Entstehung der Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre 2001 wurde von der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA die

Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) gestartet, die eine neue Karte der Kosmischen Hintergrundstrahlung (2.73 K Mikrowellenstrahlung =Abbild des frühen Universums) erstellen sollte. Aus diesen Messungen wurde nach dem kosmologischen Standardmodell das Alter des Universums abgeleitet: 13,7 Milliarden Jahre.

In der Folge des Urknalls entstanden die 4 Naturkräfte Schwerkraft, elektromagnetische Kraft, schwache und starke Kernkraft

Sowie Protonen und Neutronen. Aus diesen durch Kernfusion ca. 25% Helium, sowie geringe Mengen Deuterium und Lithium = Primordiale Nukleosynthese

Die Kosmische Hintergrundstrahlung entstand ca. 380 000 Jahre nach dem Urknall, als das Plasma zu neutralen Atomen kondensierte

Die ersten Sterne entstanden bereits 200 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Sterne

Entstehen bis auf den heutige Tag dadurch, dass sich kosmische Materie irgendwo überdurchschnittlich stark verdichtet

und sich aufgrund der Gravitation in Richtung auf ihren Schwerpunkt hin kontrahiert.

Gravitationsenergie wird frei, der Himmelskörper heizt sich während seiner Schrumpfung adiabatisch auf.

Ab 107 K setzt die Fusion von Wasserstoff zu Helium ein.

Dabei entstehen Positronen, Neutrinos und pro Mol Helium 2580 Millionen kJ

1H + 1H → 2H + e+ + νe x 2

2H + 1H → 3He + γ x 2

3He +3He → 4He + 1H + 1H

e+ + e− → 2γ x 2

___________________________________________________________

6 1H → 4He + 2 e+ + 2 νe+ 2 1H 26,204 MeV

Strahlungsleistung unserer Sonne: 3,845x1026 J/s

Hans Bethe, 1967 Nobelpreis für Physik. Seine Arbeiten über Kernreaktionen führten Bethe zur Entdeckung der Kernreaktionen, welche für die Energieversorgung der Sterne verantwortlich sind .

Entstehung der Elemente Seit der Entstehung der Sonne (vor 4,6 Milliarden Jahren) ist

nur 1/10 des vorhandenen nutzbaren Wasserstoffs verbraucht worden, die Sonne hat noch ein langes unverändertes Leben vor sich (ca. 5 Milliarden Jahre)

Durch die bei der Wasserstofffusion frei werdende Energie wird der weitere Gravitationskollaps der Sonne aufgehalten

Wenn aber bei einem Stern >1,5 Sonnenmassen 10% des Wasserstoffs aufgebraucht sind, findet eine erneute gravitationsbedingte Kontraktion statt, die Temperatur steigt auf 108 K und es beginnt die Fusion von Helium zu Beryllium, Beryllium mit Helium zu Kohlenstoff, Kohlenstoff mit Helium zu Sauerstoff und Sauerstoff mit Helium zu Neon

Oberhalb 109 K entstehen auch höhere Alpha-Kerne bis zum Titan (immer rascher, die letzte Stufe, das Siliziumbrennen, dauert nur mehr Stunden)

Ab Temperaturen 3x109 (Supernova) (nur bei massereichen Sternen) werden die sehr stabilen Elemente in der Umgebung von Eisen erzeugt (durch den sogenannten Equilibrium-Prozess)

Die Elemente oberhalb des Eisens bilden sich bei Supernova-Explosionen und in Riesensternen weniger durch thermonukleare Prozesse als durch Neutroneneinfang

Beteigeuze, der linke Schulterstern im Sternbild Orion, ein „roter Überriese“, hat fast allen Wasserstoff verbraucht, und das Heliumbrennen hat begonnen. Er wird vermutlich als Supernova enden. (Er ist ca. 640 Lichtjahre von uns entfernt.)

Rest von Keplers Supernova 1604 (in 20 000 Lichtjahren Entfernung)

Supernova: u.a. durch Explosion eines massereichen Sterns mit mehr als acht Sonnenmassen, nachdem er nach Verbrauch seines nuklearen Brennstoffs kollabiert ist.

