Die Erde dreht sich in etwa 24 Stunden einmal um sich selbst. Dabei ist immer nur die Seite der Erde von der Sonne beleuchtet, die der Sonne zugewandt ist. Auf der beleuchteten Seite ist Tag. Auf der abgewandten Seite ist Nacht. Da sich die Erde von West nach Ost dreht, scheint die Sonne für uns im Osten aufzugehen und im Westen unterzugehen. Die Erdachse ist um etwa 23,5° geneigt. Deshalb werden – abhängig von der Jahreszeit – manche Regionen länger oder kürzer von der Sonne beleuchtet. Im Sommer sind die Tage daher länger und im Winter sind die Nächte länger. An den Polen gibt es im Sommer nur Tag und im Winter nur Nacht. Das nachfolgende Video verdeutlicht dieses Prinzip. Wie bereits erwähnt, ist die Erdachse um etwa 23,5° geneigt. Dadurch wird im Laufe eines Jahres einmal die Nordhalbkugel und einmal die Südhalbkugel stärker von der Sonne beleuchtet. Im Sommer kommen zwei wesentliche Einflussfaktoren zusammen, die dazu führen, dass die Temperatur in der entsprechenden Region höher ist:

1. Die Sonne scheint länger, wodurch die Erdoberfläche über einen längeren Zeitraum Energie aufnimmt.
2. Die Sonnenstrahlen treffen steiler auf die Erdoberfläche. Dies führt dazu, dass sich dieselbe Energie auf eine kleinere Fläche verteilt und, dass die Strahlen eine kürzere Strecke durch die Atmosphäre zurücklegen und somit weniger abgeschwächt werden.

Auch diese Thematik wird nachfolgend durch ein Video veranschaulicht: ACHTUNG: Die Jahreszeiten entstehen nicht, weil die Erde im Sommer näher an der Sonne ist. Der Abstand zur Sonne verändert sich nur wenig und hat einen vernachlässigbaren Einfluss. Tatsächlich ist die Erde Anfang Januar am nächsten an der Sonne (im sogenannten Perihel). Zu dieser Zeit ist auf der Nordhalbkugel jedoch Winter. Der Aufbau der Erde umfasst nicht nur das Erdinnere, sondern auch die Atmosphäre, also die Gashülle der Erde. Insgesamt kann man die Erde in mehrere Schichten gliedern, welche nachfolgend erläutert werden: Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle der Erde. Sie erfüllt unter anderem folgende Funktionen:

• Sie enthält den lebensnotwendigen Sauerstoff.
• In ihr finden diverse Wetterphänomene statt.
• Sie sorgt dafür, dass die Erdoberfläche nicht auskühlt (Treibhauseffekt).
• Sie schützt vor UV-Strahlung und kosmischer Strahlung.
• Sie bremst Meteoroiden ab.

Die Atmosphäre besteht aus mehreren Schichten (von der Erdoberfläche bis zum Weltraum):

1. Troposphäre (Wetter, Wolken, Niederschlag)
2. Stratosphäre (Ozonschicht, Schutz vor UV-Strahlung)
3. Mesosphäre
4. Thermosphäre
5. Exosphäre

Die Erdkruste ist die feste äußere Gesteinsschicht der Erde. Sie ist relativ dünn und besteht aus verschiedenen Platten. Diese bewegen sich langsam auf dem darunterliegenden Mantel. Der Erdmantel liegt unter der Erdkruste. Er besteht aus heißem, zähflüssigen Gestein. Die Konvektionsströme führen zur Bewegung der Erdplatten, wodurch Erdbeben, Vulkane und Gebigsbildung entstehen. Der Erdkern besteht aus Metall (Eisen und Nickel). Er wird in zwei Bereiche eingeteilt – den äußeren und den inneren Erdkern. Der äußere Erdkern ist flüssig und über 4000 °C heiß. Die Bewegung des flüssigen Metalls erzeugt das Magnetfeld der Erde. Der innere Erdkern ist aufgrund des enormen Drucks trotz der hohen Temperaturen von etwa 6000 °C fest. Bisher wurde stets davon ausgegangen, dass die Erdbeschleunigung $g$ eine Naturkonstante ist, welche den fixen Wert von 9,81 m/s² hat. Dies trifft jedoch nur für die Erdoberfläche zu. Die Formel $F=m\cdot g$ entspricht lediglich einer Vereinfachung des Newtonschen Gravitationsgesetzes: $$F=\frac{G\cdot m_1 \cdot m_2}{r^2}$$ Dabei ist $g=\frac{G\cdot m_1}{r^2}$, wobei $m_1$ der Erdmasse und $r$ dem Erdradius entspricht. Entfernt man sich jedoch von der Erdoberfläche, so sinkt die Erdbeschleunigung aufgrund des größer werdenden Wertes von $r$ im Nenner des Bruches.

Aufgabe 1

Zeige anhand des Newtonschen Gravitationsgesetzes, dass $g$ auf der Erdoberfläche tatsächlich ca. den Wert 9,81 m/s² besitzt. Verwende dazu den Erdradius 6371 km und die Erdmasse $5{,}97\cdot 10^{24}$ kg. Die Gravitationskonstante kann im ersten Kapitel dieses Kurses nachgelesen werden.

Innerhalb der Erde verhält sich die Erdbeschleunigung anders: Im Erdmittelpunkt ist die Erdbeschleunigung null, denn hier befindet sich auf jeder Seite des Objektes gleich viel Masse. Somit wirkt die Gravitation in alle Richtungen gleichermaßen und hebt sich letztendlich auf. Entfernt man sich zunehmend vom Mittelpunkt, so befindet sich immer weniger Masse „über“ dem betrachteten Objekt. Somit überwiegt der Anteil der Gravitation, welcher zum Erdmittelpunkt gerichtet ist, immer mehr. Es stellt sich heraus, dass zwischen Erdmittelpunkt und Erdoberfläche ein linearer Anstieg von $g$ vorliegt. Das folgende Diagramm zeigt die Veränderung der Erdbeschleunigung in Abhänigigkeit vom Abstand zum Erdmittelpunkt. Die dunkelgrüne Linie entspricht dabei der vereinfachenden Annahme, dass die Erde überall dieselbe Dichte hat. Berücksichtigt man die tatsächlichen Dichteverhältnisse, so erhält man den blauen Verlauf.

Aufgabe 2

Stelle dir vor, es existiert eine Röhre von der Erdoberfläche zum Erdmittelpunkt und darüber hinaus zur gegenüberliegenden Seite der Erdoberfläche. Was würde passieren, wenn man ein Objekt in diese Röhre fallen lässt?

Feedback

Bitte nutze das folgende Textfeld, um Feedback, Verbesserungsvorschläge oder Fehler mitzuteilen. Deine Nachricht wird vollkommen anonym gespeichert.