- Start >
- Geokommission >
- Strategieschrift Dynamische Erde >
- 8 – Die Oberfläche der Erde >
- 8.4 – Erdoberflächenprozesse
8.4 – Erdoberflächenprozesse
Der Begriff Erdoberflächenprozesse umschreibt alle chemischen, physikalischen und biologischen Vorgänge, die an der Grenze zwischen der Lithosphäre und der Atmosphäre oder der Hydrosphäre stattfinden. Das schließt solche Vorgänge ein, die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden oder diese beeinflussen.
Die Bedeutung von Erdoberflächenprozessen wird deutlich, wenn man die gewaltigen Stoffkreisläufe betrachtet, die an der Erdoberfläche stattfinden:
- 20 Milliarden Tonnen Sediment werden jedes Jahr auf natürliche Weise erodiert und in Flüssen transportiert.
- Zwei Milliarden Tonnen chemischer Elemente werden jährlich aus Gesteinen herausgewittert und in die Ozeane transportiert.
- Dieser Prozess entzieht der Atmosphäre jedes Jahr ungefähr 100 Millionen Tonnen CO2. Die Verwitterung stabilisiert seit Milliarden Jahren den Treibhauseffekt und hält damit die Atmosphärentemperatur in einem lebensfreundlichen Bereich.
- Jährlich werden der Atmosphäre etwa 60 Milliarden Tonnen Kohlenstoff durch Photosynthese auf der Landoberfläche entzogen. Die terrestrische Biosphäre nimmt den Kohlenstoff auf, anschließend wird er durch die Oxidation der Pflanzenreste wieder freigesetzt.
- Da höhere Pflanzen auch beträchtliche Mengen an Metallen und Silizium aufnehmen, wird eine große Menge dieser Elemente durch die Verrottung von Pflanzenmaterial in Umlauf gebracht. Dieser Kreislauf ist ein Vielfaches dessen, was Flüsse transportieren.
- Seit dem Beginn des Holozäns greift der Mensch zunehmend in diese Prozesse ein. Landnutzung und Siedlungsbau bewegen jährlich hundert Milliarden Tonnen Boden. Davon entfallen 30 Prozent auf Bautätigkeiten und 70 Prozent auf landwirtschaftliche Nutzflächen. Dies entspricht einer Verfünffachung der globalen Abtragung und stellt einen der größten menschlichen Eingriffe in terrestrische Systeme überhaupt dar.
Die Erforschung der Prozesse der Erdoberfläche ist ein stark wachsendes Gebiet, nicht zuletzt, weil diese Kreisläufe eine große Bedeutung haben. In den angelsächsischen Ländern sind in den letzten Jahren Dutzende von Professuren im Bereich der tektonischen Geomorphologie und „Earth Surface Processes“ eingerichtet worden. Die European Geosciences Union hat vor kurzem eine stark wachsende
Sektion „Geomorphology“ eingerichtet. Neue Zeitschriften
sind entstanden und die Zahl der Publikationen auf dem Gebiet der Erdoberflächenprozesse steigt ständig an. Bei diesen Entwicklungen verschmelzen die Grenzen zwischen den Fächern Geologie, Geomorphologie, Physische Geographie, Geochemie und Geophysik. Dies sollte auch für Deutschland wegweisend sein.
Erdoberflächenprozesse finden auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen statt. Die Raumskalen reichen von Gebirgen bis hinab zu Domänen innerhalb eines einzelnen Mineralkorns. Die längste geologisch relevante Zeitskala ist die eines Gebirgsbildungszyklus, die kürzeste die des Klimazyklus. Die Zeitskala der anthropogen verursachten Zunahme der Sedimentflüsse reicht von der Gegenwart
einige Jahrtausende in die Vergangenheit zurück. Die noch junge Disziplin Geoarchäologie beleuchtet die raumzeitlichen Veränderungen der Erdoberfläche unter dem Einfluss des Menschen. Dabei kommen unterschiedliche Methoden zur Anwendung.