Nur einige Tage zu sehen

Im letzten Jahrtausend gab es in unserer Milchstraße 6 Supernovae

Primordiale Radionuklide

Halbwertszeit (Jahre)

Th-232 1,4 x 1010

U-238 4,5 x 109

K-40 1,3 x 109

U-235 7,0 x 108

Pb-207 ist das Endprodukt der Uran-235 Zerfallsreihe Pb-206 ist das Endprodukt der Uran-238 Zerfallsreihe

Kosmische Uhr

Kosmische Uhr

Der solare Nebel (Rest einer Supernova) fällt in sich zusammen und

beginnt zu rotieren Dabei bildet sich eine Gas- und Staubscheibe

um die ProtosonneDas Standardmodell massearmer Sternentstehung: (a) Molekülwolke mit dichten Wolkenkernen; (b) Vergrößerung eines Molekülwolkenkerns mit Bildung eines zentralen Objektes und einer umgebenden Scheibe; (c) Aktive Akkretionsphase mit zentralem (Proto-)Stern, Akkretionsscheibe und bipolarer Ausfluss (gibt den Drehimpuls ab). Der Stern wächst durch Akkretion aus der umgebenden Scheibe.Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

A hot compact dust disk around a massive youngstellar object; Stefan Kraus et al., 2010 (Europäische Südsternwarte ESO European Southern Observatory)

Entstehung des Sonnensystems

Die Materie unseres Sonnensystems hat sich vor ca. 6 Milliarden Jahren durch eine Supernova-Explosion gebildet

Diese Materie hatte die Form eines „solaren Nebels“, aus dem vor 4,6 Milliarden Jahren unser Sonnensystem entstanden ist

Nahe dem heißen Zentrum dieser Wolke konnten nur die schweren und schwerflüchtigen Stoffe kondensieren,

Während sich mit abnehmender Temperatur weiter außen Substanzen mit größerer Flüchtigkeit niederschlagen konnten

Bei den inneren Planeten sind die leichten und leichtflüchtigen Elemente (H, He, C, N, Edelgase) stark abgereichert

Die schweren und schwerflüchtige Verbindungen bildenden Elemente (O, Fe, Ni, Si, Al, Mg, Ca) sind stark angereichert

Die Erdatmosphäre enthält 0,934 % Ar-40 aus dem Zerfall von K-40

Das primordiale Argon bestand nur aus Ar-36 und Ar-38 (wie jetzt noch im Planeten Jupiter und in der Sonne); in der Erdatmosphäre sind diese Isotope nur mehr in Spuren vorhanden

Aus: Agemar Siehl, Umweltradioaktivität

Relative Häufigkeit der Elemente im Kosmos und im Erdkörper

Element Ordnungszahl Häufigkeit im Kosmos [%] Häufigkeit im Erdkörper [%]

Wasserstoff (H) 1 92.48 <0.1

Helium (He) 2 7.399

Sauerstoff (O) 8 0.00629 29.5

Kohlenstoff (C) 6 0.0292

Stickstoff (N) 7 0.00777

Neon (Ne) 10 0.00518

Magnesium (Mg) 12 0.00374 11.2

Silizium (Si) 14 0.00370 14.7

Eisen (Fe) 26 0.00318 37.4

Schwefel (S) 16 0.00178

Argon (Ar) 18 0.00081

Aluminium (Al) 13 0.00030 1.3

Calcium (Ca) 20 0.00022 1.4

Natrium (Na) 11 0.00021 0.6

Nickel (Ni) 28 0.00018 3.0

Chrom (Cr) 24 0.00005 0.3

Phosphor (P) 15 0.00003 0.1

Mangan (Mn) 25 0.00003 0.2

NASA

Der solare Nebel, aus dem sich die Erde zusammenballte, bestand aus gashaltigen festen Teilchen (Planetesimale, durch Akkretion der Staubteilchen gebildet).

