Wäre die Erde vollständig mit Wasser bedeckt, dann würde sich der Meeresspiegel entlang einer unregelmäßig geformten Fläche ausbreiten. Diese Fläche weicht um bis zu 100 m von einer abgeplatteten Kugel ab und wird wissenschaftlich als das Geoid bezeichnet. Werden diese Abweichungen stark überhöht darstellt, sieht die Erde eher wie eine Kartoffel aus. Daher stammt der umgangssprachliche Name “Potsdamer Schwerekartoffel”, welcher die jahrzehntelangen Arbeiten zur Bestimmung von Geoid und Erdschwerefeld auf dem Telegrafenberg in Potsdam würdigt.
Dr. Bernhard Steinberger, GFZ
© Bernhard Steinberger
Eines der Merkmale des GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...s, das gleich ins Auge sticht, ist eine ausgeprägte “Delle” im Indischen Ozean. Diese ergibt sich zum Teil dadurch, dass man das GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ... üblicherweise gegenüber der Referenzfigur eines insgesamt bestanpassenden Ellipsoids, also einer abgeplatteten Kugel, darstellt. Geodynamisch sinnvoll wäre eine Darstellung gegenüber der Gleichgewichtsfigur: Die Erde ist tatsächlich um einige zig Meter stärker abgeplattet, als dies im Gleichgewicht der Fall wäre. Wenn man also diese Gleichgewichtsfigur zugrunde legt, ist die Delle etwas weniger prominent, aber immer noch sichtbar und nun Teil eines GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...-“Trogs”, der von Pol zu Pol reicht (Abb. 1). Ursachen für die Abweichung des GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...s von der Gleichgewichtsfigur sind zusätzliche oder fehlende Massen der festen Erde: Eine zusätzliche Masse - also Material höherer Dichte oder höhere Topographie - bewirkt zusätzliche GravitationGravitation bezeichnet man auch als Schwerkraft oder Massenanziehungskraft. Gravitation ist die Kraft, die zwei oder mehrere Körper aufgrund ihrer Masse aufeinander ausüben. Die bekannteste Gravitationskraft ist die Erdanziehungskraft. Sie bewirkt,.... Dadurch wird das Meerwasser stärker angezogen, und das GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ... bekommt eine Beule. Genauso führt fehlende Masse zu einer Delle.
In welcher Tiefe der Erde fehlt die Masse?
So weit, so einfach, aber wenn man genauer herausfinden will, in welcher Tiefe die Masse nun genau fehlt, wird es kompliziert: Ein heißer, also weniger dichter Aufstrom im Erdmantel (fehlende Masse) führt auch dazu, dass die Oberfläche nach oben gedrückt wird (sogenannte dynamische Topographie; zusätzliche Masse). Diese beiden Effekte kompensieren sich teilweise. Welcher Effekt nun dominant ist, hängt von Tiefe der Masse, der räumlichen Ausprägung des Signals sowie der Viskosität im Erdmantel ab. Über letztere weiß man nur sehr ungenau Bescheid, da selbst die tiefsten Bohrungen auf die zwischen 5 und 70 km starke Erdkruste beschränkt sind. Es wird aber weithin angenommen, dass der untere Mantel im Durchschnitt etwa 30 bis 100-mal zäher ist als der obere Mantel. Bei einer solchen Viskositätsverteilung kann die regionale Delle von einer fehlenden Masse im oberen Teil des Erdmantels (Tiefenbereich ca. 300 bis 1000 km) verursacht sein. Der großräumige Trog, auf den sie aufgesetzt ist, könnte dagegen von vergleichsweise höherer Dichte in der unteren Hälfte des Erdmantels (bis ca. 2900 km Tiefe) verursacht sein.
Strömungen im Erdmantel als Ursache der Delle?
© Bernhard Steinberger
Wenn man nun seismische Geschwindigkeiten in Temperatur- und Dichteanomalien umrechnet, ergibt sich genau eine solche Verteilung: Schon länger bekannt ist die großräumige Mantelstruktur mit zwei antipodalen Zonen erniedrigter Scherwellen-Geschwindigkeit unter Afrika und dem Pazifik, die vermutlich heißen Aufströmen entsprechen. Dazwischen liegt dann ein kühlerer Abstrom, dort, wo sich der GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...-Trog befindet. Neuere Tomographiemodelle zeigen jetzt auch eine erniedrigte Scherwellengeschwindigkeit im oberen Mantel im Bereich der Delle.
Was aber könnte genau die Ursache für dieses vermutlich heiße Material sein? Möglicherweise wird Material von einem heißen Aufstrom unter Ostafrika, der dort Vulkanismus verursacht und die Erdkruste nach oben drückt, im großräumigen Mantelwind nach Osten, hin zur Konvergenz-Zone von Eurasischer und Indo-Australischer Platte, abgelenkt (Abb. 2).
