Einführung in die Geophysik: globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde
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Berlin [u.a.]
Springer Spektrum
2014
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INHALTSVERZEICHNIS
1 GRUNDSAETZLICHES ZUR GEOPHYSIK, ZUR LAGE DER ERDE
IM WELTALL, IHRER STOFFLICHEN ZUSAMMENSETZUNG
UND IHREM INNEREN AUFBAU 1
1.1 EINLEITUNG 1
1.2 WAS IST GEOPHYSIK? 2
1.3 ZUM GEBRAUCH VON FORMELN 10
1.4 DIE ERDE IM WELTALL 13
1.5 AUFBAU DER ERDE 24
1.6 AUFGABEN UND FRAGEN 30
AUSGEWAEHLTE LEHRBUECHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG 30
2 RADIOAKTIVER ZERFALL UND DAS ALTER VON GESTEINEN 31
2.1 ISOTOPE, RADIOAKTIVITAET UND ZERFALLSPROZESSE 33
2.2 METHODEN DER PHYSIKALISCHEN ALTERSBESTIMMUNG 38
2.2.1 ZERFALLS- UND AKKUMULATIONSUHREN AUS DEM HAEUFIGKEITSVERHAELTNIS
VON ELTERN- UND TOCHTERISOTOPEN 38
2.2.1.1 ISOCHRONEN-METHODE BEIM EINFACHEN ZERFALL 38
2.2.1.2 ISOCHRONEN-METHODE BEIM VERZWEIGTEN ZERFALL 40
2.2.1.3 ZERFALLSREIHEN 41
2.2.2 DATIERUNG MIT KOSMISCHEN RADIONUKLIDEN 45
2.2.3 DATIERUNG MIT RADIOAKTIVEN UNGLEICHGEWICHTEN 46
2.2.4 AKKUMULATIONSUHREN AUF DER GRUNDLAGE VON STRAHLENSCHAEDIGUNGEN . 48
2.2.5 DATIERUNG MIT JAHRESMARKIERUNGEN STABILER ISOTOPE 49
2.3 AUFGABEN UND FRAGEN 52
AUSGEWAEHLTE LEHRBUECHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG 53
3 ERDBEBEN UND DIE STRUKTUR DER ERDE 55
3.1 SEISMISCHE WELLEN UND IHRE WECHSELWIRKUNG MIT DER MATERIE UND DEN
INNEREN
GRENZFLAECHEN DER ERDE 62
3.1.1 WELLEN IM TAEGLICHEN LEBEN 62
3.1.2 ELASTIZITAET 63
3.1.3 ELASTISCHE WELLEN 65
3.1.4 ENERGIE UND ENERGIEDICHTE EINER SEISMISCHEN WELLE 71
3.1.5 DAEMPFUNG SEISMISCHER WELLEN 71
3.1.6 REFLEXION UND BRECHUNG SEISMISCHER WELLEN AN GRENZFLAECHEN 72
3.1.7 SEISMOMETER 75
3.2 AUSBREITUNG VON ERDBEBENWELLEN 78
3.2.1 INVERSION VON LAUFZEITKURVEN ZUR BESTIMMUNG EINER RADIALEN
GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG IN DER ERDE 81
3.2.2 BESTIMMUNG VON GRENZFLAECHEN IN DER ERDE AUS DER CHARAKTERISTISCHEN
ANTWORTFUNKTION (RECEIVERFUNCTION) SEISMISCHER STATIONEN 83
3.2.3 SEISMISCHE TOMOGRAFIE ZUR ABBILDUNG INNERER STRUKTUREN DER ERDE .
86
IX
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3.2.4 BESTIMMUNG DER ENTFERNUNG ZUM EPIZENTRUM EINES ERDBEBENS . 91