Als Folge der adiabatischen Materieverdichtung und radioaktiver Prozesse (radioaktiver „Müll“ der Supernova-Explosion!) erhitzte sich die Erde und schmolz. Leichtflüchtige Bestandteile reicherten sich durch Abdampfen ins Weltall weiter ab

Während der darauf folgenden Abkühlungsphase erfolgte Entmischung der Erdmaterie

Als vor 4 Milliarden Jahren die Erdkruste erstarrte, entstand durch Ausgasen des Erdmantels die Uratmosphäre (Primordialatmosphäre)

Die äußere Hülle der Urerde enthielt genügend

zweiwertiges Eisen (FeO) aus kosmischem Staub,

um Methan und Ammoniak während des Ausgasens

zu Stickstoff, CO2 und Wasser umzusetzen.

4 FeO + CH4 CO2 + 2 H2O + 4 Fe

3 FeO + 2 NH3 N2 + 3 H2O + 3 Fe

Gigantischer „Hochofenprozess“

Zusammensetzung heutiger vulkanischer Exhalationen:80% H2O

10% CO2

7% H2S

0.5% N2

0.5% H2

0.5% COCH4 und NH3 nur in Spuren

HCl, HF, SO2, Edelgase in Spuren

kein O2

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Vor 4 Milliarden Jahren war die Radioaktivität noch wesentlich intensiver, die Erde noch viel heißer als heute.

Dies hatte kaum Einfluss auf die Oberflächentemperatur, aber auf Vulkanismus, Bildung der Atmosphäre, geologische und geochemische Prozesse

Foto: US National Park Service

Temperatur im Erdkern: 6000°C

Infolge des Temperaturgradienten im Erdmantel gibt es walzenförmige Konvektionsströme, die gegenläufig rotieren – Ursache der Plattentektonik

Die Konvektionsströme im äußeren Erdkern verursachen das erdmagnetische Feld,Das uns vor der kosmischen Strahlung schützt

Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg

Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg

Die Erdkruste (Lithosphäre)

„Schwimmt“ auf dem Erdmantel Dicke unter dem Ozean 5-7 km, unter

Kontinentalebenen 30-40 km, unter Gebirgen 50 km

Besteht zu 48,8% aus Sauerstoff, zu 26,3% aus Silizium

Bausteine: Ca-, Na-, Mg-, K-, Ti- und P-haltige Silicate und Alumosilicate

Saure, basische und ultrabasische Silicatgesteine bzw. Magmen

70% SiO2 „sauer“ (Erdkruste) 50% SiO2 „basisch“ <50% SiO2 „ultrabasisch“

(Erdmantel)

Der Erdkern

86% Fe, 7% Ni, 1% Co, 6% S Der innere Teil mit Radius 1400 km ist

fest, Druck 3,3 Millionen Bar, Temperatur 6000°C

Bei 6000°C und 1 Bar Druck wäre Eisen gasförmig

Subduktionszonen Hier falten sich Gebirge auf und es entstehen

Tiefseegräben In der abtauchenden ozeanischen Platte

werden die oberflächennah gebildeten Minerale einem steigenden Überlagerungsdruck ausgesetzt

wandeln sich in spezifisch schwerere Hochdruckminerale um, die die Platte weiter nach unten ziehen können

Infolge der in der Tiefe herrschenden hohen Drucke zeichnen sich die Strukturen der

Verbindungen durch höhere Koordinationszahlen der Gitterbausteine aus:

Stishovit (SiO2, Hochdruckmodifikation, Rutil-Typ (TiO2), tetragonal)

KZ=6, Dichte 4,35 g/cm3

Quarz (SiO2, trigonal, auf der Erdoberfläche stabil) KZ=4, Dichte 2,65 g/cm3

Dominantes Mineral des tiefen Erdmantels in 2300 km Tiefe: Mg,Fe(SiO3)

KZ=6, Perowskit-Struktur (CaTiO3-Typ, orthorhombisch)

Die Ca2+- und die O2--Ionen bilden zusammen eine kubisch-dichteste Packung, in deren O6-Oktaederlücken die kleinen Ti4+-Ionen untergebracht sind (gelb Titan, rot Sauerstoff, rosa Calcium)

Quelle: Caroline Röhr, Universität Freiburg

Perowskit-Struktur

Mittlere Dicke bzw. Radius (km)

Mittlere Dichte (g/cm3)