Eine neue Veröffentlichung (Pal und Ghosh, 2023) hat jetzt aber auch gezeigt, dass möglicherweise gar keine fehlende Masse in diesem Gebiet nötig ist: Denn im obersten Erdmantel bis etwa 300 km Tiefe ist der Zusammenhang zwischen Masse und GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ... wieder umgekehrt: Eine fehlende Masse erzeugt hier eine Aufwölbung der Topographie ebenso wie des GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...s.
Es könnte also sein, dass die Delle “nur” ein Teil des großräumigen Trogs ist, aber durch Zonen von vergleichsweise weniger stark negativem GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ... nördlich und südlich davon, verursacht durch negative Massenanomalien in den obersten 300 km, vom Rest des Trogs abgetrennt ist. Für die fehlende Masse nördlich davon wäre die verdickte Kruste unter dem Tibetanischen Plateau die naheliegendste Hauptursache, südlich davon könnte die Ursache ein lokaler Aufstrom im Mantel, ein sogenannter Mantelplume sein, dessen heißes Material sich unter der Lithosphäre verteilt.
Überraschenderweise ergäbe sich somit, dass eigentlich gar nichts unter der Delle liegen muss: Die großräumige Absenkung ergibt sich schon dadurch, dass sich zwischen den beiden antipodalen Aufströmen ein Abstrom befinden muss, und die vermeintliche lokale Delle sieht demnach nur so aus, weil sich nördlich und südlich davon Aufwölbungen befinden.
Forschung zum Erdschwerefeld auf dem Potsdamer Telegrafenberg
Heute wird auf dem Telegrafenberg in Potsdam noch immer an der Vermessung des Erdschwerefeldes gearbeitet. Die Satellitenmissionen wie GRACE und GRACE-FO beobachten mittlerweile zeitliche Veränderungen des Schwerefeldes, die auf Massenumverteilungen in Ozeanen und der kontinentalen Hydrosphäre zurückzuführen sind und so beispielsweise die Beobachtung von Grundwasserspeichern aus dem Weltraum ermöglichen. Gleichzeitig werden am GFZ aber auch geodynamische Modelle der MantelkonvektionDie Temperaturunterschiede im Erdinneren führen im Erdmantel zur Ausbildung von Konvektionsströmen. Es steigt also heißes flüssiges Gesteinsmaterial auf, kühlt im oberen Mantelbereich ab und sinkt wieder nach unten. entwickelt, welche der Modellierung des GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...s auch in anderen Regionen dienen, wie dem Ross Sea GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ... Low, der tiefsten GeoidDas Geoid ist eine unregelmäßig geformte Bezugsfläche im Schwerefeld der Erde, an der alle Punkte das gleiche Schwerepotential erfahren (Äquipotentialfläche). Es handelt sich also um eine theoretische Bezugsfläche, die in guter Näherung durch ...-Senke weltweit gegenüber der Gleichgewichtsfigur (Steinberger et al., 2023). Weitere Anwendungen sind beispielsweise die Modellierung der Paläogeographie (Meeresbedeckung, Landbrücken, Meeresströmungen etc.; Straume et al., 2024) oder des Zerbrechens von Kontinenten (Brune et al., 2023).
Literaturhinweise
- Sobolev, S. V., Steinberger, B. (2012): Geodynamische Modellierung: Zusammenhänge zwischen Struktur der tiefen Erde, Vulkanismus und Umweltkatastrophen. - System Erde, 2, 2, 56-61. https://doi.org/10.2312/GFZ.syserde.02.02.9
- Steinberger, B., Gassmöller, R., Trumbull, R., Sobolev, S. V., Weber, M. (2014): Manteldynamik und das Aufbrechen von Gondwana. - System Erde, 4, 2, 14-19. https://doi.org/10.2312/GFZ.syserde.04.02.2
- Brune, S., Kolawole, F., Olive, J.-A., Stamps, D. S., Buck, W. R., Buiter, S., Furman, T., Shillington, D. J. (2023): Geodynamics of continental rift initiation and evolution. - Nature Reviews Earth & Environment, 4, 235-253. https://doi.org/10.1038/s43017-023-00391-3
- Pal, D., Ghosh, A. (2023): How the Indian Ocean geoid low was formed. - Geophysical Research Letters, 50, e2022GL102694. https://doi.org/10.1029/2022GL102694
- Steinberger, B., Rathnayake, S., Kendall, E. (2021): The Indian Ocean Geoid Low at a plume-slab overpass. - Tectonophysics, 229037. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2021.229037
- Steinberger, B., Grasnick, M.-L., Ludwig, R. (2023): Exploring the Origin of Geoid Low and Topography High in West Antarctica: Insights from Density Anomalies and Mantle Convection Models. - Tektonika, 1(2), https://doi.org/10.55575/tektonika2023.1.2.35
- Straume, E., Steinberger, B., Becker, T.W., Faccenna, C. (2024): The impact of mantle convection and dynamic topography on the Cenozoic paleogeography of Central Eurasia and the West Siberian Seaway. - Earth and Planetary Science Letters, 630, 118615, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118615