Animation: Das Auseinanderbrechen von Pangäa

Die Animation zeigt die plattentektonische Entwicklung der letzten 230 Millionen Jahre (Müller et al., 2016), rekonstruiert mittels GPlates (www.gplates.org). In dieser Plattenrekonstruktion sind zur Orientierung heutigen politischen Grenzen und Topographie dargestellt (Amante & Eakins, 2009, Abbildungen: S. Brune, GFZ).

Das Auseinanderbrechen von Pangäa wurde vor etwa 200 Millionen Jahren eingeleitet. Vor etwa 150 Millionen hatte sich der Atlantische Ozean schon teilweise geöffnet und der Nordkontinent Laurasia weitgehend vom Südkontinent Gondwana getrennt. Indien, die Antarktis und Australien begannen sich von Afrika zu lösen. Vor 100 Millionen Jahren hatte sich der Südatlantik bereits geöffnet. Indien bewegte sich nach Norden in Richtung Asien.

Download: Animation

Referenzen: Amante, C., & Eakins, B. W. (2009). ETOPO1 1 Arc-Minute Global Relief Model: Procedures, Data Sources and Analysis. NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC-24. National Geophysical Data Center, NOAA. (https://doi.org/10.7289/V5C8276M)

Müller, R. D., Seton, M., Zahirovic, S., Williams, S. E., Matthews, K. J., Wright, N. M., et al. (2016). Ocean Basin Evolution and Global-Scale Plate Reorganization Events Since Pangea Breakup. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 44(1), 107–138. (

System Erde - endogene und exogene Einflüsse: Unser dynamischer Planet als "System Erde" mit seinen im Erdinneren und an der Oberfläche ablaufenden Prozessen.

Innerer Aufbau der Erde:  Der heiße Erdkern besteht aus einem festen inneren ( Temperaturen bis zu 5000 °C) und einem flüssigen äußeren Kern. Darüber wölbt sich der Erdmantel (Temperatur an der Kern/Mantel-Grenze über 3000 °C). Die Erdkruste mit einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 40 km ist die dünne äußere Haut des Planeten und unser Lebensraum. Die enorme Hitze im Erdinnern ist der Motor für die Plattentektonik und im weiteren Sinn für fast alle dynamischen Prozesse des Erdkörpers.

Plattentektonische Bewegung:  Die großen Lithosphärenplatten und ihre Bewegungsrichtungen auf Basis von 23 Jahren (1994 - 2016) GPS-Messung

Globale Verteilung von Erdbeben & Vulkanen: Die globale Verteilung von Vulkanen und Erdbeben ist eng an die kontinentalen Plattengrenzen geknüpft. An Land gelten etwa 1500 Vulkane als potentiell aktiv. Rote Dreiecke = Vulkane, violette Punkte = Erdbeben

Weltkarte der Erdbebengefährdung:  Im Projekt GSHAP (Global Seismic Hazard Programme) wurde die Weltkarte der Erdbebengefährdung erstellt. Dargestellt (farbig) ist die Wahrscheinlichkeit des Überschreitens von Klassen der Horizontalbeschleunigung bei Erdbeben.
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Seismische Gefährdungskarte Europa: Die Karte ist Teil der Globalen Seismischen Gefährdungskarte (Grünthal et al., 1999) und zeigt die seismische Gefährdung als Spitzenbodenbeschleunigung (PGA, ms-2) mit einer 10% Überschreitenswahrscheinlichkeit in 50 Jahren was einer Wiederkehrperiode von 475 Jahren entspricht. 

