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2026-01-04T10:20:10Z

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[[Datei:Geothermal gradient.png|mini|hochkant=1.8|Temperaturprofil des Erdinneren, die Steigung der schwarzen Linie ist der Gradient. Die gestrichelte rote Linie im linken Teildiagramm zeigt die Schmelztemperatur des Gesteins des obersten Mantels in der jeweiligen Tiefe. Außer in der Asthenosphäre liegt die Gesteinstemperatur stets unterhalb der Schmelztemperatur. Im obersten Mantel und an der Kern-Mantel-Grenze ist der Gradient deutlich steiler.]]

Der '''geothermische Gradient''' beschreibt die Änderung der [[Temperatur]] mit zunehmender Tiefe im Erdreich.<ref name=":1">{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/geothermischer-gradient/5754 |titel=geothermischer Gradient |werk=Lexikon der Geowissenschaften |hrsg=Spektrum |sprache=de |abruf=2023-01-31}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/g/geothermische-tiefenstufe.html |titel=Geothermische Tiefenstufe |werk=Geothermie |sprache=de |abruf=2023-01-31}}</ref> Sein Kehrwert ist die '''geothermische Tiefenstufe,''' die Tiefendifferenz, in der sich die [[Erdkruste]] um ein [[Kelvin]] erwärmt.<ref name=":0">{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/geothermische-tiefenstufe/2993 |titel=geothermische Tiefenstufe |werk=Lexikon der Geographie |hrsg=Spektrum |sprache=de |abruf=2023-01-31}}</ref>

== Definition ==
Der geothermische Gradient ist ein [[Temperaturgradient]], also ein Maß für die (infinitesimale) Temperaturänderung in Abhängigkeit von einer Strecke, im geowissenschaftlichen Sinne fast ausschließlich bezogen auf die Tiefe unterhalb der Erdoberfläche.<ref name=":2" /> Der Zusammenhang zwischen ''geothermischen Gradienten'' und ''geothermischer Tiefenstufe'' kann ausgedrückt werden als:
:<math>\text{Tiefenstufe} = \frac 1 \text{Temperaturgradient}</math>
Der geothermische Gradient wird oft mit dem Großbuchstaben Gamma <math>\Gamma</math> bezeichnet und ist dementsprechend definiert als die Änderung der Temperatur <math>T</math> in Bezug auf die zunehmende Tiefe <math>z</math>:<ref name=":1" />

:<math> \Gamma=\frac{{\mathrm d T}}{{\mathrm d z}} </math>

=== Einheiten ===
Während die ''geothermische Tiefenstufe'' für gewöhnlich in [[Meter|Metern]] pro [[Grad Celsius]] bzw. [[Kelvin]] <math display="inline">\left(\mathrm{\frac{m}{K}}\right)</math> angegeben wird, sind für den ''geothermischen Gradienten'' mehrere Einheiten üblich, so <math>\mathrm{\tfrac{K}{m}}</math>, <math>\mathrm{\tfrac{K}{km}}</math><ref name=":1" /> und <math>\mathrm{\tfrac{mK}{m}}</math>.<ref name=":2">{{Internetquelle |url=https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/g/geothermischer-gradient.html |titel=Geothermischer Gradient |werk=Geothermie |sprache=de |abruf=2023-01-31}}</ref>

=== Werte ===
In den obersten 10–15 Metern wird die [[Bodentemperatur]] durch atmosphärische Faktoren, wie Sonneneinstrahlung, Luftkontakt und versickerndes Regenwasser bestimmt. Darunter bis in ca. 50 Meter Tiefe herrschen in Mitteleuropa über das Jahr konstant etwa 10 °C,<ref>{{Internetquelle |url=https://www.bodenwelten.de/content/energie-aus-dem-boden |titel=Energie aus dem Boden |hrsg=Bundesverband Boden e. V. |abruf=2023-06-09}}</ref> also etwa die [[Jahresmitteltemperatur]]. Unterhalb von 50 Metern beginnt der Bereich, der hauptsächlich durch den [[Wärmestrom]] aus dem Erdinneren bestimmt wird; eine Erwärmung um ein Kelvin erfolgt in diesem Teil der Kruste durchschnittlich alle 33 Meter bzw. alle 100 Meter steigt die Temperatur um etwa 3 Kelvin an:<ref name=":0" /><ref name=":1" /><ref name=":2" />

