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2016 | Book

Einführung in die Geophysik

Globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde

Author: Christoph Clauser

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

Christoph Clauser führt mit diesem, nunmehr in der zweiten Auflage vorliegenden, vollständig überarbeiteten Lehrbuch Anfänger auf einem mittleren Niveau in die Geophysik ein. Er geht dabei über eine rein phänomenologische Beschreibung hinaus und erläutert systematisch die physikalischen Grundlagen der beschriebenen Phänomene. Behandelt werden jene Prozesse und Felder, die die Erde als Ganzes betreffen: ihre Position im Weltall; ihr genereller Aufbau; ihr Alter und das ihrer Gesteine; Erdbeben und deren Nutzung zur Erkundung der inneren Struktur der Erde; ihre äußere Form, Gezeiten und isostatischen Ausgleichsprozesse; die Struktur des Erdmagnetfeldes, der erzeugende Geodynamoprozess sowie die Wechselwirkung zwischen der Magnetosphäre der Erde und dem Plasmastrom des Sonnenwinds; das Temperaturfeld der Erde und Wärmetransportprozesse im Kern, Mantel und in der Kruste der Erde und deren Bedeutung für den Antrieb des Geodynamos und der Plattentektonik. Allen Kapiteln ist jeweils ein kurzer historischer Abriss vorangestellt, der die Entwicklung der jeweiligen Disziplin bis in die jüngste Vergangenheit beleuchtet. Anhand von Biografien ausgewählter Wissenschaftler wird aufgezeigt, unter welchen äußeren und persönlichen Bedingungen diese ihre bahnbrechenden Ergebnisse erzielt haben. Der Text führt in die deutsche und englische Fachterminologie ein. Mathematische Ableitungen werden erläutert. Übungsaufgaben mit durchgerechneten Ergebnissen ermöglichen ein eigenständiges Überprüfen des erlangten Verständnisses.

Ein ausführlicher Anhang enthält eine Fülle nützlicher Zusatzinformationen wie geologische Zeittafel, allgemeine Bezugsdaten, Umrechnungsfaktoren, die aktuellsten Werte der Naturkonstanten, Rechenregeln für Vektoren und Tensoren und zudem zwei Kapitel zu den Grundgleichungen der Hydrodynamik und Hydrothermik. Das Buch wendet sich an Bachelor- und Masterstudierende der Geophysik und der Geowissenschaften sowie an Nebenfachstudierende der Physik, der Umweltwissenschaften und der Geoökologie.

Table of Contents

Frontmatter
1. Grundsätzliches zur Geophysik, zur Lage der Erde im Weltall, zu ihrer stofflichen Zusammensetzung und ihrem inneren Aufbau
Zusammenfassung
Dieses Buch beschreibt, wie physikalische Kraftfelder und Prozesse innerhalb und außerhalb des Erdkörpers uns vermitteln, wie alt die Erde ist, wie ihre innere Struktur und äußere Form beschaffen sind und welche Quellen und Eigenschaften ihre Magnet- und Temperaturfelder aufweisen. Dagegen sind die geophysikalischen Erkundungsverfahren zur Charakterisierung der obersten Erdkruste im Zusammenhang mit der Suche nach Lagerstätten nicht Thema dieses Buches. Ihre Beschreibung bleibt separaten Texten vorbehalten.
Die meisten der in diesem Buch behandelten geophysikalischen Themen beziehen ihren besonderen Reiz daraus, dass sie selbst bzw. ihre Auswirkungen auf unsere unmittelbare Umwelt sich den menschlichen Sinnen direkt erschließen. Wiewohl es sich dabei also um physikalische Phänomene handelt, die mathematisch beschrieben werden, erfordert ihr Verständnis in der Regel ein weit geringeres Maß an Abstraktion als manches andere Teilgebiet der Physik.
Christoph Clauser
2. Radioaktiver Zerfall und das Alter von Gesteinen
Zusammenfassung
Die Frage, wie alt Erde und Kosmos sind, wurde sehr lange kontrovers diskutiert. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts hatte man verstanden, dass Schichten von ungestört übereinander abgelagerten Sedimentgesteinen eine zeitliche Abfolge bilden. Auch die Bedeutung von Fossilien zur Identifizierung von Schichten gleichen Alters war erkannt worden. Aber erst Darwins Evolutionstheorie von der Entwicklung der Arten lieferte den verbindenden kausalen Zusammenhang zwischen der Entwicklungsabfolge der Arten einerseits und der chronostratigrafischen Abfolge von Sedimentgesteinen andererseits. Aber die darwinsche Evolutionstheorie vermittelte nur eine sehr vage Vorstellung über die dazu erforderlichen Zeitspannen.
Christoph Clauser
3. Erdbeben und die Struktur der Erde
Zusammenfassung
Aus der Beobachtung und Interpretation der Ausbreitung seismischer Wellen wurden die entscheidenden Erkenntnisse über den Aufbau der Erde gewonnen. In der Geophysik unterscheidet man zwischen Seismologie und Seismik: Während die Seismologie den Aufbau der Erde mit Hilfe natürlicher Erdbeben und der durch Starkbeben angeregten Eigenschwingungen der Erde untersucht, erkundet die Seismik (explosion seismology) die Kruste mit Hilfe technisch angeregter Erschütterungen (Hammerschlag, Fallgewicht, Vibrator, Sprengrohr, Druckluftkanone (air gun), Sprengungen) und der natürlichen Bodenunruhe. Diese dienen dazu, den Aufbau der oberen Kruste und darin befindliche Strukturen zu erkennen, wie sie für Lagerstätten – insbesondere der Kohlenwasserstoffe – charakteristisch sind.Während die Seismik historisch aus der Seismologie hervorgegangen ist und auch heute noch starke Querverbindungen zwischen beiden Gebieten bestehen, wird sie im Rahmen dieses Buches nicht behandelt. Dies bleibt Texten vorbehalten, die sich den Erkundungsmethoden der Angewandten Geophysik widmen.
Christoph Clauser
4. Schwerefeld und Figur der Erde
Zusammenfassung
Die Form der Erde war für die Menschen von Anbeginn sowohl eine philosophisch-religiöse Frage als auch von praktischer Bedeutung, insbesondere für die frühen Seefahrer. In der griechischen Mythologie war die Erde eine flache Scheibe, umgeben von dem sie umfließenden Urstrom Okeanos. Diese Idee wurde später modifiziert, sodass die flache Erde im Zentrum einer Himmelkugel lag (Anaximedes, 6. Jahrhundert v. Chr.). Pythagoras (582–507 v. Chr.) und seine Schüler waren die Ersten, die erwogen, die Erde sei eine Kugel. Die erste auf Messungen beruhende Schätzung der Größe dieser Erdkugel machte Eratosthenes (275–195 v. Chr.), der Leiter der berühmten Bibliothek in Alexandria. Sie beruhte auf der Beobachtung, dass Sonnenstrahlen, die in Syene (dem heutigen Assuan) zur Zeit der Sommersonnenwende mittags senkrecht in einen vertikalen Brunnenschacht fallen, gleichzeitig in Alexandria einen Schatten werfen (Abb. 4.1).
Christoph Clauser
5. Magnetfeld und Magnetosphäre der Erde
Zusammenfassung
Das Erdmagnetfeld war Gegenstand einer der ersten wissenschaftlichen Betrachtungen der Menschheit überhaupt, und der Magnetismus ist eines der am längsten bekannten physikalischen Phänomene. Die Entdeckung der Magnetnadel und ihrer richtungweisenden Eigenschaft erfolgte in China angeblich bereits im 26. Jahrhundert v. Chr.; allerdings sehen sie andere Berichte dort erst im 13. Jahrhundert n. Chr. durch Araber oder Europäer eingeführt. Um das Jahr 800 v. Chr. berichten griechische Philosophen über das Mineral Magnetit. Thales von Milet war bekannt, dass es Eisen anzieht, und der römische Naturforscher und Enzyklopäde Gaius Plinius der Ältere wusste, dass man mit ihm Eisen magnetisieren kann. Der Name Magnetit wird von Lukrez auf die thessalische Stadt Magnesia zurückgeführt, wo die Griechen dieses Mineral erstmals gefunden haben sollen. Die nächste Erwähnung des Magnetismus findet sich in Europa bei dem englischen Mönch und Wissenschaftler Alexander Neckam (1157–1217).
Christoph Clauser
6. Wärme und Temperaturfeld der Erde
Zusammenfassung
Die in der Erde gespeicherte Wärme liefert die Antriebsenergie für die durch thermische Auftriebskräfte hervorgerufenen Konvektionsströme (thermal convection) im flüssigen Erdkern und im plastischen Erdmantel. Im äußeren Erdkern bewirkt die Gravitation einen weiteren Antrieb der Konvektion, indem schwere Komponenten nach unten sinken (negativer Auftrieb), was auch als stofflich bedingte Konvektion (compositional convection) bezeichnet wird. Im Erdmantel werden die Konvektionsbewegungen ebenfalls gravitativ durch das Absinken der kühlen, schwereren Krustenplatten an den Subduktionszonen beeinflusst (slab pull). Ihr Aufschmelzen in größerer Tiefe und der damit verbundene thermische Auftrieb werden dagegen wieder durch die thermische Energie der Erde bewirkt. Die Wärme der Erde ist somit wesentlich am Entstehen und Aufrechterhalten des Erdmagnetfelds beteiligt, ebenso wie an der Bewegung der Platten der Erdkruste.
Christoph Clauser
7. Anhang
Zusammenfassung
Geologische Zeittafeln und Periodensystem der Elemente
Christoph Clauser
8. Antworten zu den Fragen und Lösungen der Aufgaben
Zusammenfassung
Antworten zu den Fragen und Lösungen der Aufgaben
Christoph Clauser
Backmatter
Metadata
Title
Einführung in die Geophysik
Author
Christoph Clauser
Copyright Year
2016
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-46884-5
Print ISBN
978-3-662-46883-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-46884-5

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