Erdbeben in Europa:  Dargestellt sind die Epizentren der katalogisierte Beben für Magnituden Mw ≥ 6  der letzten 1000 Jahre sowie Plattengrenzen (rot) und ausgewählte Bruchstörungen erster Ordnung (schwarz). Quelle GFZ-EMEC (European-Mediterranean Earthquake Catalogue for the last millennium)  

Erdbebengefährung in der Türkei:   Die kleine Anatolische Platte wird zwischen der nordwärts driftenden Arabischen Platte und der eurasischen Platte nach Westen verschoben (Seitenverschiebung). Dadurch entstehen an der Nordanatolischen Verwerfungszone Spannungen, die sich in schweren Erdbeben entladen. Im Bereich der Nordanatolischen Störung forderten allein 1999 zwei Beben mit Stärken über M = 7,5 mehr als 19.000 Todesopfer.

Erdbebenfolge Nepal 25.04. und 12.05.2015: Auf dem Poster finden Sie ausführliche Informationen zur Erdbebenfolge in Nepal (25.4. und 12.5.2015). Weitere Erdbebenposter  werden auf den Seiten der Sektion 2.1 Erdbeben- und Vulkanphysik zur Verfügung gestellt.

Subduktionsprozess und Sumatra-Tsunami 2004: Am Sundagraben schiebt sich mit 6 - 8cm/Jahr die Indisch-Australische Platte unter die Eurasische Erdplatte.  Durch das Abtauchen der Indischen Platte unter Eurasien wurde Sumatra nach unten gebogen. Der spannungsbedingte Bruch führte zu einem ruckartigen Emporschnellen des Meeresbodens. Dieser Vertikalimpuls erzeugte den Tsunami. 

Animation der Erdbebenfolge vor Sumatra, 26.12.2004
Animation der Verteilung und Stärke der Erdbeben zwischen dem 26.12.2004 und 10.01.2005 (Abbildung: GFZ).

Modellierung des Tsunami vom 26.12.2004 vor Sumatra

Vollständige Animation in hoher Auflösung

Animation Vor- Haupt- und Nachbeben in Japan, 11.03.2011
Animation der Verteilung und Stärke der Vor- und Nachbeben zwischen dem 08. und 16.03.2011. Der GEOFON-Erdbebeninformationsdienst des GFZ registrierte bis Ende Februar 2012 insgesamt 1538 Nachbeben des Tohoku-Erdbebens vom 11. März 2011, davon 56 mit Magnitude 6 und größer. (Abbildung: GFZ)

Ausbreitung und Wellenhöhen des Tsunami vom 11.03. 2011:  Diese Modellrechnung zeigt die Stärke und Ausbreitung des Tsunami, der die Sendai-Provinz und das Atomkraftwerk Fukushima traf. Tsunami wandern nahezu ungestört durch ganze Weltmeere.

Weltweit erste Fernaufzeichnung eines Erdbebens:  Dem jungen Wissenschaftler Ernst von Rebeur-Paschwitz gelang am 17. April 1889 die weltweit erste Fernaufzeichnung eines Erdbebens. Auf dem Potsdamer Telegrafenberg, dem heutigen Sitz des Deutschen GeoForschungsZentrums, registrierte er mit einer Pendelapparatur ein Erdbeben, das sich im Pazifik, nahe Japan, ereignete.

Subduktion einer Kontinentalplatte
Querschnitt durch die Erdkruste und den oberen Erdmantel im Pamir. GFZ-Forscher konnten 2013 erstmals die Subduktion eines Stücks kontinentaler Platte unter eine kontinentale Platte direkt beobachten. Das Pamir-Gebirge befindet sich im nördlichsten Teil der Kollisionszone von Indien und Eurasien. An der Kollisionszone treten sowohl flache als auch tiefe  Erdbeben auf (dargestellt durch weiße Kreise).  Die tiefen Beben werden durch die Subduktion der unteren Eurasischen Kruste verusacht. Schwarze Dreiecke: Lage der Seismometerkette. (Abb.: GFZ) 

Bodentiermemory: (Grundschulbereich) Das Memory enthält 21 Tiere und ihre Unterscheidungsmerkmale (Körperlänge, Beinanzahl). Es kann als reines Bildmemory und als Bild-Text-Memory gespielt werden. Download Bodentiermemory