Das Ziel der modernen Forschung besteht darin, die oben genannten Prozesse physikalisch und chemisch zu verstehen. Die dafür notwendigen Variablen sollen erfasst und parametrisiert werden. Diese werden dann in Reliefentwicklungsmodelle eingespeist. Andererseits ist ein empirischer Ansatz möglich. Dabei werden bestimmte Messgrößen als Proxies für einen Prozess ermittelt. Beide Vorgehensweisen haben ein großes Potenzial, denn in den letzten Jahren hat es eine Reihe technischer Entwicklungen gegeben, die eine sehr detaillierte Beschreibung der Prozesse ermöglichen. Dazu gehören:
- Methoden der digitalen Topographie (SRTM, Lidar, InSAR, Landsat)
- geochemische und physikalische Methoden der Ratenbestimmung, der Ereignisdatierung und der Prozess-Proxy-Anwendung (kosmogene Nuklide, Lumineszenzdatierung, U-Serien, 14C, stabile Isotope)
- historisch-geographische und archäologische Datierung und Modellierung der menschlichen Eingriffe
- nichtinvasive geophysikalische erdoberflächennahe Erkundungsmethoden
- 4-D geophysikalische Transportmodelle.
Die drei Raumskalen, auf denen Erdoberflächenprozesse stattfinden und untersucht werden: stark durch Abholzung verändertes Flusseinzugsgebiet in Sri Lanka (links); chemische und physikalische Prozesse in der „Critical Zone“ (Mitte); Rasterelektronenmikroskop-Bild eines verwitternden Feldspats, der sich zu Tonmineralen zersetzt (rechts) (Quelle:links: Friedhelm von Blanckenburg, Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ); Mitte: S.P. Anderson et al. (2007): Physical and chemical controls in the critical zone. Elements 3, 5, 315-319. doi: 10.2113/gselements.3.5.315; rechts: A.F. White et al. (2008): Chemical weathering of a marine terrace chronosequence, Santa Cruz, California I: Interpreting rates and controls based on soil concentration – depth profiles. Geochimica Cosmochimica Acta, 72, 36-68. doi:10.1016/j.gca.2007.08.029)
Neue Methoden zur Untersuchung von Erdoberflächenprozessen
| Geophysikalische Methoden | Datierung / Raten | Geochemische Proxies | Geodätische und photogrammetrische Methoden und Daten | Mikro- bis nanoskalige Prozessaufklärung |
|---|---|---|---|---|
| Refraktions- / Reflektionsseismik und Georadar | Komponenten-spezifischer Radiokohlenstoff (14C) | Leichte stabile Isotope (H, C, N, O und S) an Biomarkern | SAR-Interferometrie (InSAR) | Hochenergie Absorptions-, Emissions und Relaxations-Spektroskopien (z.B. NEXAFS |
| Elektrische Impedanz-Tomographie /elektr. Widerstands-Tomographie | In-situ produzierte kosmogene Nuklide | H/O-Isotope an Ton und authigenem Karbonat als Paläoaltimeter | HRSC, SRTM, Landsat-, RapidEye und andere Satellitendaten | Femtosekunden-Laserablations-Massenspektrometrie |
| Elektromagnetik | 230Th/234U | Stabile Si-Isotope an Bioopal | Digitale Photogrammetrie | Nano-Sekundärionen-Massenspektrometrie (nano-SIMS) |
| Radiomagnetotellurik | Thermolumineszenz, Optische Lumineszenz | Stabile Metallisotope als Proxies für Verwitterung und Bioaktivität | Digitale Kartographie | Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) |
| Surface Nuclear Magnetic Resonance (NMR) | Elektron-Spin-Resonanz | Meteorische kosmogene Nuklide als Proxies für solare Modulation | Terrestrisches Laserscanning, LIDAR | Kraft-Mikroskopische Techniken (z.B. AFM) |
(Quelle: Strategieschrift des Deutschen Arbeitskreises für Geomorphologie (2007) – Zeitschrift für Geomorphologie, N. F., Suppl.-Vol. 148, 149 S.; Berlin, Stuttgart)
Wissenschaftliche Herausforderungen
Eine Reihe hochkarätiger Konferenzen und Workshops sowie Strategieschriften haben in den letzten drei Jahren die herausragenden Fragen der Erdoberflächenprozessforschung identifiziert. Diese können in die nachfolgend benannten Themenkomplexe und Forschungsfragen gegliedert werden.
