Erde

Grunddaten, Bahn und Rotation

Die Erde ist der dichteste, fünftgrößte und der Sonne drittnächste Planet des Sonnensystems. Sie ist etwa 4,54 Milliarden Jahre alt, hat einen Durchmesser von mehr als 12 700 km und eine Masse von 5,9722 · 10^24 kg. Ihre mittlere Dichte beträgt 5,513 g/cm³. Wegen ihres geochemischen Aufbaus gehört sie zu den erdähnlichen beziehungsweise terrestrischen Planeten. Die gasförmige Atmosphäre, die großen Ozeane und Kontinente lassen sie aus dem All vorwiegend blau erscheinen; daher heißt sie auch „Blauer Planet“.

Die Erde bewegt sich prograd, also in derselben Richtung wie die Sonnenrotation, auf einer elliptischen Bahn um die Sonne. Die große Halbachse beträgt 1 AE beziehungsweise etwa 149,6 Mio. km. Der sonnennächste Punkt heißt Perihel und liegt bei 0,983 AE (147,1 Mio. km), der sonnenfernste Punkt heißt Aphel und liegt bei 1,017 AE (152,1 Mio. km). Die Exzentrizität der Bahn beträgt 0,0167. Das Perihel wird um den 3. Januar, das Aphel um den 5. Juli durchlaufen. Ein Umlauf dauert 365 Tage, 6 Stunden, 9 Minuten und 9,54 Sekunden; dies ist das siderische Jahr. Die mittlere Bahngeschwindigkeit beträgt 29,78 km/s.

Die Erde dreht sich prograd nach Osten. Ein siderischer Tag, also eine Drehung relativ zu den Fixsternen, dauert 23 Stunden, 56 Minuten und 4,09 Sekunden. Der Sonnentag zwischen zwei Sonnenhöchstständen ist wegen des gleichzeitigen Umlaufs um die Sonne länger und wird in 24 Stunden eingeteilt. Die Rotation verursacht eine Fliehkraft: Die Erde ist an den Polen abgeplattet und am Äquator ausgebeult. Der Äquatordurchmesser beträgt 12 756,320 km, der Poldurchmesser 12 713,504 km.

Die Erdachse ist um 23°26′ gegen die Senkrechte zur Erdbahnebene geneigt. Diese Neigung ist die wichtigste Ursache der Jahreszeiten. Gezeitenkräfte von Mond und Sonne lassen die Achse außerdem langsam kreiseln: Die lunisolare Präzession hat eine Periode von 25 700 bis 25 800 Jahren. Eine zusätzliche „nickende“ Bewegung mit 18,6 Jahren Periode heißt Nutation. Ebbe und Flut entstehen vor allem durch den Mond, der Einfluss der Sonne ist etwa halb so groß. Gezeitenreibung verlängert den Tag um etwa 20 Mikrosekunden pro Jahr und vergrößert den Mondabstand um etwa vier Zentimeter pro Jahr.

Innerer Bau, Oberfläche und Magnetfeld

Massenanteilig besteht die Erde vor allem aus Eisen (32,1 %), Sauerstoff (30,1 %), Silizium (15,1 %) und Magnesium (13,9 %); weitere wichtige Anteile sind Schwefel (2,9 %), Nickel (1,8 %), Calcium (1,5 %) und Aluminium (1,4 %). Seismische Messungen unterscheiden drei Schalen: Erdkern, Erdmantel und Erdkruste. Sie werden durch seismische Diskontinuitätsflächen, also Unstetigkeitsflächen für Erdbebenwellen, getrennt. Erdkruste und oberster Mantel bilden gemeinsam die 50 bis 100 km dicke Lithosphäre. Sie ist in tektonische Platten gegliedert, die sich auf der 100 bis 150 km mächtigen, teils aufgeschmolzenen und zähflüssigen Asthenosphäre gegeneinander bewegen.