Bodentiere Bestimmungstabelle: (Grundschulbereich) In den oberen Bodenschichten leben viele verschiedene Bodentiere. Diese sind manchmal so klein, dass man sie nur mit der Lupe erkennen kann. Wichtige Identifikations- und Unterscheidungsmerkmale sind die Körperlänge und die Anzahl der Beine.
Die Bestimmungstabelle enthält 21 Tiere und ihre Unterscheidungsmerkmale (Körperlänge, Beinanzahl) und einen Maßstab im mm-Bereich. Verfügbar in den Formaten A3 und A4. Die jeweiligen Dokumente sollten wegen des Maßstabs in der Originalgröße (Tatsächliche Größe in Adobe Acrobat) gedruckt werden.
Download A4Download A3

CHAMP: Der Satellit CHAMP (Challenging Minisatellite Project) maß von Mitte 2000 bis September 2010 das Erdschwere-und -magnetfeld und ermittelt globale vertikale Temperatur- und Wasserdampfverteilungen aus GPS-Radiookkultationsmessungen. CHAMP war der Gründervater einer ganzen Generation von Satelliten und Satelliten-Messverfahren. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) lieferte CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen (Bild: Astrium/GFZ)

GRACE:  Das Hauptziel der GRACE-Mission (Gravity Recovery And Climate Experiment) ist die Vermessung der Erdanziehungskraft und ihrer zeitlichen Veränderung mit bisher unerreichter Genauigkeit über einen Zeitraum von >5 Jahren. Die GRACE-Satelliten sondieren zusätzlich die Erdatmosphäre und ermitteln globale vertikale Temperatur- und Wasserdampfverteilungen aus GPS-Radiookkultationsmessungen. Das aus CHAMP- und GRACE-Daten entstandene Modell der Erdanziehung ist als Potsdamer Kartoffel berühmt geworden. Mit GRACE werden klimabedingte Massenumlagerungen (Eis, Wasser) im System Erde erfasst, z.B. die Eismassenänderung in Grönland oder der Antarktis oder die jahreszeitliche Variation der kontinentalen Wasserspeicherung (Bild: Astrium/GFZ).

SWARM: Die ESA-Satellitenmission SWARM besteht aus einer Konstellation von drei CHAMP-ähnlichen Satelliten, die in drei verschiedenen polaren Orbitbahnen die Erde zwischen 400 und 550 km umrunden. Das Hauptziel der Mission ist die Beobachtung des Erdmagnetfeldes und seiner zeitlichen Veränderung mit bisher unerreichter Genauigkeit. Aus diesen Daten können neue Schlüsse über das Erdinnere und dem erdnahen Weltraum gezogen werden. Jeder Satellit wird hochpräzise und hochaufgelöste Messungen des Betrages und der Richtung des Erdmagnetfeldes liefern. (Abb.:  ESA/AOES Medialab) 

Das unregelmäßige Feld der Anziehungskraft der Erde - Die Potsdamer Schwerekartoffel: Auf Grund der Massenunterschiede im Erdinnern ist die massenabhängige Anziehungskraft nicht überall gleich. Im Bild sind die Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld der Erde in 15.000-facher Überhöhung dargestellt als Abweichungen vom Rotationsellipsoid. Erkennbar ist eine Absenkung des Meeresspiegels südlich von Indien. In diesem Bereich liegt der Meeresspiegel rd. 105 m unter dem Rotationsellipsoid. Die Geoid-Höhen sind über den Ozeanen von dunkelblau (-105 m) bis rot (+85 m) eingefärbt, grün/gelb markiert die Null-Linie. Zur besseren Orientierung sind die Kontinente grau dargestellt. 

