvor ausbrach mit einem VEI von 7. Forscher haben festgestellt, dass Staubteilchen, die nach einem Vulkanausbruch in die Atmosphäre gelangen, die Streuung des Sonnenlichts beeinflussen mit positivem Effekt auf die Photosynthese. Es ist also wichtig, die Vulkanforschung in einen grossen Zusammenhang zu stellen. Wirklich weit ist man in dieser Hinsicht noch nicht!

 

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Die Lösung

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