Z-Edu-Geo 1 - Das System Erde - Exam

Aufgabe 1)

Erdkruste und Erdmantel: Aufbau und DifferenzierungDie äußeren Schichten der Erde bestehen aus der Erdkruste (fest) und dem Erdmantel (viskos). Diese unterscheiden sich durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Die Erdkruste hat eine Dicke von 5-70 km und setzt sich aus ozeanischer (dünner, dichter) und kontinentaler (dicker, weniger dicht) Kruste zusammen. Der Erdmantel hat eine Dicke von ca. 2.900 km und besteht aus dem oberen (Lithosphäre und Asthenosphäre) und unteren Mantel. Er besteht aus Silikatgestein, das reich an Magnesium und Eisen ist. Der Übergang zwischen Erdkruste und Erdmantel wird als Mohorovičić-Diskontinuität (Moho) bezeichnet.

a)

Beschreibe den chemischen Unterschied zwischen der ozeanischen und kontinentalen Erdkruste. Welche Elemente und Mineralien sind jeweils vorherrschend und wie beeinflusst dies die physikalischen Eigenschaften der beiden Erdkrustentypen?

Lösung:

• Chemische Unterschiede zwischen ozeanischer und kontinentaler Erdkruste:

• Ozeanische Erdkruste:

• Die ozeanische Kruste besteht hauptsächlich aus basischen Gesteinen wie Basalt und Gabbro.
• Hauptbestandteile: Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Calcium (Ca) und Aluminium (Al).
• Basalt enthält Mineralien wie Pyroxene, Olivine und Plagioklas.

• Kontinentale Erdkruste:

• Die kontinentale Kruste besteht hauptsächlich aus felsischen Gesteinen wie Granit und Gneis.
• Hauptbestandteile: Siliziumdioxid (SiO₂), Aluminium (Al), Kalium (K), Natrium (Na) und geringe Mengen Eisen (Fe) und Magnesium (Mg).
• Granit enthält Mineralien wie Quarz, Feldspäte (Plagioklas und Orthoklas) und Glimmer.

• Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften:

• Die ozeanische Kruste ist dichter (etwa 3,0 g/cm³) als die kontinentale Kruste (etwa 2,7 g/cm³), da sie reich an dichteren Mineralien wie Pyroxen und Olivin ist.
• Die ozeanische Kruste ist dünner (ca. 5-10 km) im Vergleich zur kontinentalen Kruste (ca. 30-70 km), was auf den unterschiedlichen Gehalt an leichten vs. schweren Elementen zurückzuführen ist.
• Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung führt zu unterschiedlichen Schmelzpunkten: Ozeanische Kruste schmilzt bei höheren Temperaturen als die kontinentale Kruste.

c)

Erkläre, welche physikalischen Eigenschaften den oberen Mantel (Lithosphäre und Asthenosphäre) vom unteren Mantel unterscheiden und welche Rolle diese Unterschiede im Zusammenhang mit der Subduktion und Mantelkonvektion spielen.

Lösung:

• Physikalische Eigenschaften des oberen Mantels (Lithosphäre und Asthenosphäre) im Vergleich zum unteren Mantel:
• Die Lithosphäre ist die äußerste Schicht des oberen Mantels und umfasst die Erdkruste. Sie ist fest und elastisch.
• Die Asthenosphäre liegt direkt unter der Lithosphäre und ist teils viskos und teils plastisch. Hier sind die Temperaturen höher, was die Gesteine schwächer und verformbarer macht.
• Der untere Mantel befindet sich unterhalb der Asthenosphäre und erstreckt sich bis zur äußeren Kern-Mantel-Grenze. Er ist aufgrund des höheren Drucks trotz hoher Temperaturen fester als die Asthenosphäre.

• Rolle der Unterschiede im Zusammenhang mit Subduktion und Mantelkonvektion:
• Die Festigkeit der Lithosphäre ermöglicht es ihr, zusammen mit der darüberliegenden Kruste als feste Platte zu agieren. Diese Platten der Lithosphäre bewegen sich auf der darunterliegenden, plastischen Asthenosphäre.
• Bei der Subduktion sinken dichtere ozeanische Platten unter weniger dichte kontinentale Platten oder andere ozeanische Platten in die Asthenosphäre und den darunterliegenden Mantel. Dies führt zu Vulkanismus, Erdbeben und der Bildung von Gebirgsketten.
• Die plastischen Eigenschaften der Asthenosphäre ermöglichen es ihr, sich konvektiv zu bewegen. Diese Mantelkonvektion entsteht durch Temperatur- und Dichteunterschiede, die Material im Erdmantel aufsteigen und absinken lassen.
• Die Konvektion in der Asthenosphäre wirkt als Motor für die Bewegung der Lithosphärenplatten und somit für die Plattentektonik.
• Im unteren Mantel findet ebenfalls eine langsame Konvektion statt, allerdings wirkt der höhere Druck hemmend auf die Fließfähigkeit im Vergleich zur Asthenosphäre. Dennoch spielen diese Konvektionsströmungen eine wichtige Rolle bei der Thermodynamik des Erdmantels.

Aufgabe 2)

Plattentektonik beschreibt die Bewegung der Erdplatten und die daraus resultierenden geologischen Phänomene. Konvektion im Erdmantel treibt die Plattenbewegung an. Es gibt drei Haupttypen von Plattengrenzen: divergente, konvergente und Transformstörungen. Erdbeben treten häufig an diesen Grenzen auf. Plattenkollisionen führen zur Bergbildung und Vulkanismus. Die Plattenbewegungen können mithilfe von GPS gemessen werden. Schubkraft des Rückzugs und Plattenwiderstand sind die wichtigsten treibenden Kräfte der Plattenbewegung, die mit wenigen Zentimetern pro Jahr abläuft. Langfristige Folgen dieser Bewegungen sind die Kontinentaldrift und die Formung von Ozeanen und Gebirgen. Das Prinzip des \textit{Seafloor Spreading} erklärt die Bildung neuer ozeanischer Kruste an mittelozeanischen Rücken und Subduktionszonen beschreiben das Eintauchen einer Platte unter eine andere, was zum Recycling der ozeanischen Kruste führt.

a)

Erkläre detailliert die Konzepte von \textit{Seafloor Spreading} und Subduktionszonen. Welche geologischen Merkmale sind typischerweise mit diesen Prozessen verbunden?

Lösung:

Seafloor Spreading und Subduktionszonen sind zwei wichtige Konzepte der Plattentektonik. Hier sind detaillierte Erklärungen zu beiden Konzepten:

• Seafloor Spreading: Seafloor Spreading, zu Deutsch Meeresbodenspreizung, ist ein Prozess, bei dem neue ozeanische Kruste gebildet wird. Dies geschieht an den mittelozeanischen Rücken, wo sich zwei tektonische Platten voneinander weg bewegen. Durch diese Divergenz steigt heißes Mantelmaterial an die Oberfläche, kühlt ab und bildet neue Kruste.
• Typische geologische Merkmale von Seafloor Spreading sind:
  • Mittelozeanische Rücken: Diese unterseeischen Gebirgszüge bilden die längsten Gebirgsketten der Welt.
  • Magmatische Aktivität: Durch das Heraustreten von Magma entstehen neue Gesteine, meist Basalte.
  • Symmetrische Muster von Magnetstreifen in der ozeanischen Kruste: Diese entstehen durch das Abkühlen und Aushärten des Magmas, welches das magnetische Feld der Erde speichert.
  • Hydrothermale Quellen: Heißes Wasser, das durch Risse im Meeresboden zirkuliert, tritt wieder an die Oberfläche und bildet oft mineralreiche Ablagerungen.
• Subduktionszonen: Subduktionszonen sind Regionen, in denen eine tektonische Platte unter eine andere abtaucht. Dies geschieht gewöhnlich, wenn eine ozeanische Platte unter eine kontinentale oder eine andere ozeanische Platte geschoben wird. Das Eintauchen der Platte in den Erdmantel führt zum Recycling der ozeanischen Kruste.
• Typische geologische Merkmale von Subduktionszonen sind:
  • Tiefseegräben: Diese tiefen, lang gestreckten Depressionen am Meeresboden kennzeichnen die Subduktionszonen.
  • Vulkanische Gebirgsketten: Diese entstehen durch das Aufsteigen von Magma, das durch die Subduktion erzeugt wird.
  • Erdbeben: Subduktionszonen sind häufige Schauplätze von Erdbeben, da die Platten in diesen Bereichen stark interagieren.
  • Gebirgsbildung: Wenn eine ozeanische Platte unter eine kontinentale Platte subduziert, kann dies zur Bildung von Gebirgen führen.
  • Metamorphose: Gesteine, die in die Tiefe gezogen werden, erfahren durch Druck und Temperaturveränderungen Metamorphose.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Seafloor Spreading und Subduktionszonen wichtige Prozesse in der Erdkruste sind, die zur Bildung und zum Recycling von ozeanischer Kruste beitragen und verschiedene geologische Merkmale verursachen.

b)

Nehmen wir an, ein GPS-Messgerät zeigt, dass sich eine Erdplatte mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/Jahr bewegt. Berechne die gesamte Verschiebung dieser Erdplatte über einen Zeitraum von 100 Millionen Jahren. Welche geologischen Veränderungen könnten sich in diesem Zeitraum ereignen?

Lösung:

Um die gesamte Verschiebung einer Erdplatte über einen Zeitraum von 100 Millionen Jahren zu berechnen, wenn die Geschwindigkeit 5 cm/Jahr beträgt, gehen wir Schritt für Schritt vor:

• Berechnung der gesamten Verschiebung: Die Geschwindigkeit der Plattenbewegung beträgt 5 cm/Jahr. Der Zeitraum beträgt 100 Millionen Jahre (das sind 100.000.000 Jahre).
  • Gesamte Verschiebung = Geschwindigkeit der Bewegung × Zeitraum
  • Gesamte Verschiebung = 5 cm/Jahr × 100.000.000 Jahre
  • Gesamte Verschiebung = 500.000.000 cm Um die Einheit für geologische Maßstäbe anschaulicher zu machen, konvertieren wir Zentimeter in Kilometer: 1 cm = 0,00001 km Gesamte Verschiebung = 500.000.000 cm × 0,00001 km/cm = 5000 km
• Geologische Veränderungen über 100 Millionen Jahre: Eine Verschiebung von 5000 km über einen Zeitraum von 100 Millionen Jahren kann zu einer Vielzahl von geologischen Veränderungen führen. Einige mögliche Veränderungen sind:
  • Bildung neuer Ozeane: Bei divergenten Plattengrenzen (z.B. mittelozeanischen Rücken) kann die Kruste auseinanderdriften und neue Ozeane bilden.
  • Gebirgsbildung: Bei konvergenten Plattengrenzen kann die Kollision von Platten zur Bildung von Gebirgen führen, z.B. der Himalaya, der durch die Kollision der Indischen und der Eurasischen Platte entstanden ist.
  • Vulkanausbrüche: Subduktionszonen verursachen vulkanische Aktivität, da die abtauchende Platte hohe Temperaturen erreicht und schmilzt, was Magma entstehen lässt.
  • Erdbeben: Die Bewegung und Interaktion der Platten kann Spannungen aufbauen und zur Freisetzung dieser Spannungen in Form von Erdbeben führen.
  • Verschiebung der Kontinente: Durch die kontinuierliche Bewegung können Kontinente auseinanderdriften oder aufeinander zu treiben, eine langfristige Folge der Kontinentaldrift.
  • Änderungen von Klimazonen: Die Verschiebung von Platten kann auch Klimazonen beeinflussen, da Kontinente neue Breitengrade erreichen können.

Zusammengefasst kann die Bewegung einer Erdplatte über einen Zeitraum von 100 Millionen Jahren erhebliche geologische Veränderungen hervorrufen, die die Oberfläche der Erde nachhaltig gestalten und prägen.

c)

Erdbeben treten häufig an Plattengrenzen auf. Wähle eine spezifische Plattengrenze (z.B. San Andreas Verwerfung) und analysiere die Mechanismen, die zu Erdbeben in diesem Bereich führen. Diskutiere auch, welche Maßnahmen ergriffen werden könnten, um die Schäden durch Erdbeben in dieser Region zu minimieren.

Lösung:

Eine spezifische Plattengrenze, an der häufig Erdbeben auftreten, ist die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien, USA. Diese Verwerfung ist eine Transformstörung, bei der die Pazifische Platte und die Nordamerikanische Platte aneinander vorbeigleiten.

• Mechanismen, die zu Erdbeben in der San-Andreas-Verwerfung führen:
  • Bei der San-Andreas-Verwerfung handelt es sich um eine transformierende Plattengrenze, an der die Platten horizontal aneinander vorbei gleiten. Diese Bewegung verursacht Reibung und Spannungsaufbau entlang der Plattengrenze.
  • Die Platten bewegen sich nicht kontinuierlich, sondern verklemmen sich häufig. Wenn die aufgestaute Spannung die Reibungskräfte überwindet, kommt es zu einer plötzlichen Bewegung entlang der Verwerfungslinie. Dies setzt die aufgestaute Energie in Form eines Erdbebens frei.
  • Die San-Andreas-Verwerfung erstreckt sich über etwa 1300 Kilometer und verläuft durch dicht besiedelte Gebiete, was das Erdbebenrisiko erhöht.
• Maßnahmen zur Minimierung der Schäden durch Erdbeben:
  • Erdbebensichere Bauweise: Gebäude sollten nach modernen Bauvorschriften errichtet werden, die Erdbebenresistenz berücksichtigen. Dies umfasst flexible Fundamente und verstärkte Strukturen, die die seismischen Kräfte absorbieren können.
  • Früherkennungssysteme: Die Installation von Frühwarnsystemen kann wertvolle Sekunden oder sogar Minuten Vorsprung verschaffen, um Menschen zu warnen und in Sicherheit zu bringen.
  • Öffentliche Aufklärung: Bildung und Vorbereitung der Bevölkerung durch regelmäßige Erdbebenübungen und Informationskampagnen können Leben retten. Den Menschen sollte beigebracht werden, was sie während eines Erdbebens tun sollen.
  • Notfallpläne: Entwicklung und Umsetzung von Notfallplänen auf Gemeinde-, Bezirks- und Landesebene ist entscheidend zur Koordinierung der Rettungsmaßnahmen und zur Versorgung der Betroffenen.
  • Verstärkung der Infrastruktur: Kritische Infrastrukturen wie Brücken, Straßen und Versorgungseinrichtungen sollten ebenfalls erdbebensicher gebaut oder nachgerüstet werden, um während und nach einem Erdbeben funktionsfähig zu bleiben.
  • Strengere Bauvorschriften: Durchsetzung und regelmäßige Überprüfung strengerer Bauvorschriften für Neu- und Bestandsbauten, um sicherzustellen, dass diese den neuesten Sicherheitsstandards entsprechen.

Zusammengefasst spielen sowohl die geologischen Mechanismen als auch menschliche Maßnahmen eine entscheidende Rolle bei der Minimierung der Auswirkungen von Erdbeben an der San-Andreas-Verwerfung. Die Kombination aus Vorbereitung, Bildung und technischer Innovation kann das Risiko und die Schäden erheblich reduzieren.

Aufgabe 3)

Der durch menschliche Aktivitäten verursachte Klimawandel führt zu einer globalen Erwärmung und erheblichen Veränderungen im Klimasystem der Erde. Zu den Hauptursachen zählen die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Entwaldung und landwirtschaftliche Praktiken. Diese Aktivitäten setzen erhebliche Mengen an CO₂ und CH₄ in die Atmosphäre frei, was zu einem Treibhauseffekt führt. Die Folgen sind vielfältig: Erwärmung der Atmosphäre und Ozeane, Gletscherschmelze und ein Anstieg des Meeresspiegels, häufiger auftretende und intensivere Wetterextreme wie Dürren und Stürme sowie erhebliche Veränderungen in Ökosystemen und der Biodiversität.

a)

Anteil der CO₂-Emissionen: Berechne den prozentualen Beitrag der CO₂-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur gesamten CO₂-Konzentration, wenn bekannt ist, dass jährlich 35 Gigatonnen CO₂ durch fossile Brennstoffe emittiert werden und die gesamte jährliche CO₂-Emission 40 Gigatonnen beträgt.

Lösung:

Um den prozentualen Beitrag der CO₂-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur gesamten CO₂-Konzentration zu berechnen, folge diesen Schritten:

• Schritt 1: Verwende die folgende Formel:

 Prozentualer Beitrag (%) = (\frac{CO₂\text{ Emissionen durch fossile Brennstoffe}}{\text{Gesamte CO₂-Emissionen}} \times 100) 

• Schritt 2: Setze die gegebenen Werte in die Formel ein:
• CO₂-Emissionen durch fossile Brennstoffe = 35 Gigatonnen
• Gesamte CO₂-Emissionen = 40 Gigatonnen

• Schritt 3: Berechne den prozentualen Beitrag:
• Prozentualer Beitrag (%) = (\frac{35}{40} \times 100)
• = (0,875 \times 100)
• = 87,5%

Also, der prozentuale Beitrag der CO₂-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur gesamten CO₂-Konzentration beträgt 87,5%.