Eine wunderschöne blau-weiße Kugel im Samtschwarz des Weltalls – solche Satellitenfotos prägen unser Bild vom Heimatplaneten. Vor rund viereinhalb Milliarden Jahren verdichtete sich eine Staub- und Gaswolke zu einem größeren Gebilde, das um eine recht junge Sonne rotierte. Ziemlich früh in der Erdgeschichte wanderten, bedingt durch die Schwerkraft, die schweren Bestandteile in die unteren, die leichten in die höheren Schichten des Jungplaneten, sodass sich nach und nach die Struktur der heutigen Erde herausbildete: ein metallischer Kern, umhüllt von silikatischem Gestein.

Die ältesten Gesteine sind kontinentalen Ursprungs: etwa vier Milliarden Jahre alte Zirkonsplitter. Die Böden der Ozeane hingegen sind nirgendwo älter als 200 Millionen Jahre. Die Ozeanböden werden ständig recycelt, weshalb sie, geologisch gesehen, jung bleiben, während die Kontinente nur umgebaut werden, aber kaum neue Gesteine bilden. Es ist die Plattentektonik, die den Grund der Meere erneuert, die großen Platten auf der Erdoberfläche bewegt und unsere Erde zu einem der dynamischsten Gebilde macht, das je durch das uns bekannte All zog. Wandernde Kontinente, Erdbeben, Vulkanismus sind nur einige der wahrnehmbaren Zeugen dieser Dynamik.

Welche Dynamik? Was wissen wir eigentlich von unserem Planeten? Geowissenschaftler denken in anderen Zeit- und Raumgrößen als normale Menschen: Geologen fangen erst bei Zeitspannen von tausend Jahren an zu rechnen, und Geodäten messen die tektonischen Verschiebungen in Millimetern pro Jahr. Das »System Erde« umfasst eine unglaubliche Bandbreite an Raum- und Zeitskalen, die von atomaren Abmessungen bis zu kosmischen Maßeinheiten, von Nanosekunden bei kristallinen Vorgängen bis zu Milliarden Jahren Erdalter reichen. Diese Zahlen sprengen das Vorstellungsvermögen.

Ein Blick mit solchen Raum- und Zeitdimensionen eröffnet ungewohnte Perspektiven und führt schnell zu der Frage: Warum ändert sich unser Planet seit Milliarden Jahren so dramatisch und schnell? Die hohe Temperatur im Erdinnern gibt eine erste Antwort: Im Erdkern, 6370 Kilometer unter unseren Füßen, herrschen Temperaturen von über 5.000 Grad; an der Grenze von Erdkern zu Erdmantel, in 2.900 Kilometer Tiefe, sind es immer noch 3.000 Grad. Diese Hitze ist der Motor für die Dynamik der Plattentektonik. Die Energie für alle Prozesse in der Erde stammt aus dieser Quelle; hinzu kommt als externe Quelle die Sonnenenergie.

Aber eigentlich erklärt das gar nichts. Wir wissen noch nicht einmal, warum unser Planet, aus dem Weltraum betrachtet, blau ist. Natürlich können wir die Farbe für sich erklären: Der blaue Himmel spiegelt sich im Ozeanwasser, und dass er blau ist, konnte uns Lord Rayleigh 1871 anhand der Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre erläutern. Fragt man aber, wieso die Erde als einziger bekannter Planet Wasser in diesen Mengen und obendrein eine Atmosphäre in der heutigen Zusammensetzung hat, ist man schon am Ende der Selbstverständlichkeiten angelangt.

Wie konnten Erdaufbau, Wasser und Atmosphäre in dieser Form entstehen? Wie hängt das alles mit der Entstehung von Leben und seiner Entwicklung zu höheren Formen zusammen? Sind wir, unser Planet, das Sonnensystem, das All, nur Resultate von Zufallsprozessen, oder gibt es doch Gesetzmäßigkeiten, die zu Planeten des Typs Erde, zu molekularen Selbsterzeugungsketten namens Leben führen?

Die Erde ist ein einzigartiges Raumschiff. Es verfügt über Teilsysteme namens Atmosphäre, Hydrosphäre, Geo-, Kryo- und Biosphäre, die alle hochkomplex sind und zudem in zeitlich und räumlich variierender Wechselwirkung stehen. Das Raumschiff deckt einen nicht unerheblichen Teil seiner Energieversorgung durch Sonnenenergie, die in einen Kurzzeitspeicher namens Wetter oder einen Langzeitspeicher, die fossilen Brennstoffe, fließt. Die Vorstellung, dieses undurchschaubare System von Komponenten, Wirkungen und Interaktionen je vollständig verstehen zu können, ist eine mehr als ehrgeizige Vision.

