Asthenosphäre

Die Asthenosphäre ist die Schicht der Erde, die sich in einer durchschnittlichen Tiefe von etwa 100 km unter der Erdoberfläche befindet. Sie wurde erstmals 1914 von dem britischen Geologen Joseph Barrell benannt, der die Gesamtstruktur der Erde in drei Hauptabschnitte unterteilte: die Lithosphäre, die äußere Schicht aus felsartigem Material, die Asthenosphäre und die Zentrosphäre, den zentralen Teil des Planeten. Die Asthenosphäre hat ihren Namen von dem griechischen Wort für schwach, asthenis, wegen der relativ zerbrechlichen Natur der Materialien, aus denen sie besteht. Sie liegt im oberen Teil der inneren Struktur der Erde, die traditionell als Erdmantel bezeichnet wird. Wissenschaftler haben die Asthenosphäre der Erde nicht gesehen, aber ihre Existenz hat einen tiefgreifenden Einfluss auf den Planeten und die Art und Weise, wie sich die Erdkruste verhält. Für jeden, der in der Nähe einer Plattengrenze auf der Erde lebt, trägt die Asthenosphäre mächtig zu den unruhigen geologischen Bedingungen bei, die das Gebiet plagen können.

Beweise für die Existenz der Asthenosphäre

Geologen sind hinsichtlich der Methoden, mit denen sie Informationen über das Erdinnere sammeln können, etwas eingeschränkt. Sie können zum Beispiel Gesteinsmaterial, das von Vulkanen und Lavaströmen ausgeworfen wird, untersuchen, um Hinweise auf Eigenschaften der inneren Regionen zu erhalten. Im Allgemeinen ist jedoch die zuverlässigste Quelle für solche Informationen die Art und Weise, wie seismische Wellen durch das Erdinnere übertragen werden. Diese Wellen können auf natürliche Weise als Folge von Erdbewegungen entstehen, oder sie können synthetisch durch Explosionen, Luftkanonen oder andere Techniken erzeugt werden.

In jedem Fall haben seismische Untersuchungen gezeigt, dass eine Art von Wellen, die als S-Wellen bekannt sind, deutlich langsamer werden, wenn sie eine durchschnittliche Tiefe von etwa 100 km unter der Erdoberfläche erreichen. Dann, in einer Tiefe von etwa 250 km, nimmt ihre Geschwindigkeit wieder zu. Geologen haben diese Änderungen in der Wellengeschwindigkeit als Hinweise auf die Grenzen der Region genommen, die jetzt als Asthenosphäre bekannt ist.

Eigenschaften der Asthenosphäre

Das Material, aus dem die Asthenosphäre besteht, kann als plastikartig beschrieben werden, mit viel weniger Steifigkeit als die darüber liegende Lithosphäre. Diese Eigenschaft wird durch die Wechselwirkung von Temperatur und Druck auf asthenosphärische Materialien verursacht. Natürlich schmilzt jedes Gestein, wenn es auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht wird. Der Schmelzpunkt eines jeden Gesteins (oder eines jeden Materials) ist jedoch auch eine Funktion des Drucks, der auf das Gestein (oder das Material) ausgeübt wird. Im Allgemeinen steigt der Schmelzpunkt eines Materials, wenn der Druck erhöht wird.

Materialien, die die Asthenosphäre bilden, sind tendenziell etwas kühler als ihr Schmelzpunkt. Dies verleiht ihnen eine plastikartige Qualität, die mit Glas verglichen werden kann. Wenn die Temperatur des Materials steigt oder der auf das Material ausgeübte Druck zunimmt, neigt das Material dazu, sich zu verformen und zu fließen. Wenn der auf das Material ausgeübte Druck stark reduziert wird, sinkt auch der Schmelzpunkt, und das Material kann schnell zu schmelzen beginnen. Das fragile Schmelzpunkt/Druck-Gleichgewicht in der Asthenosphäre spiegelt sich in der Schätzung einiger Geologen wider, dass bis zu 10 % des asthenosphärischen Materials tatsächlich geschmolzen sein könnten. Der Rest ist so nahe daran, geschmolzen zu sein, dass relativ bescheidene Änderungen des Drucks oder der Temperatur weiteres Schmelzen verursachen können.

Neben dem Druckverlust in der Asthenosphäre ist ein weiterer Faktor, der ein Schmelzen bewirken kann, ein Anstieg der Temperatur. Die Asthenosphäre wird durch den Kontakt mit heißen Materialien, die die darunter liegende Mesosphäre bilden, erhitzt. Offensichtlich ist die Temperatur der Mesosphäre nicht konstant. An manchen Orten ist sie heißer als an anderen. In den Regionen, in denen die Mesosphäre wärmer als der Durchschnitt ist, kann die zusätzliche Wärme das Ausmaß der Erwärmung der asthenosphärischen Materialien tatsächlich erhöhen, und es kann zu einem umfangreicheren Schmelzen kommen. Die Folgen eines solchen Ereignisses werden im Folgenden beschrieben.

Die Asthenosphäre in der plattentektonischen Theorie

Der Asthenosphäre wird heute eine entscheidende Rolle bei der Bewegung von Platten an der Erdoberfläche zugeschrieben. Nach der plattentektonischen Theorie besteht die Lithosphäre aus einer relativ kleinen Anzahl von sehr großen Platten aus felsigem Material. Diese Platten sind in der Regel etwa 100 km dick und in den meisten Fällen viele tausend Kilometer breit. Es wird angenommen, dass sie selbst sehr starr sind, aber in der Lage sind, auf der Asthenosphäre bewegt zu werden. Man nimmt an, dass die Kollision der Platten miteinander, ihr seitliches Vorbeigleiten aneinander und ihre Trennung voneinander für wichtige geologische Merkmale und Ereignisse wie Vulkane, Lavaströme, Gebirgsbildung und tiefe Krustenverwerfungen und Gräben verantwortlich sind.