3.2.5 HERDMECHANISMEN VON ERDBEBEN UND DEREN GEODYNAMISCHE DEUTUNG 95
3.2.6 BESTIMMUNG DER STAERKE VON ERDBEBEN 99
3.2.7 UEBERWACHUNG DES INTERNATIONALEN KERNWAFFENTESTSTOPP-ABKOMMENS 112
3.3 EIGENSCHWINGUNGEN VON ERDE UND SONNE 114
3.3.1 KUGELFUNKTIONSANALYSE 114
3.3.2 EIGENSCHWINGUNGEN DER ERDE 118
3.3.3 HELIO- UND ASTROSEISMOLOGIE 127
3.3.3.1 GLOBALE HELIOSEISMOLOGIE: ANALYSE SOLARER EIGENSCHWINGUN
GEN 131
3.3.3.2 LOKALE HELIOSEISMOLOGIE: LAUFZEITKURVEN UND RINGDIAGRAMME 133
3.4 AUFGABEN UND FRAGEN 135
AUSGEWAEHLTE LEHRBUECHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG 136
SCHWEREFELD UND FIGUR DER ERDE 137
4.1 GRAVITATION, ERDUMDREHUNG UND GEZEITEN 141
4.1.1 GRAVITATIONSPOTENZIAL 142
4.1.2 ERDUMDREHUNG 144
4.1.3 GEZEITEN , 145
I I
4.1.4 AENDERUNGEN VON ERDUMDREHUNG UND ERDUMLAUF UM DIE SONNE . 149
4.1.5 CORIOLIS-UND EOETVOES-BESCHLEUNIGUNG 156
4.2 SCHWEREPOTENZIAL UND GEOID 157
4.2.1 LOESUNG DER LAPLACE-GLEICHUNG FUER DAS GRAVITATIONSPOTENZIAL
UND ENTWICKLUNG NACH KUGELFUNKTIONEN 157
4.2.2 ENTWICKLUNG DES GEOIDS NACH KUGELFUNKTIONEN 162
4.3 SCHWEREANOMALIEN, SCHWEREREDUKTION UND ISOSTASIE 167
4.3.1 KORREKTUR UND REDUKTION
VON MESSWERTEN DER SCHWEREBESCHLEUNIGUNG 167
4.3.1.1 KORREKTUR ZEITLICHER VARIATIONEN:
INSTRUMENTENGANG UND GEZEITEN 168
4.3.1.2 DIE BREITENABHAENGIGKEIT DER NORMALSCHWERE YO 168
4.3.1.3 HOEHENREDUKTIONEN:
FREILUFTREDUKTION 8GF UND GELAENDEREDUKTION 8GJ 169
4.3.1.4 BOUGUER-REDUKTION 8GSS UND ATMOSPHAERISCHE REDUKTION 8GA 173
4.3.2 GLOBALE UND REGIONALE SCHWEREANOMALIEN 175
4.3.3 ISOSTASIE UND GEODYNAMISCHE ASPEKTE 179
4.4 AUFGABEN UND FRAGEN 186
AUSGEWAEHLTE LEHRBUECHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG 187
MAGNETFELD UND MAGNETOSPHAERE DER ERDE 189
5.1 KOMPONENTEN UND STRUKTUR DES ERDMAGNETFELDS 196
5.2 QUELLEN DES ERDMAGNETFELDS 203
5.2.1 DERGEODYNAMO 203
5.2.2 DIE MAGNETOSPHAERE DER ERDE 211
5.2.3 DAS ELEKTRISCHE FELD DER ERDE 220
5.3 ENTWICKLUNG DES ERDMAGNETFELDS NACH INNEREN UND AEUSSEREN QUELLEN 221
5.3.1 ENTWICKLUNG DES ERDMAGNETFELDS NACH KUGELFUNKTIONEN 222
5.3.2 AKTUELLE MODELLE DES ERDMAGNETISCHEN HAUPTFELDS
UND MAGNETISCHE ANOMALIEN 224
5.4 MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN VON GESTEINEN 232
5.4.1 INDUZIERTE MAGNETISIERUNG 233
5.4.2 DIAMAGNETISMUS 233
5.4.3 PARAMAGNETISMUS 234