Die Herausforderung für die Forschung ist gewaltig. Bei einem nicht unwahrscheinlichen Wachstum der Spezies Mensch auf neun Milliarden bis zum Jahr 2050 müssen wir rational mit unserem Planeten umgehen. Das Rohstoff- und Platzproblem der nächsten Generationen lässt sich nur dann verträglich lösen, wenn wir unsere damit verbundenen, unvermeidlichen Eingriffe in das System Erde zumindest ansatzweise verstehen.

Wer etwa meint, wir könnten das Klimageschehen vollständig verstehen, unterschätzt erheblich die Anzahl an Variablen und Wechselwirkungen in diesem nichtlinearen System. Natürlich ändert sich das Klima, und nach allem, was wir heute wissen, sind wir Menschen dabei ein aktiver Faktor, aber das ist auch schon fast alles, was wir sagen können. Allein das Teilsystem Klima des Planeten Erde ist ein solch gewaltiger Apparat, dass wir selbst mit den besten Klimamodellen nur Szenarien durchspielen, keinesfalls aber das Klima berechnen oder gar vorhersagen können.

Das Wort »Klimaschutz« verdeutlicht unfreiwillig eine grundlegende Ignoranz: Vielen ist bekannt, dass sich das Klima in der Erdgeschichte immer wieder geändert hat, aber nur wenige wissen, dass es sich gerade in den vergangenen 10.000 Jahren im Vergleich zur restlichen Erdgeschichte sehr stabil und damit außergewöhnlich verhalten hat. Der Normalzustand des Klimas ist ein bewegtes Auf und Ab, gegen das die heutigen Klimaschwankungen sich äußerst gering abheben. Das muss uns nicht unbedingt beruhigen, denn erstens gibt uns die Natur keinen Beleg dafür, dass dieser relativ stabile Zustand noch lange so bleibt, und zweitens haben wir uns an diesen seit 10.000 Jahren währenden Status angepasst. Nicht wir müssen also das Klima schützen, sondern wir müssen uns vor möglichen Klimaänderungen, auch den von uns selbst verursachten, schützen.

Die Atmosphäre ist ein System, in dem kleine räumlich-zeitliche Änderungen (allerdings nicht der berühmte Schmetterlingsflügelschlag) Folgen an ganz anderer Stelle und zu anderer Zeit erzeugen können, die nicht unbedingt vorhersagbar sind. Das heißt, wenn wir heute wissen, dass wir mit Treibhausgasen und Landnutzung zum geologischen Faktor geworden sind, der das Klima beeinflussen kann, dann sollten wir rasch reagieren: Unsere Strategie der CO₂-Reduktion ist nicht nur sinnvoll, weil wir wissen, dass wir das Klima ändern, sondern vor allem, weil wir nicht wissen, wie das sich ändernde Klima auf uns reagiert.

Die Umweltdebatte kommt stets und unvermeidlich zu der stereotypen Feststellung, dass die Klimaänderung, die Landnutzung und das Abholzen der Urwälder zu einem dramatischen Artenschwund führen wird oder gar schon geführt hat. Tatsächlich haben der Schwund der Amazonaswälder und der Edelholzeinschlag in Asien ebenso zur Vernichtung von Lebensräumen für Fauna und Flora geführt wie die Intensivlandwirtschaft in Europa. Wir werden Zeitzeugen eines dramatischen Artenschwundes, wie die Erde ihn mindestens fünfmal in ihrer Geschichte durchlaufen hat. Wir wissen nicht, wie das Leben auf der Erde entstanden ist, wir wissen nur, dass es rund zwei Milliarden Jahre gebraucht hat, bis es sich zu der heutigen Formenvielfalt diversifiziert hat. Das Leben macht unseren Planeten einzigartig.

Aber auch bei der Erforschung des Lebens auf der Erde sind wir vor Überraschungen nicht gefeit: Die Erde lebt, und das nicht nur an der Oberfläche. Erst vor wenigen Jahren entdeckten Geobiologen, dass es tief unter unseren Füßen, in völlig unwirtlichen Umgebungen, Lebewesen gibt, die ohne Sonne und Sauerstoff auskommen. Kilometertief unter der Erdoberfläche hat sich trotz Dunkelheit, Sauerstoffmangel, Hitze und hohem Druck ein Lebensraum etabliert, die sogenannte tiefe Biosphäre. Seit den ersten überraschenden Entdeckungen werden immer neue Arten spezialisierter Bakterien, Viren und Pilze in Sedimenten und sogar in massivem Gestein aufgespürt. Bis in mehrere Kilometer Tiefe sind Spuren aktiven Lebens inzwischen nachweisbar. Diese Souterrainbewohner haben sich seit vielen Millionen Jahren an für uns mörderische Umweltbedingungen angepasst oder sich gar in ihnen entwickelt. Ihr Stoffwechsel benutzt Wege, die uns bisher unbekannt waren und die noch immer Rätsel aufgeben. Verbergen sich hier eventuell neue Möglichkeiten der Energiegewinnung, oder eignen sich diese Mikroben sogar als Lieferanten von Rohstoffen?

