Wir stellen uns heute vor, dass die Erde wie eine riesige Recyclinganlage funktioniert, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem 4000 bis 5000°C heißen Erdkern und der etwa 20°C kalten Oberfläche angetrieben wird.

Unsere Vorstellungen über die äußere Form und den Aufbau der Erde haben sich im Laufe der Jahrhunderte grundlegend geändert und weiterentwickelt. So war die Kugelform der Erde zwar bereits seit Eratosthenes von Kyrene (ca. 282 bis 202 v. Chr.) bekannt; dennoch hielt sich bis ins Mittelalter die weitverbreitete Ansicht, dass die Erde im Mittelpunkt des Universums stehe. Erst mit Kepler und Galilei setzte sich allgemein die Erkenntnis durch, dass die Erde nicht im Mittelpunkt des Universums steht, sondern ein Teil des Sonnensystems ist. Diese Erkenntnis beruhte nicht zuletzt auf verfeinerten Beobachtungstechniken (zum Beispiel Fernrohren) und auf einer sich stürmisch entwickelnden Mathematik.

Im Gegensatz zu den aufregenden Erkenntnissen in der Astronomie und der Kosmologie blieben die Vorstellungen der Menschen über das Erdinnere weiterhin von abenteuerlichen Spekulationen und Mythen beherrscht, da keine Technologien verfügbar waren, um in das tiefe Erdinnere zu schauen. Das änderte sich erst um die Wende zum zwanzigsten Jahrhundert, als – mehr durch Zufall – die ersten Registrierungen von Erdbebenwellen mit einem Horizontalpendel gelangen (s. Abb. 1).

In den folgenden Jahren wurden die ersten systematischen Untersuchungen der „Erdschwingungen“ angestellt. Aus dieser neuen Anwendung der Pendelregistrierungen entwickelte sich die Seismologie als eine Wissenschaft, die Erdbebenwellen als Sonden benutzt, um das Innere der Erde zu erkunden. Erdbebenwellen sind Druck- oder Scherwellen, die sich im Gestein fortpflanzen. Mit weiterer Verfeinerung der Aufnahmetechniken verbesserte sich auch unser Bild vom Erdinneren. Dies führte zu unserer heutigen Vorstellung über den Schalenaufbau der Erde, mit einem festen inneren Kern, einem flüssigen äußeren Kern, dem darüber liegenden Erdmantel und schließlich der etwa 30 bis 50 km dicken Erdkruste (s. Abb. 2).

Als Alfred Wegener 1910 die Kontinentaldrift postulierte, tat er damit einen revolutionären Schritt. Durch das Studium der Form der Kontinente war er zu der Überzeugung gelangt, dass die heutigen Kontinente in früheren Zeiten zu einem großen „Superkontinent“ gehört haben und dann auseinandergebrochen und auseinandergedriftet sein müssen. Allerdings hatte Wegener noch sehr unklare Vorstellungen von den physikalischen Ursachen dieses Prozesses. Der Schlüssel zu einer experimentell-beobachtenden Erforschung der Kontinentaldrift war die Idee, die Erde an verschiedenen Stellen anzubohren. In den sechziger Jahren starteten die USA das Deep Sea Drilling Program, das in den siebziger Jahren in das noch heute laufende Internationale Ocean Drilling Program mündete, an dem auch Deutschland maßgeblich beteiligt ist. Dieses breit angelegte Ozeanbohrprogramm erbrachte eine Reihe von grundlegenden Erkenntnissen über den Aufbau der Erde und die geodynamischen Prozesse, die unseren Planeten formen. So zeigte es sich, dass der Ozeanboden rund 20-mal jünger ist als die etwa 4 Milliarden Jahre alten Kontinente, weil ständig neuer Ozeanboden an den mittelozeanischen Rücken produziert wird. Anschließend wird er wie auf einem Fließband beiderseits der Rücken wegtransportiert. Nach etwa 200 Millionen Jahren verschwindet dieser Ozeanboden schließlich wieder – wie in einem riesigen Recycling-Prozess – in sogenannten Subduktionszonen unter den Kontinenten und gelangt so zur Kern-Mantel-Grenze zurück (s. Abb. 2). Die Geschwindigkeit dieser Prozesse beträgt bis zu 15 cm pro Jahr; sie ist also der Wachstumsgeschwindigkeit eines Daumennagels vergleichbar. Wir stellen uns heute vor, dass die Erde wie eine riesige Recyclinganlage funktioniert, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem 4000 bis 5000°C heißen Erdkern und der etwa 20°C kalten Oberfläche angetrieben wird.

Diese „Wärmekraftmaschine“ kommt am schnellsten und effektivsten zu einem Temperaturausgleich mit dem sie umgebenden kalten Weltraum, indem heiße Materie aus der Tiefe nach oben transportiert wird, wo sie die Wärme an der Erdoberfläche abgibt. Heißes Material, das spezifisch leichter ist als kaltes, steigt von der Grenze des Erdkerns in 2900 km Tiefe durch den Erdmantel nach oben. An der Oberfläche kühlt dieses Material dann ab und sinkt, da spezifisch schwerer geworden, wieder nach unten. Auf diese Weise entstehen im Erdmantel riesige Konvektionswalzen, die Material und Energie transportieren. Gleichzeitig bewegen sie die auf ihnen „schwimmenden“, aus leichteren Gesteinen bestehenden Kontinentalplatten. Die beobachtete Kontinentaldrift wiederum ist ein klares Anzeichen für diesen Wärmetransport durch Konvektion von Materie – ein physikalischer Prozess, wie er in jeder von unten erwärmten flüssigen oder gasförmigen Schicht auftritt.