Die Erdoberfläche umfasst etwa 510 Mio. km². Davon sind 360 570 000 km² oder 70,7 % Wasserfläche und 149 430 000 km² oder 29,3 % Landfläche. 96,5 % des gesamten Erdwassers befinden sich in den Meeren, deren Wasser durchschnittlich 3,5 % Salz enthält. Die sieben Kontinente sind nach Größe Asien, Afrika, Nordamerika, Südamerika, Antarktika, Europa und Australien. Das Weltmeer wird allgemein in Pazifik, Atlantik und Indik einschließlich Nebenmeeren eingeteilt. Das Witjastief 1 im Marianengraben liegt 11 034 m unter dem Meeresspiegel; die mittlere Meerestiefe beträgt 3 800 m.

Je nach Messweise gibt es unterschiedliche höchste Berge: Über dem Meeresspiegel ist es der Mount Everest, vom Erdmittelpunkt aus der äquatornahe Chimborazo und von der jeweiligen Basis aus der Mauna Kea. Der Äquatorumfang beträgt 40 075,017 km, der Meridianumfang 40 007,863 km.

Das Magnetfeld der Erde wird durch einen Geodynamo erzeugt und ähnelt nahe der Oberfläche einem magnetischen Dipol. Seine magnetischen Pole stimmen nicht genau mit den geografischen Polen überein; 2007 war die Magnetfeldachse etwa 11,5° gegen die Erdachse geneigt. Außerhalb der Atmosphäre wird das Feld durch den Sonnenwind gestaucht.

Atmosphäre, Klima und Jahreszeiten

Die Atmosphäre geht ohne scharfe obere Grenze in den Weltraum über. Ihre Masse beträgt etwa 5,148 × 10^18 kg, knapp ein Millionstel der Erdmasse. Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe beträgt unter Standardbedingungen 1.013,25 hPa. Am Boden bestehen etwa 78 Vol.-% aus Stickstoff, 21 Vol.-% aus Sauerstoff und 1 Vol.-% aus Edelgasen, überwiegend Argon; außerdem gibt es Wasserdampf. Kohlendioxid macht etwa 0,04 Vol.-% aus und ist durch menschlichen Einfluss gestiegen. Die mittlere Temperatur in Bodennähe beträgt 15 °C. Als gemessene Extreme nennt der Artikel −89,2 °C an der Wostok-Station am 21. Juli 1983 und 56,7 °C im Death Valley am 10. Juli 1913.

Die Atmosphäre streut blaues Sonnenlicht stärker als rotes, weshalb der Himmel bei hohem Sonnenstand blau erscheint. Meere wirken vom All ebenfalls blau, vor allem weil Wasser rotes Licht stärker absorbiert; die Spiegelung des Himmels ist nur nebensächlich.

Die Sonneneinstrahlung gliedert die Erde in Klimazonen: Polarzone von den Polen bis 66,56° mit etwa 0 °C mittlerer Temperatur, gemäßigte Zone von 66,56° bis 40° mit etwa 8 °C, Subtropen von 40° bis 23,5° mit etwa 16 °C und Tropen von 23,5° bis zum Äquator mit etwa 24 °C. Mit wachsender Entfernung vom Äquator und vom nächsten Ozean schwanken die Temperaturen jahreszeitlich stärker. Die Polarzonen sind durch Schnee, Eis, Polarlicht, Polartag und Polarnacht geprägt; ihre Vegetation reicht von Kältewüsten bis Tundren. In der gemäßigten Zone sind Jahreszeiten und Tageslängen besonders deutlich; typische Vegetation sind Nadel-, Misch- und Laubwälder, Steppen sowie winterkalte Halbwüsten und Wüsten. Subtropen besitzen tropische Sommer und nichttropische Winter und umfassen trockene, winterfeuchte, sommerfeuchte und immerfeuchte Formen. Tropen liegen zwischen den Wendekreisen; Tag und Nacht dauern dort etwa 10,5 bis 13,5 Stunden. Nur wechselfeuchte Tropen haben Trocken- und Regenzeit; dort konzentriert sich die größte Artenvielfalt.