»Vor der Hacke ist es duster« ist eine alte Bergmannsweisheit, und wer immer unter Tage arbeitet, tut gut daran, die darin enthaltene Warnung vor möglicher Gefahr zu berücksichtigen. Aber wie duster ist es wirklich?

Es gibt zwei Fenster ins Erdinnere. Wissenschaftliche Bohrungen ermöglichen einen direkten Einblick in die ersten Kilometer der Erdkruste, die Seismologie durchleuchtet den gesamten Erdkörper wie die Tomografie den Menschen in der Klinik. Beides zusammen ergibt eine modellhafte Gesamtvorstellung des Aufbaus unseres Planeten, allerdings mit unterschiedlicher Genauigkeit.

Auf der Halbinsel Kola haben sowjetische Forscher 26 Jahre gebohrt, bis sie 1994 eine Endteufe von über zwölf Kilometern erreichten. Diese Bohrung ist heute bis etwa sechs Kilometer Tiefe zugänglich. Die Kontinentale Tiefbohrung (KTB) in der Oberpfalz ist mit 9101 Metern Endteufe heute das tiefste Bohrloch der Welt. Das KTB-Bohrprogramm hat technische Neuerungen gebracht, die heute weltweit angewendet werden und von deren Nutzen bei der Suche nach neuen Ölvorräten der Durchschnittsautofahrer meistens nichts weiß, wenn er tankt. Bohrungen helfen uns, unsere modellhaften Vorstellungen vom komplizierten Aufbau der Erdkruste mit gewonnenen Daten zu verifizieren und zu verfeinern.

Der Traum von Jules Verne, eine Reise zum Mittelpunkt der Erde anzutreten, wird jedoch ebenso unerfüllbar bleiben wie der Traum der Geoforscher, bis dorthin zu bohren oder zu sondieren. Die moderne Seismologie eröffnet aber ein zweites Fenster, um den Aufbau der Erde kennenzulernen. Unser Wissen über die innere Struktur, vom Erdkern über den Erdmantel zur Erdkruste, basiert auf Methoden der Geophysik, das heißt der Seismologie und der Untersuchung des Erdmagnetfeldes. Diese Erkenntnisse werden in Modelle des Erdaufbaus umgesetzt.

Erdbeben sind dabei die »Lichtquelle«, die wie Röntgenstrahlen das Erdinnere beleuchten. Mit verfeinerten Methoden der Messung und Auswertung können wir nicht nur den inneren und äußeren Erdkern sowie den Erdmantel untersuchen, sondern auch Detailfragen im kleineren Maßstab lösen. Beim Tunnelbau kann man heute vorausschauende Bilder über das Gestein vor der Bohrmaschine erhalten, das relativiert den alten Bergmannsspruch. Wir können auch feststellen, woher etwa Hawaii kommt, wie dick die Alpen sind oder wo gerade ein Erdbeben stattfindet. Unser Wissen ist auch hier begrenzt: Die Auswertung der Messungen beruht auf Annahmen über Eigenschaften der Gesteine in der tiefen Erdkruste oder im Mantel, die wir nur indirekt ableiten können oder im Labor unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen nachzustellen versuchen. Das ist Grundlagenforschung, aber sie hat, wenn man an Erdbeben denkt, dramatischen Bezug zum Leben von Millionen Menschen.

Der Tsunami im Dezember 2004 forderte eine viertel Million Todesopfer. Das verursachende Erdbeben war das zweitstärkste bisher gemessene und belegte die Dynamik unseres Planeten. Es gibt viele Naturereignisse, die für uns zu Naturkatastrophen werden. Für die Erde sind diese Vorgänge sozusagen der Normalbetrieb. Menschen haben schon immer versucht, Naturgefahren vorherzusehen und sich dagegen zu schützen.