Damit die plattentektonische Theorie überhaupt einen Sinn ergibt, muss ein Mechanismus vorhanden sein, der die Bewegung der Platten ermöglicht. Dieser Mechanismus ist der halbflüssige Charakter der Asthenosphäre selbst. Einige Beobachter haben die Asthenosphäre als das „Schmieröl“ beschrieben, das die Bewegung der Platten in der Lithosphäre ermöglicht. Andere sehen die Asthenosphäre als die treibende Kraft oder das Transportmittel für die Platten.

Geologen haben nun Theorien entwickelt, um die Veränderungen zu erklären, die in der Asthenosphäre stattfinden, wenn die Platten beginnen, sich voneinander zu entfernen oder aufeinander zuzugehen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass sich in der Lithosphäre eine Schwächezone gebildet hat. In diesem Fall verringert sich der Druck, der auf die darunter liegende Asthenosphäre ausgeübt wird, es beginnt zu schmelzen und asthenosphärisches Material beginnt nach oben zu fließen. Wenn die Lithosphäre nicht tatsächlich gebrochen ist, kühlen diese asthenosphärischen Materialien ab, während sie sich der Erdoberfläche nähern, und werden schließlich Teil der Lithosphäre selbst. Nehmen wir andererseits an, dass ein Bruch in der Lithosphäre tatsächlich stattgefunden hat. In diesem Fall könnten die asthenosphärischen Materialien durch diesen Bruch entweichen und nach außen fließen, bevor sie sich abgekühlt haben. Abhängig von der Temperatur und dem Druck in der Region kann dieser Ausfluss von Material (Magma) ziemlich heftig erfolgen, wie bei einem Vulkan, oder eher moderat, wie bei einem Lavastrom. In beiden Fällen kommt es zu einer Divergenz der Krustenplatten, d. h. zu einem Auseinanderdriften. Der Druck auf die Asthenosphäre kann auch in Divergenzzonen reduziert werden, in denen sich zwei Platten voneinander trennen. Auch hier kann diese Druckverminderung dazu führen, dass asthenosphärische Materialien in der Asthenosphäre zu schmelzen beginnen und nach oben fließen. Wenn sich die beiden übereinander liegenden Platten tatsächlich getrennt haben, kann asthenosphärisches Material durch die Trennung fließen und einen neuen Abschnitt der Lithosphäre bilden.

In Konvergenzzonen, in denen sich zwei Platten aufeinander zubewegen, kann asthenosphärisches Material ebenfalls einem erhöhten Druck ausgesetzt sein und beginnen, nach unten zu fließen. In diesem Fall rutscht die leichtere der kollidierenden Platten nach oben und über die schwerere der beiden Platten, die dann in die Asthenosphäre abtaucht. Da das schwerere lithosphärische Material steifer ist als das Material in der Asthenosphäre, wird letztere nach außen und nach oben gedrückt. Bei dieser Plattenbewegung wird das Material der abtauchenden Platte in der Asthenosphäre erhitzt, es kommt zum Aufschmelzen, und geschmolzenes Material fließt nach oben zur Erdoberfläche. Gebirgsbildung ist in solchen Situationen das Ergebnis von Kontinentalkollisionen, und große Gebirgsketten wie der Ural, die Appalachen und der Himalaya haben sich auf diese Weise gebildet. Wenn ozeanische Platten aufeinander treffen, bilden sich Inselbögen (z.B. Japan oder die Aleuten). An Orten der Plattenkonvergenz entstehen große Meeresgräben. In jedem der hier genannten Beispiele liefert die Asthenosphäre neues Material, um lithosphärisches Material zu ersetzen, das durch einen anderen tektonischen oder geologischen Mechanismus verdrängt wurde.

Wenn Wissenschaftler also den Ursprung von komprimierten Gebirgszügen wie dem Himalaya oder den Ursprung der großen Ozeangräben (wie dem Peru-Chile-Graben) betrachten, berücksichtigen sie auch die Aktivität der Asthenosphäre, die die Erdplatten kontinuierlich geologisch aktiv hält.

Siehe auch Kontinentalverschiebung; Kontinentalrand; Kontinentalschelf; Planetare Geologie; Plattentektonik.

Ressourcen

Bücher

Press, Frank, und Raymond Sevier. Understanding Earth. San Francisco: Freeman, 2000.

Tarbuck, Edward. J., Frederick K. Lutgens, und Dennis Tassa, eds. Earth: An Introduction to Physical Geology, 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002.

Fuchs, Karl, und Claude Froidevaux. Composition, Structure, and Dynamics of the Lithosphere and Asthenosphere System. Washington, DC: American Geophysical Union, 1987.

David E. Newton

KEY TERMS

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lithosphäre

-Die äußere Schicht der Erde, die sich bis zu einer Tiefe von ca. 100 km erstreckt.

Magma

-Schmelzmaterial, das unter der Erdoberfläche austritt und im Allgemeinen aus steinartigen Materialien besteht, die reich an Silizium und Sauerstoff sind.

Seismische Welle

Eine Störung, die durch Kompression oder Verzerrung auf oder in der Erde erzeugt wird und sich durch Erdmaterialien ausbreitet; eine seismische Welle kann durch natürliche (z. B. Erdbeben) oder künstliche (z. B. Explosionen) Mittel erzeugt werden.