Geoidhöhe: Die Geoidhöhe N bezeichnet die Abweichung der Höhenbezugsfläche Normal-Null vom Rotationsellipsoid. Die Geländehöhe H ist definiert als Höhe über Normal-Null und stellt real die Höhe der Topographie über der Geoidhöhe dar. (Abb.: GFZ)

Eismassenverlust und glaziale Isostasie:  Rate der Geoidhöhenänderung über Nordamerika durch glazialisostaische Anpassung und Eismassenverluste in Grönland und Alaska, beobachtet mit GRACE zwischen August 2002 und August 2011. Die glazialisostatische Anpassung beschreibt die Deformation der Erde durch die Eispanzer der letzten Eiszeit. Heute fließt verdrängtes Mantelmaterial zurück in die Gebiete früherer Vereisung (Zunahme der Geoidhöhe; rot). Die Eismassenverluste (Abnahme der Geoidhöhe; blau) in Alaska und Grönland sind zum großen Teil eine direkte Antwort auf die rezente Erwärmung der Polargebiete. 

Glazialisostatische Anpassung:  Durch das Abschmelzen großer Eismassen wird die Lithosphäre entlastet und hebt sich. Das zähflüssige Gestein des oberen Erdmantels fließt nicht so schnell nach. Dadurch entsteht ein lokales Massendefizit.

Atmosphärensondierung mit GPS: CHAMP (2000-2010) war der erste Satellit mit operationeller GPS-Atmosphärensondierung.  Von CHAMP aus gesehen, geht immer gerade einer der 31 GPS-Satelliten hinter der Erde unter. Durch die Atmosphäre wird das Signal dieses Satelliten zu CHAMP hin gebogen. Der Brechungsindex jedes Mediums hängt ab von seiner optischen Dichte. Die Dichte der Atmosphäre wiederum hängt ab von der Temperatur und dem Wasserdampfgehalt. Aus der Brechung des GPS-Signals lässt sich das vertikale atmosphärische Profil der Temperatur und der Feuchte bestimmen. 

Das unregelmäßige Erdmagnetfeld.

Kurzzeitige Umpolung des Erdmagnetfelds während des sogenannten Laschamp-Ereignisses, vor etwa 41.000 Jahren: Das Magnetfeld schwächte sich auf nur 5 % seiner heutigen Stärke ab und mehr kosmische Strahlung erreichte die Erde. Die Feldlinien machen das Ereignis sichtbar. Zeitliche Schwankungen des Erdmagnetfeldes in Stärke und Richtung sind Signale, die in Klang umgewandelt werden können. Die Ausrichtung des Magnetfeldes ist in bestimmten Gesteinsschichten, die sich zu dieser Zeit gebildet haben, eingespeichert. Anhand von Sedimentbohrkernen & vulkanischem Gestein lassen sich Stärke und Richtung analysieren. In der Animation zeigen blaue Bereiche, wo Feldlinien an den magnetischen Polen in die Erde eintreten, rote, wo sie austreten. Es gab sogar Zeiten mit mehr als zwei Polen. Das Magnetfeld der Erde ändert sich ständig in Raum und Zeit. Weil es im flüssigen äußeren Erdkern entsteht, lernen wir aus der Feld-Analyse auch etwas über die Dynamik im Erdinneren.

Download: Animation (mit Sound)

GFZ | Magnetfeldrekonstruktion: Sanja Panovska, Animation: Maximilian Schanner (+UP), Guram Kervalishvili DTU Space | Ton: Der dänische Klangkünstler Klaus Nielsen vermischte Aufnahmen natürlicher Geräusche wie knarrendes Holz & fallende Steine zu vertrauten und fremden Klängen.

Änderung des mittleren Meeresspiegels:   Aus Radaraltimeterdaten abgeleiteter Meeresspiegeltrend (1993 bis 2018) der Missionen Topex, Jason-1 und Jason-2 in mm/Jahr (mit GIA-Korrektur). Seit Beginn globaler Messungen per Satellit (1993) ist der globale Meeresspiegel um etwa 10 Zentimeter angestiegen. Der gemittelte globale Trend seit 2006  beträgt 3,7 (+-0,6) Millimeter pro Jahr. Der Anstieg verläuft aber nicht gleichmäßig. Einem Anstieg im westlichen Zentralpazifik beispielsweise steht ein Absinken des Meeresspiegels an den amerikanischen Westküsten und im Südpazifik gegenüber. 