Die Jahreszeiten entstehen durch die Achsneigung und die dadurch wandernde senkrechte Sonnenstellung zwischen den Wendekreisen. Am 21. Dezember steht die Sonne über dem Wendekreis des Steinbocks, am 21. Juni über dem Wendekreis des Krebses. Um den 19. bis 21. März sowie am 22. oder 23. September steht sie über dem Äquator; dies sind die Tagundnachtgleichen. Meteorologisch beginnen Jahreszeiten jeweils am Monatsanfang vor diesen astronomischen Daten.

Der globale Energiehaushalt wird fast vollständig von Sonneneinstrahlung und Wärmestrahlung der Erde und Atmosphäre bestimmt. Die mittlere sphärische Albedo beträgt 0,294. Daraus ergibt sich eine effektive Temperatur von etwa 255 K (−18 °C); der atmosphärische Treibhauseffekt erhöht die mittlere Bodentemperatur auf etwa 288 K (15 °C). Wasser und Kohlendioxid tragen wesentlich zu diesem Effekt bei.

Entstehung und Leben

Die Erde entstand vor etwa 4,54 Milliarden Jahren bei der Verdichtung des Sonnennebels. Während der ersten 100 Millionen Jahre wurde sie vermutlich intensiv von Asteroiden bombardiert. Einschlagsenergie und radioaktiver Zerfall erhitzten die junge Erde weitgehend bis zum Aufschmelzen. Anschließend trennte sie sich durch gravitative Differentiation: Schwere Elemente, besonders Eisen, sanken zum Zentrum und bildeten den Kern; leichtere Elemente wie Sauerstoff, Silizium und Aluminium stiegen auf und bildeten vor allem silikatische Minerale der Erdkruste.

Die Herkunft des Wassers ist nicht befriedigend geklärt. Ein Teil könnte als Wasserdampf aus Magma ausgegast sein. Weitere Anteile könnten durch Kometen, transneptunische Objekte oder wasserreiche Asteroiden eingebracht worden sein. Das Verhältnis der Isotope Deuterium und Protium (D/H-Verhältnis) deutet eher auf Asteroiden: Kohlige Chondrite besitzen ähnliche Werte wie Ozeanwasser, während die bisher gemessenen Werte von Kometen und transneptunischen Objekten nicht übereinstimmen.

Die Erde ist der einzige bekannte Planet mit Biosphäre, also einer Gesamtheit von Lebensformen und ihren Umweltbeziehungen. Nach dem Ende des schweren Bombardements konnte sich eine stabile Kruste bilden und Wasser sammeln. Mögliche Hinweise auf Stoffwechsel finden sich in 3,85 Milliarden Jahre altem Gestein aus der Isua-Region Grönlands, werden aber nicht von allen Wissenschaftlern anerkannt. Auch als Cyanobakterien gedeutete Strukturen in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen Australiens und Südafrikas sind umstritten. Als älteste eindeutige Lebensspuren nennt der Artikel 1,9 Milliarden Jahre alte Fossilien aus der Gunflint-Formation in Ontario, möglicherweise Bakterien oder Archaeen.

Photosynthese reicherte molekularen Sauerstoff in der Atmosphäre an und gab ihr ihren oxidierenden Charakter. Die Pflanzendecke beeinflusst zudem die Albedo und damit die Energiebilanz. Leben, Klima sowie geologische und hydrologische Bedingungen stehen in dauernder Wechselwirkung; beschreibbar ist dies unter anderem durch Biome, Ökosysteme und Biotope.

Mond und weitere Begleiter

Der Mond ist der natürliche Satellit der Erde. Sein mittlerer Durchmesser beträgt 3 476 km; das Verhältnis zum mittleren Erddurchmesser von 12 742 km ist 0,273 und für einen Planetensatelliten ungewöhnlich groß. Wissenschaftliche Überlegungen sprechen dafür, dass er durch den Zusammenstoß der Proto-Erde mit dem marsgroßen Protoplaneten Theia entstand.