Atmosphäre >1000

Hydrosphäre 3.8 1.03

Erdkruste 17 2.8

Erdmantel 2883 4.5

Erdkern 3471 11.0

Gesamterde 6371 5.514

Aufbau der Erde

Zum Vergleich: Dichte von Alpha-Eisen (krz) bei Raumtemperatur: 7,873 g/cm3

durchschnittlicher geothermischer Gradient: 3°C pro 100 m TiefeWärmestrom 0,06 Watt/m2 Erdoberfläche(Solarkonstante: 1367 Watt/m2)

Bild: Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung

Lord Kelvins Alter der Erde Lord Kelvin stellte 1855 eine Berechnung vor, die von einer

glutflüssigen, homogenen Erdkugel von 6000 Grad Celsius Temperatur ausging und über die Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen die Zeit berechnete, die zum Erreichen des (aus dem Bergbau bekannten) geothermischen Gradienten nötig war.

Seine Ergebnis für die verstrichene Zeitspanne lag bei etwa 20-25 Millionen Jahren.

Dieses Alter brachte ihn in Konflikt mit der Geologie die schon damals für ein sehr viel höheres Alter argumentierte.

Es existieren zusätzliche Wärmequellen, die die Abkühlung verlangsamen: Entdeckung der Radioaktivität erst 1896 (Henry Becquerel)

2001 wurde von Labrosse et al. eine weitere Wärmequelle vorgeschlagen: die Kristallisation des inneren Erdkerns, Beginn vor 2,5 Milliarden Jahren  

H2O und CO2 absorbieren im IR

Venus und Erde (Größenvergleich)

Venus-Atmosphäre: 95% CO2, 100 Bar an der Oberfläche, 480°C (durch den Treibhauseffekt)

Quelle: NASA

Entstehung der Hydrosphäre Hätten sich Wasserdampf und/oder CO2 zu

irgend einem Zeitpunkt in hoher Konzentration in der Atmosphäre angereichert, so hätte dies zur „Wärmehölle“ auf der Erde geführt

ein Großteil des ausgasenden Wassers muss demnach rasch kondensiert sein, der größte Teil des ausgegasten CO2 hat die Atmosphäre nur passiert und wurde anschließend in den Sedimenten begraben

Ein nur mäßiger Treibhauseffekt ermöglichte die Entstehung und Entwicklung des Lebens bei geeigneten Temperaturen (die berechnete Strahlungsgleichgewichts-Temperatur für die heutige Erde ohne Treibhauseffekt beträgt -18°C)

Höhen- und Tiefenstufen der Erde (heute)

Quelle: Spektrum der Wissenschaft: Die Dynamik der Erde

vor 3,8 Milliarden Jahren hatte sich die Hydrosphäre gebildet

der Kreislauf des Wassers über Verdunstung, Kondensation und Niederschlag entzog der Atmosphäre immer mehr CO2

und brachte gelöste Metallionen von den Gesteinen der Kontinente in die noch unbelebten Urmeere

auf deren Boden sich CaCO3 und MgCO3 absetzten und die reich an Fe2+ waren

Jörg Ott, Meereskunde

Atmosphäre und Hydrosphäre vor 3,8 Milliarden Jahren enthielten keinen elementaren Sauerstoff.

Sauerstoff liefernde Prozesse waren die Photolyse von Wasserdampf und CO2

zu unergiebig der gebildete O2 reagierte sofort mit reduzierenden

vulkanischen Gasen H2, H2S Hydrothermale Reaktionen in den Spreizungszonen der

mittelozeanischen Rücken

222

22

22

22

OHStrahlungUVOH

OCOStrahlungUVCO

24323 HOFeOHFeO

In 2,5x109 Jahre alten Flussschottern (Konglomeraten) fand man Uraninit UO2.

Die Körnchen wurden von Flüssen im Geröll weite Strecken transportiert und dabei charakteristisch abgerundet.Hätte die Atmosphäre Sauerstoff enthalten, so wäre das Uran(IV) rasch zu Uran(VI) oxidiert worden.Die Körnchen hätten sich aufgelöst, weil das entstehende [UO2]2+ (Uranyl- Ion) im Gegensatz zum Uraninit gut wasserlöslich ist.

Auch Schottersteine aus Pyrit FeS2 in solchen Sedimenten beweisen die Abwesenheit von Sauerstoff.

Beweis dafür, dass es in der frühen Erdatmosphäre keinen

Sauerstoff (O2) gab:

Wieso enthält die heutige Atmosphäre O2?

Die heutige Zusammensetzung der Atmosphäre ist eine Folge der oxygenen Photosynthese, also des Lebens auf der Erde.

Entscheidende Bedeutung der Ozeane für die Entstehung des Lebens

Wasser ist der Träger aller chemischen Lebensvorgänge in den Organismen

Wasser löste das atmosphärische CO2 und verhinderte zu großen Treibhauseffekt

Wasser löste CO2 und alle anderen Nährstoffe Wasser wirkte aufgrund seiner hohen

Wärmekapazität stabilisierend auf das irdische Klima (4184 J/(kg·K))

Wasser absorbierte das kurzwellige UV (200nm – 290nm) (die ersten Organismen lebten unter einer 10 m dicken Wasserschicht (UV Filter entspricht der heutigen Atmosphäre)

Erste Mikroorganismen Mikroorganismen besiedeln die

Erde seit ca. 3,5 Milliarden Jahren

vielzellige Lebewesen erst seit etwa 0,7 Milliarden Jahren

Mikroorganismen haben durch ihren Stoffwechsel die Entwicklung der Hydrosphäre und Lithosphäre sowie Atmosphäre schon früh beeinflusst

Photosynthese

CO2 + 2 H2S + Licht [CH2O] + H2O + 2 S

2 CO2 + 2 H2O + H2S + Licht 2 [CH2O] + H2SO4

CO2 + 2 H2 + Licht [CH2O] + H2O

CO2 + 2 H2O + Licht [CH2O] + H2O + O2

6 CO2 + 12 H2O +Licht C6H12O6 + 6 O2 + 2 H2O H0=+2870 kJ/mol

Viele Prozesse wie die N2- CO2- und S-Assimilation waren bereits von Anbeginn des Lebens mit Lichtreaktionen, einem Elektronenfluss und ATP verbunden.

Aber erst die Kopplung zweier lichtgetriebener Reaktionen, d.h. die Kopplung zweier Photosysteme erzeugte die notwendige Energie für die Oxidation von Wasser und die Freisetzung von Sauerstoff.

Spuren in ältesten Gesteinen (3,5 Milliarden Jahre alt) weisen darauf hin, dass cyanobakterielle Ökosysteme sehr bald die frühe Erde beherrscht haben könnten.(Manfred Schidlowski, 1998)

Die ältesten eindeutigen Fossilien von Cyanobakterien sind allerdings erst 2,1 Milliarden Jahre alt

u.a. in Marokko, Westaustralien, den USA, Kanada und Südafrika gibt es fossil erhaltenen Stromatolithen des Archaikums (4,0 – 2,5 Ga) und Proterozoikums (2,5 Ga – 635 Mio Jahre)

(Reitner et al., 2010)

Bild: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg

Die biologische Kohlenstoff-Fixierung durch die archaischen Stromatolithen zeigt, dass prokaryotisches Mikrobenthos die Erde schon vor etwa 3,5 Milliarden Jahren beherrscht hat. Die Archaisch-Proterozoischen Funde bestehen wahrscheinlich hauptsächlich aus Cyanobakterien.

Vergleichbare mikrobielle Gesellschaften gehören zu den produktivsten Ökosystemen der heutigen Biosphäre. Besonders die benthischen (= auf dem Meeresboden lebenden) Cyanobakterien können die erstaunliche Primärproduktivität von 10g C/m² am Tag erreichen.

Die Photosynthese hat daher in quantitativer Hinsicht während der nachfolgenden Evolution des Leben nur wenig an Wichtigkeit dazu gewonnen. (Manfred Schidlowski)

rezente Stromatholithen (Shark Bay in Westaustralien)

Beschränken sich auf “high-stress“ Habitate

Quelle: www.fossilien.de

Die frühen Cyanobakterien waren anaerob, deckten ihren Energiebedarf durch Gärung

Der von ihnen produzierte Sauerstoff war für sie giftig

Durch den hohen Fe2+ Gehalt des Ozeans war das zunächst kein Problem, Fe2O3 wurde ausgefällt

Im Zeitraum 3,8 – 2 Milliarden Jahre vor heute entstanden die Itabirite (gebänderte Eisensteine)

70% der Welteisenerzförderung

Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg

Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg

Übergang zur sauerstoffreichen Atmosphäre

Vor 2 Milliarden Jahren war die Sauerstoffproduktion so wichtig geworden, dass auch die Atmosphäre O2 enthielt und kein Fe2+ mehr in den Ozean nachgeliefert wurde

Viele Organismen gingen dann zur Sauerstoff-Atmung über

Die Glykolyse ist der einzige metabolische Weg, den alle Organismen gemeinsam haben, was auf seine sehr frühe Entstehung hinweist; existierte bereits in den ersten Procaryoten vor 3,5-3,8 Milliarden Jahren.

Die Sauerstoff-Atmung bedeutet gegenüber der Gärung eine wesentlich effektivere Ausnutzung der in den Kohlenhydraten gespeicherten Energie. Bei vollständiger Oxidation werden aus einem Molekül Glucose 36 Moleküle ATP gewonnen, bei der Gärung nur 2 Moleküle ATP (diese 2 ATP werden im Zuge der Glykolyse gewonnen )

Atmung ist schon bei 1% des heutigen O2 Partialdrucks möglich.

Infolge dieses Fortschritts nahm die biologische Aktivität und damit auch die Sauerstoff-Produktion sprunghaft zu.

Rote Sandsteine im Grand Canyon, 1,3 Milliarden Jahre alt

Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Fe(II) der Gesteine der Kontinente viel langsamer als mit in Wasser gelöstem Fe(II).

Auch heute enthält die Erdkruste Fe(II) und Sulfide noch in solchen Mengen, dass diese den gesamten in der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoff aufbrauchen würden, wäre die Reaktion rascher.

Die Umsetzung (Verwitterung von Urgestein) erfolgt jedoch so langsam, dass der dabei verbrauchte Sauerstoff durch Photosynthese (bei gleichzeitigem Begraben von organischem Kohlenstoff im Sediment) laufend wieder ersetzt werden kann (Fließgleichgewicht)

Es bedarf eines Überschusses der Photosyntheserate über die Atmungsrate:

Der reduzierte Kohlenstoff wird nicht zur Gänze wieder zu CO2 oxidiert, sondern wandert zum Teil ins Sediment, wo er vor Oxidation geschützt ist.

So kann der Sauerstoffverbrauch durch die Oxidation reduzierender Krustenbestandteile und reduzierender vulkanischer Gase ausgeglichen werden.

Mangel an bioessentiellen Metallen im Ozeanvor 2 Milliarden Jahren bis vor 1 Milliarde Jahren fehlte weitgehend eine globale Zirkulation des Weltozeans.Gleichzeitig begann vor 2 Milliarden Jahren die Sulfat-Zufuhr zum Ozean durch die einsetzende oxidative Verwitterung der Gesteine der Kontinente.Durch dissimilatorische Sulfatreduktion entstanden hohe H2S Gehalte in tieferen sauerstofffreien Wasserschichten, dies führte zur Bildung schwerlöslicher Sulfide von Mo, Fe, Cu, Zn.

Durch den Mangel an Mikronährstoffen im Ozean verzögerte sich vermutlich die Entwicklung der Eukaryoten, die erst vor 1,4 Milliarden Jahren die Bildfläche betraten.

Dissimilatorische Sulfatreduktion (= Sulfatatmung)

z.B. Desulfovibrio

Elektronendonor sind molekularer Wasserstoff H2 oder organische Verbindungen wie Produkte anderer mikrobiellerProzesse (z.B. Lactat).

SRB sind anaerobe Bakterien und leben im sauerstofffreien Grundbereich von Seen und Meeren. Heutiges Beispiel: Schwarzes Meer. Das entstehende Sulfid führt zur Ausfällung von Eisen(II) als Eisensulfid

Aus: Die Dynamik der Erde, Spektrum Verlag, Heidelberg