:<math>\mathrm{ 33\,\frac{m}{K}\;\, \mathrel{\widehat=}\;\, 30\,\frac{K}{km} \, = \;30\,\frac{mK}{m} }</math>

Genauer schwanken ''geothermische Gradienten'' etwa in einem Bereich zwischen 27,8 K/km und 35,3 K/km, der weltweite mittlere geothermische Gradient liegt bei etwa 29,8 K/km.<ref name=":1" /> Der Temperaturgradient innerhalb der Lithosphäre variiert jedoch stark nach tektonischem Umfeld. In den zentralen Teilen der Kontinente ist das Gefälle am geringsten, während er an Plattengrenzen steigt, insbesondere an auseinander driftenden Platten.<ref name=":3">{{Literatur |Autor=Karla Panchuk |Hrsg=University of Saskatchewan |Titel=Physical Geology |Auflage=3. |Datum= |Online=https://openpress.usask.ca/physicalgeology/}}</ref> Lokal können die Gradienten daher stark von dem Mittelwert abweichen, so sind beispielsweise im [[Oberrheingraben]] Gradienten von 50 K/km bis 100 K/km möglich.<ref name=":1" />

Für die ''geothermische Tiefenstufe'' gilt das Gleiche. In [[Grabenbruch|Grabenbrüchen]] ist die [[geothermische Tiefenstufe]] oft sehr gering (5,2 m/K bei [[Osek]] im [[Egergraben]]), während in tektonisch inaktiven [[Kraton|Kratongebieten]] sehr hohe Werte erreicht werden (bis über 170 m/K in Südafrika).<ref name=":0" />

Abweichungen von den Mittelwerten erklären sich aus dem [[Geologie|geologischen Bau]], der [[Thermische Leitfähigkeit|thermischen Leitfähigkeit]] der Gesteine und dem Vorhandensein von Wärmequellen (wie [[Magmakammer|Magmakammern]]) im Untergrund.<ref name=":0" />

Im Erdmantel fällt der geothermische Gradient drastisch ab, steigt an der Basis des Erdmantels wieder stark an und nimmt dann im Erdkern langsam zu.<ref name=":3" />

== Zusammenhang zur Wärmeleitfähigkeit ==
Unter der Annahme einer konstanten [[Wärmestromdichte]] lässt sich der geothermische Gradient in Abhängigkeit von der [[Wärmeleitfähigkeit]] umformulieren:<ref name=":1" />

:<math>q_z = \lambda_{zz}\frac{{\mathrm d T}}{{\mathrm d z}} = \lambda_{zz}\Gamma</math>

Hierbei wird die Wärmestromdichte <math>q</math> nur in Richtung der Tiefe <math>z</math> betrachtet, <math>\lambda_{zz}</math> ist die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der ''z''-Achse, <math>T</math> die Temperatur in Kelvin und <math>\Gamma</math> steht für den geothermischen Gradienten.

Wenn die Wärmeleitfähigkeit steigt, verringert sich der geothermische Gradient, und umgekehrt. Der geothermische Gradient reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen der Wärmeleitfähigkeit und somit auf Veränderungen der Gesteinszusammensetzung. Der geothermische Gradient ist daher kein Hilfsparameter zur Bestimmung der Wärmestromdichte, sondern ein eigenständiger Parameter, der wesentliche Informationen über das geothermische Feld liefert.<ref name=":1" />

== Anwendung ==
Der geothermische Gradient ist z. B. für die [[Geothermie]], aber auch für jede Art von [[Tiefbohrung]]en relevant. In vulkanisch aktiven Gebieten ist die Tiefenstufe besonders klein, d. h. der Temperaturgradient besonders groß, wobei es jedoch im Bereich von [[Subduktionszone]]n in größeren Tiefen auch zu einer Umkehrung des Temperaturgradienten kommen kann: Dort steigt die Temperatur nicht mit der Tiefe, sondern sie ''sinkt''. Dies hängt damit zusammen, dass dort vergleichsweise kühle Oberflächengesteine in den Erdmantel gezogen werden.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=Werner Zeil
|Titel=Brinkmanns Abriss der Geologie, erster Band: Allgemeine Geologie
|Auflage=12.
|Verlag=Ferdinand Enke Verlag
|Ort=Stuttgart
|Datum=1980
|ISBN=3-432-80592-6
|Seiten=217}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4604065-1}}

[[Kategorie:Geothermie]]

Geothermischer Gradient - Versionsgeschichte

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