- Raum- und Zeitskalen: Wie hängen Sedimentflüsse, raumzeit-variable Antriebskräfte und Einflussfaktoren voneinander ab?
- Rückkopplungen zwischen Krustenbewegungen und Relief: Wie hängen Erosionsrate und Geschwindigkeit der Krustendeformation
zusammen? Welcher Zusammenhang besteht zwischen Krustenverformung, Silikatverwitterung und dem Entzug von atmosphärischem CO2? Wovon hängt der Versatzbetrag an Störungen und klimatisch-gesteuerten Erdoberflächenprozessen ab? - Klima und Erdoberfläche: Kann ein Transportgesetz entwickelt werden, dass alle Prozesse vom Gestein bis zum Sediment umspannt und das die Steuerung durch klimatische Prozesse enthält. Über welche Zeitskalen reagiert die Reliefveränderung auf Klimawandel? Welche Reliefformen reagieren am empfindlichsten auf Klimawandel? Werden tektonische Bewegungen in Gebirgen durch Klimawandel beeinflusst oder wandelt sich regionales Klima durch Gebirgsbildung?
- Prozesse in der „Critical Zone“: Wie hängen physikalische, chemische und biologische Verwitterungsprozesse zusammen? Lassen sich Labor- und Feldexperimente in Einklang bringen? Wie verändern sich die Verwitterungsbedingungen über die menschliche Zeitskala? Wie werden die Stoffflüsse von Kohlenstoff, Partikeln und reaktiven Gasen gesteuert?
- Wechselwirkung zwischen Leben und Erdoberfläche: Hinterlässt das Leben einen „topographischen Fingerabdruck“ auf der Erdoberfläche? Welche isotopengeochemischen Systeme sind für bestimmte Formen mikrobiellen Lebens und höhere Pflanzen charakteristisch? Wie lassen sich mikroskopische biologische Prozesse auf regionale oder kontinentweite Skalen übertragen? Welches Modell erfasst Rückkopplungen zwischen biologischen und physikalischen Prozessen? Welchen Einfluss hat die Biodiversität auf die Entwicklung der Erdoberfläche?
- Wechselwirkungen zwischen Mensch und Erdoberfläche: Wie und wie stark hat der Mensch vom Beginn der Agrargesellschaften bis heute in das Erdoberflächensystem eingegriffen? Wie beeinflussen externe Vorgänge (zum Beispiel Klima oder Landnutzung) die Erdoberfläche und welche Rolle spielen interne Vorgänge (zum Beispiel Kopplung, Entkopplung und Selbstorganisation)? Welche Folgen hat die erhöhte Denudation auf die Bodendegradation? Wo lagert sich organischer Kohlenstoff ab? Wie beeinflusst der Mensch gelöste Stoffflüsse und die Nährstoffversorgung der Ozeane? Wie verändert sich der Sedimenttransport auf kürzeren, anthropogen beeinflussten Skalen im Vergleich zu längeren natürlichen Zeitskalen? Was für Folgen hat es für eine nachhaltige Landwirtschaft, wenn der Boden schneller abgetragen wird als er sich neu bilden kann? Welche natürlichen geomorphologischen Prozesse verstecken sich unter einer starken anthropogenen Überprägung?