Erdbeben fordern die meisten Todesopfer. Die Seismologie eröffnet uns daher nicht nur einfach ein Fenster ins Erdinnere, sondern ist zugleich auch ein unerlässliches Instrument bei der Gefahrenabwehr. Wir wissen heute, in welchen Regionen die meisten Beben auftreten und können eine Gefährdungsabschätzung vornehmen. Eine Erdbebenvorhersage allerdings ist auf absehbare Zeit nicht möglich.

Machen wir einen Vergleich: Die tägliche Wettervorhersage trifft mit einer Genauigkeit von 87 Prozent zu; das ist das Resultat von 300 Jahren Atmosphärenforschung. Im Bereich der Erdbebenprognose wird seit etwa 40 Jahren geforscht. Es ist noch nicht einmal bekannt, wonach wir genau suchen müssen, damit Erdbeben prognostiziert werden können, und es gibt die grundsätzliche Skepsis, ob man eine solche Vorhersage überhaupt realisieren kann. Fast alle Vorgänge in der Natur, auch Erdbeben, sind nichtlinear und damit potenziell chaotischer Art. Je mehr Variablen im Spiel sind, desto undurchsichtiger wird das Geschehen.

Es bleibt der Weg der Vorsorge und der Frühwarnung. Erdbebensicheres Bauen ist zwar teuer, aber langfristig rechnet es sich. Warnsysteme, die in Aktion treten, wenn es gefährlich bebt, existieren bereits für einige bedrohte Städte. Tsunami-Frühwarnsysteme gibt es für den Pazifik, für den Indischen Ozean sind sie im Aufbau. Aber das Mittelmeer und der Atlantik wären im Ereignisfall ungeschützt. Lissabons Schicksal im Jahr 1755 und Messinas Zerstörung 1908 erzählen uns, dass auch die europäische Geschichte derlei geologisch aktuelle Katastrophen aufweist.

Seit den 1960er Jahren vollzieht sich in den Geowissenschaften ein Umbruch von konventionellen, eher beschreibenden Ansätzen zu einer quantifizierenden Wissenschaft. Die wichtigsten Impulse entstammen dabei dem Konzept der Plattentektonik als vereinheitlichender Theorie. Begleitet wurde dieser Paradigmenwechsel durch die Entwicklung moderner Laboranalytik bis hinunter auf die atomare Ebene, durch weltraum- und bodengestützte Beobachtungen im globalen Maßstab und mathematische Modelle zur Simulation der Prozesse mit Hochleistungsrechnern.

Diese Forschung ist unabdingbar für das Fortbestehen der Menschheit, und zwar im engen Wortsinn. Wir leben nicht nur auf der Erde, wir leben auch von der Erde. Sie zu verstehen mit ihren Wirkungsmechanismen, ein Prozessverständnis zu entwickeln von den Zusammenhängen der Teilsysteme im Gesamtsystem Erde und von den Rückkopplungen der menschlichen Aktivitäten auf das System ist buchstäblich überlebensnotwendig für uns als Spezies.

Was wäre, wenn wir tatsächlich die Oberfläche unserer Erde als unmittelbaren Lebensraum vollständig verstünden? Wir könnten abschätzen, welche Auswirkungen das Aussterben einer Pflanzen- oder Tierart auf unser Leben hätte; wir könnten berechnen, ob sich unsere aktuelle Energieproduktion vielleicht nur für wenige Generationen eignet. Das Klima und der Landschaftsverbrauch ließen sich in ihrer Wechselwirkung aufeinander und im Gesamtkontext des Systems Erde verstehen. Erdbeben oder Vulkanausbrüche könnten viel von ihrem Gefahrenpotenzial einbüßen, weil die Menschheit gelernt hätte, solche tektonischen Ereignisse vorherzusagen, Ballungsräume nicht in gefährdeten Regionen anzusiedeln und erdbebensicher zu bauen. Wie gesagt, ein Wunschtraum.

Was hier wie Science-Fiction der späten sechziger Jahre anmutet, ist alles andere als eine rein träumerische Fragestellung. Aber es bleibt offen, ob unsere derzeitige Physik in der Lage ist, diese Sachverhalte jemals vollständig zu beschreiben. Das nichtlineare, chaotische System Erde mit all seinen Wechselwirkungen gleicht einem Prozess, bei dem das Resultat zugleich der Beginn ist. Henne oder Ei? Nach Harry Mulisch ist »das Huhn das Mittel, mit dem ein Ei das andere hervorbringt«. Die zu dieser Denkweise passende Physik sehen wir gerade erst in Umrissen.

Der Text ist eine gekürzte Fassung des Nachworts zu »Planet Erde«. Der Autor Reinhard Hüttl ist Vorstandsvorsitzender des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ)