Einführung in die Geophysik

Globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde

verfasst von: Christoph Clauser

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses populäre deutschsprachige Lehrbuch zur Geophysik führt Studierende und wissenschaftlich Interessierte mit seiner dritten, vollständig überarbeiteten Auflage auf einem mittleren Niveau in die Physik der Erde ein. Dabei geht es weit über eine rein phänomenologische Beschreibung hinaus und erläutert systematisch die physikalischen Grundlagen der beschriebenen Prozesse und Felder, die die Erde als Ganzes betreffen: ihre Position im Weltall; ihren inneren Aufbau; ihr Alter und das ihrer Gesteine; Erdbeben und deren Nutzung zur Erkundung der Struktur der Erde; ihre äußere Form, Gezeiten und isostatischen Ausgleichsprozesse; die Struktur des Erdmagnetfeldes, den das Erdmagnetfeld erzeugenden Geodynamo sowie die Wechselwirkung zwischen der Magnetosphäre der Erde und dem Plasmastrom des Sonnenwinds; das Temperaturfeld der Erde und Wärmetransportprozesse in Kern, Mantel und Kruste der Erde und deren Bedeutung für den Antrieb des Geodynamos und der Plattentektonik.

Alle Kapitel beginnen mit einem kurzen historischen Abriss, der die Entwicklung der jeweiligen Disziplin bis in die jüngste Vergangenheit beschreibt. Ausgewählte Biografien illustrieren, unter welchen äußeren und persönlichen Bedingungen bahnbrechende Ergebnisse erzielt wurden. Der Text führt sowohl in die deutsche als auch die englische Fachterminologie ein. Mathematische Ableitungen erleichtern das Verständnis. Übungsaufgaben mit durchgerechneten Ergebnissen ermöglichen ein eigenständiges Überprüfen der erlangten Kenntnisse.

Ein ausführlicher Anhang enthält eine Fülle nützlicher Zusatzinformationen wie geologische Zeittafeln, allgemeine Bezugsdaten, Umrechnungsfaktoren, die aktuellsten Werte der Naturkonstanten, Rechenregeln für Vektoren und Tensoren sowie 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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 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.

Christoph Clauser

Kapitel 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. Aber erst nach der Entdeckung der Radioaktivität wurden im 20. Jahrhundert Methoden zur Altersdatierung auf Grundlage radioaktiver Zerfallsuhren entwickelt. Mit diesen kann das Alter von Gesteinen bestimmt werden. Dieses Kapitel behandelt eine Auswahl solcher zur Datierung von Gesteinen geeigneten radiometrischen Methoden.

Christoph Clauser

Kapitel 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: Die Seismologie untersucht den Aufbau der Erde mithilfe natürlicher Erdbeben und der durch Starkbeben angeregten Eigenschwingungen der Erde . Die Explorationsseismik erkundet die Kruste mithilfe technisch angeregter Erschütterungen (Hammerschlag, Fallgewicht, Vibrator, Sprengrohr, Druckluftkanone (air gun), Sprengungen) und der natürlichen Bodenunruhe. ieses Kapitel beschreibt die Methoden der Seismologie. Jene der Seismik werden behandelt in Clauser C (2018) Grundlagen der Angewandten Geophysik - Seismik und Gravimetrie, Springer Spektrum, Heidelberg..

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Kapitel 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. Heute werden die Figur der Erde und ihr Schwerefeld mit hoher Genauigkeit aus den Umlaufbahnen von Satelliten bestimmt bzw. aus Messungen der Beschleunigungen, welche die Erdanziehung auf diese ausübt. Aus dem Schwerefeld der Erde kann auf die Variation der Dichte mit der Tiefe geschlossen werden und daraus wiederum auf geodynamische Prozesse.

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Kapitel 5. Magnetfeld und Magnetosphäre der Erde

Zusammenfassung

Magnetismus ist eines der am längsten bekannten physikalischen Phänomene und das Erdmagnetfeld war Gegenstand einer der ersten wissenschaftlichen Betrachtungen der Menschheit überhaupt. 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.

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Kapitel 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. Sie ist damit eine der Hauptantriebskräfte für die Geodynamik sowie für das Erdmagnetfeld. Gleichzeitig ist die in der Erdkruste in erbohrbaren Tiefen gespeicherte Erdwärme eine bislang nur ungenügend genutzte Quelle für kohlendioxidfreie Wärme und elektische Energie. Zu seiner Untersuchung benötigt das Wärmefeld der Erde Bohrungen und kann im Unterschied zu den anderen geophysikalischen Feldern, zumindest derzeit, nicht von der Erdoberfläche aus erkundet werden.

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Kapitel 7. Anhang

Zusammenfassung

Der Anhang enthält geologische Zeittafeln für das Phanerozoikum und Präkambrium, ein Periodensystem der chemischen Elemente, die Basis-Einheiten des SI-Systems und Umrechnungsfaktoren anderer Einheiten in das SI-System, aktuelle Werte einiger physikalischer Naturkonstanten, Dimensionen und Eigenschaften der Erde, Mechanische und thermische Eigenschaften der Erde als Funktion des Radius bzw. der Tiefe, Hinweise zur Darstellung und Benennung großer und kleiner Zahlenwerte, Rechenregeln für Vektoren und Tensoren, Rechenregeln und Werte für die Fehlerfunktion, eine Einführung in die Legendre-Transformation, die Seismische Intensitätsskala EMS-98, Formeln für die Antwortfunktion eines Seismometers, eine Erläuterung des magnetischen α-Effekts, sowie grundlegende Gleichungen der Hydrodynamik und der Hydrothermik.

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Kapitel 8. Antworten zu den Fragen und Lösungen der Aufgaben

Zusammenfassung

Hier finden sich ausgearbeitete Lösungen und Antworten zu allen Aufgaben und Fragen am Ende jedes Kapitels.

Christoph Clauser

Backmatter

Titel: Einführung in die Geophysik
verfasst von: Christoph Clauser
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-66164-2
Print ISBN: 978-3-662-66163-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-66164-2