Globaler CO₂-Kreislauf:  Der geologische Kreislauf des Kohlendioxids. Die Gesteinsverwitterung bindet chemisch das CO₂, das aus Vulkanen ständig entweicht. Über Flüsse gelangt es in die Ozeane, wo es in Kalkablagerungen wie Korallenriffen oder Foraminiferenschlämmen langfristig gebunden wird. Auch in Sedimenten, die reich an organischem Material sind, wird auf dem Umweg über die Photosynthese viel CO₂ entsorgt.

Globaler Beryllium-Zyklus: Mit dem Isotop der Masse 9 des seltenen Elements Beryllium lässt sich die Menge an Sediment, das über Flüsse in die Ozeane eingetragen wird, bestimmen. Das sehr seltene Isotop Beryllium-10 wiederum entsteht in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung in immer gleichen Mengen und gelangt über den Niederschlag in die Ozeane. Schwankt also das Isotopenverhältnis von ¹⁰Be zu ⁹Be, so liegt das nur an Änderungen des Eintrages des aus der Erosion stammenden ⁹Berylliums in das Sediment. Wie Messungen zeigen, hat sich das in die Eisen-Mangankrusten aller Ozeane eingebaute Verhältnis der beiden Isotope zueinander in den letzten zehn Millionen Jahren kaum geändert.

Beryllium-Nuklidbildung: Kosmische Strahlen und Produktion des Isotops Beryllium-10 in der Atmosphäre („meteorisch“) oder im Gestein („in situ“) vor dem Hintergrund des Forno-Gletschers, Schweiz (Foto: F.von Blanckenburg, GFZ). 

Der Wasserkreislauf: Wasser ist Masse und übt daher Gravitationskraft aus. Änderungen des globalen Wasserhaushalts können daher mit Satellitenmessungen (GRACE, GOCE) erfasst werden. Lokale/regionale Änderungen können mit hochpräzisen Supraleitgravimetern gemessen werden und geben so Auskunft über Änderungen des Grundwasserhaushalts.

Klima im natürlichen Archiv der See-Sedimente:
Ablagerungen in den Sedimentev von Binnenseen sind natürliche Archive der Klimaentwicklung.

Mit einem Stechschwert oder einem Hohlrohr werden Sedimentproben aus dem Seeboden "gezogen". Deutlich zu erkennen ist das Streifenmuster der Ablagerungen. In diesem Streifenmuster verbirgt sich die Klima-Information. (Foto: M.Sturm, EAWG, Schweiz)

Vom Streifenmuster zur Klimainformation
Fotografie eines Bohrkerns aus einem Maarsee. Jede Schicht stellt die Ablagerungen eines Jahres dar und wird als Warve bezeichnet. Vielfach können innerhalb der einzelnen Schichten die vier Jahreszeiten unterschieden werden. Die Ablagerungen bestehen unter anderem aus Algenblüten, die charakteristisch für bestimmte Jahreszeiten sind. Unter dem Mikroskop können z. B. die verschiedenen Arten von Kieselalgen (Diatomeen) bestimmt werden. Im Idealfall lässt sich eine jahreszeitliche Auflösung der Ablagerungen über Tausende von Jahren erzielen, die ein hochgenaues Abbild der Umweltbedingungen während der Ablagerungszeit wiedergeben.

Baum-Jahrringe als natürliches Klimaarchiv:  Mikroskopische Aufnahme eines Dünnschnitts (50 µm Dicke) von einer Kiefer (Pinus strobus). Deutlich erkennbar sind Jahrringe, große Frühholzzellen und kleine Spätholzzellen, Holzdichteschwankungen und Harzkanäle als Folgen von Trockenstress.