Der Mond stabilisiert die Neigung der Erdachse. Sie schwankt mit ± 1,3° um 23,3°. Ohne den Mond wäre die Präzessionsperiode etwa dreimal so lang und läge nahe mehreren durch andere Planeten verursachten Störungen. Rechnungen zeigen dann instabile Achsneigungen zwischen 0° und etwa 85°; eine typische Schwankung von 0° bis 60° würde weniger als 2 Millionen Jahre benötigen. Durch seine Stabilisierung fördert der Mond beständige Jahreszeiten und damit günstige Bedingungen für die Entwicklung des Lebens.

Neben dem Mond gibt es kleinere koorbitale Asteroiden, die zusammen mit der Erde die Sonne umkreisen. Sie können als Trojaner an den Lagrange-Punkten L4 und L5, auf Hufeisenbahnen, als Quasisatelliten oder zeitweise als zweite Erdmonde auftreten. Der etwa 300 m große (706765) 2010 TK7 ist der bisher einzige entdeckte natürliche Trojaner der Erde. Beispiele sind ferner (419624) 2010 SO16 und 2002 AA29 auf Hufeisenbahnen sowie der etwa 100 m große Quasisatellit (469219) Kamoʻoalewa. 2003 YN107 könnte 2120 vorübergehend eingefangen werden. Stand 2019 befanden sich zudem tausende künstliche Satelliten und etwa eine Million mehr als 1 cm große Stücke Weltraumschrott im Erdorbit.

Menschlicher Einfluss und ferne Zukunft

Die Gattung Homo existiert seit rund 3 bis 2 Millionen Jahren, der anatomisch moderne Mensch seit rund 300.000 Jahren. Mit Pflanzenbau und Nutztierhaltung verdrängten Kulturpflanzen und -tiere zunehmend Wildformen. Spätestens seit der industriellen Revolution verändert der Mensch die Erdoberfläche stark, etwa durch Industrie- und Verkehrsflächen. Umweltverschmutzung und -zerstörung nahmen im 20. Jahrhundert weltweit rasch zu.

Die Weltbevölkerung wuchs von etwa 1,8 Milliarden Menschen 1920 auf knapp 6,7 Milliarden 2008 und rund 8,0 Milliarden 2022. Die UNO erwartete für 2050 etwa 9,7 Milliarden und für 2100 10,9 Milliarden Menschen. Mehr Konsum benötigt mehr Energie, die überwiegend aus fossilen Energieträgern stammt. Das steigende Kohlendioxid verstärkt als Treibhausgas den anthropogenen Klimawandel. Der Artikel nennt häufigere und stärkere Wetterereignisse, Meeresspiegelanstieg durch schmelzendes Inlandeis und Wärmeausdehnung des Wassers sowie eine Verschiebung der Klima- und Vegetationszonen nach Norden als Folgen. Die „zweite Warnung an die Menschheit“ vom 13. November 2017, unterzeichnet von 15 372 Wissenschaftlern aus 184 Ländern, sah außer bei Ozonschichtschutz und Fischfangquoten keine realen Fortschritte und warnte besonders vor Klimaerwärmung, Entwaldung, toten Gewässern und Artenverlust.

Die ferne Zukunft ist an die Entwicklung der Sonne gebunden. Ihre Leuchtkraft soll in den nächsten 1,1 Milliarden Jahren um etwa 10 % und nach 3,5 Milliarden Jahren um 40 % zunehmen. Bei der Annahme, dass dies der Haupteinfluss ist, könnte die Erde noch etwa 500 Millionen Jahre ähnlich wie heute belebt bleiben. Danach könnte ein sich selbst verstärkender Treibhauseffekt einsetzen. In etwa 900 Millionen Jahren könnte CO2 auf etwa 10 ppm sinken, verglichen mit 280 ppm in vorindustrieller Zeit, sodass Pflanzen in heutiger Form und danach auch Tiere aussterben. Nach einer weiteren Milliarde Jahre soll das Oberflächenwasser verschwunden sein und die globale Durchschnittstemperatur +70 °C erreichen. Wenn die Sonne in etwa sieben Milliarden Jahren zum Roten Riesen wird, wird die Erde nach dieser Darstellung durch Gezeitenwirkungen in die Sonne stürzen und verglühen.