Tiefe Biosphäre 1 - Black Smokers:  Black Smoker, schwarze Raucher,sind Kamine, die sich an heissen Tiefseequellen bilden. Sie bestehen meist aus Metallsulfiden, -oxiden und -sulfaten und wachsen dort empor, wo an aktiven ozeanischen Rückensystemen die vulkanische Aktivität an die Oberfläche kommt. Kaltes Meerwasser dringt durch Spalten in der ozeanischen Kruste kilometertief ins Erdinnere. Dabei erhitzt es sich, reagiert intensiv mit den Ozeanbodengesteinen und kehrt beladen mit vulkanischen Gasen, Schwefel und Metallen zurück nach oben an den Meeresboden, wo es mit bis zu 350 °C ausströmt. Wegen des hohen Druckes in 2000 und mehr Metern Meerestiefe kocht das Wasser nicht. Der "Rauch" besteht i.W. aus Metalloxidpartikeln, die sich bilden, wenn die heissen und sauren Fluide mit kaltem basischem und vergleichsweise sauerstoffreichem Meerwasser in Kontakt kommen. Heiße Quellen am Meerboden boten wahrscheinlich die Umweltbedingungen zur Entstehung der ersten Formen primitiven Lebens. (Black Smokers in der Tiefsee unweit der Tongainseln im Südpazifik, Foto: J. Erzinger, GFZ)

Tiefe Biosphäre 2 - Mikrobielles Leben im tieferen Untergrund:  Moderne Analyseverfahren und empfindlicheren Nachweistechniken zeigen, dass Leben offenbar noch in Tiefen von über tausend Metern zu finden ist. Der tiefste Nachweis in Meeressedimentablagerungen liegt derzeit bei etwa 1600 Metern Tiefe, in Bergwerken konnte mikrobielles Leben in Tiefen von zwei bis drei Kilometern nachgewiesen werden. Zwar ist die Anzahl der Mikroorganismen je Kubikzentimeter in der tiefen Biosphäre in der Regel weitaus geringer als in Oberflächensedimenten und Böden. Aber aufgrund ihrer weiten Verbreitung in tiefen Sedimenten und Gesteinen und des riesigen besiedelbaren Raums stößt die Biomasse der tiefen Biosphäre in Größenordnung vor, die der Oberflächenbiosphäre entspricht. Die tiefe Biosphäre muss also eine fundamentale Rolle für den globalen Kohlenstoffkreislauf über kurze und längere Zeitskalen hinweg spielen. Ihre genaue Funktion ist aber bisher noch weithin ungeklärt. 

Hydrothermale Geothermie-Bohrung: Klassische Doublettenbohrung zur Nutzung von tiefer Erdwärme. Mit der Förderbohrung wird heisses Tiefenwasser aus der Erde gepumpt. Nach Nutzung der Wärme wird das kalte Wasser wieder in den Untergrund zurück geführt. (Abb.: GFZ)

Seismische Vorerkundung beim Tunnelbau:  Von GFZ-Forschern wurde ein neues seismisches Verfahren zur Vorrausschau entwickelt, um Überraschungen durch Störungszonen im Gestein zu vermeiden, die den Bohrbetrieb behindern oder sogar gefährden können. Dargestellt ist eine Tunnelbohrmaschine, an der im Bereich der Bohrmeißel eine Schallquelle angebracht ist. Die künstlich erzeugten Schallwellen "durchleuchten" das Gestein, weil durch die physikalischen Eigenschaften der Gesteine die sich ausbreitenden Wellen gedämpft, reflektiert und gebeugt werden. Gesteinswechsel oder Zerrüttungszonen zeigen dabei charakteristische Muster. Die Empfänger (Geophone) sitzen in den Spitzen der Gebirgsanker (im Bild rot), die ohnehin als Sicherungselemente im Tunnel eingebaut werden.