INHALTSVERZEICHNIS XI
5.4.4 FERRO- (FERRI-)MAGNETISMUS 234
5.4.5 REMANENTE MAGNETISIERUNG 236
5.5 GESTEINSMAGNETISMUS 236
5.5.1 MAGNETISIERUNG VON GESTEINEN 236
5.6 PALAEOMAGNETIK: POLWANDERUNG UND FELDUMKEHR 240
5.6.1 METHODEN DER PALAEOMAGNETIK 241
5.6.2 POL
WANDERKURVEN 243
5.7 AUFGABEN UND FRAGEN 244
AUSGEWAEHLTE LEHRBUECHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG 245
6 WAERME UND TEMPERATURFELD DER ERDE 247
6.1 WAERMETRANSPORT IN DER ERDE 249
6.1.1 THERMODYNAMISCHE GRUNDLAGEN 249
6.1.2 GRUNDLAGEN DES WAERMETRANSPORTS IN DER ERDE 253
6.1.2.1 ERHALTUNG VON MASSE 253
6.1.2.2 ERHALTUNG VON ENERGIE 254
6.1.3 DIE THERMISCHE STRUKTUR DER ERDE 256
6.2 THERMISCHE ENERGIEBILANZ DER ERDE 258
6.2.1 WAERMEQUELLEN 258
6.2.1.1 AEUSSERE QUELLEN 259
6.2.1.2 INNERE QUELLEN 260
6.2.2 WAERMESENKEN 266
6.2.3 WAERMEBILANZ DER ERDE 268
6.3 WAERMESPEICHERUNG, WAERMEPRODUKTION
UND WAERMETRANSPORT IN DER FESTEN ERDE 268
6.3.1 WAERMESPEICHERUNG 269
6.3.1.1 WAERMEKAPAZITAET 269
6.3.1.2 LATENTE WAERME 273
6.3.1.3 VOLUMENBEZOGENE THERMISCHE KAPAZITAET 275
6.3.2 RADIOGENE WAERMEPRODUKTION 275
6.3.3 WAERMELEITUNG UND WAERMEDIFFUSION 277
6.3.3.1 WAERMELEITFAEHIGKEIT 278
6.3.3.2 STRAHLUNGS-WAERMELEITFAEHIGKEIT 282
6.3.3.3 VARIATION DER EFFEKTIVEN GESTEINS-WAERMELEITFAEHIGKEIT
MIT DER TEMPERATUR 284
6.3.3.4 THERMISCHE DIFFUSIVITAET 286
6.4 DER THERMISCHE ZUSTAND VON ERDKERN UND ERDMANTEL 288
6.4.1 KONVEKTION IM AEUSSEREN ERDKERN 288
6.4.2 KONVEKTION IM ERDMANTEL 292
6.5 DER THERMISCHE ZUSTAND DER ERDKRUSTE 298
6.5.1 GLOBALE VARIATION DES TERRESTRISCHEN WAERMESTROMS 298
6.5.2 VERTEILUNG RADIOAKTIVER QUELLEN MIT DER TIEFE 299
6.5.3 PALAEOKLIMA 302
6.5.4 AUSKUEHLUNG OZEANISCHER LITHOSPHAERE -312
6.5.5 WAERMEADVEKTION ALS MASS FUER STROEMUNG 319
6.5.5.1 BESTIMMUNG VERTIKALER FLIESSRATEN MIT PECLET-ZAHL-ANALYSEN
VON TEMPERATURPROFILEN 320
6.5.5.2 DIMENSIONSANALYSE THERMISCHER SYSTEME 321
6.5.5.3 FREIE KONVEKTION IN POROESEM GESTEIN 322
6.6 AUFGABEN UND FRAGEN 325
AUSGEWAEHLTE LEHRBUECHER
UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG 326
XII
INHALTSVERZEICHNIS
7 ANHANG 327
7.1 GEOLOGISCHE ZEITTAFELN UND PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE 327
7.2 ALLGEMEINE BEZUGSDATEN, UMRECHNUNGSFAKTOREN UND NATURKONSTANTEN . .
. 340
7.3 VORSICHT BEI GROSSEN ZAHLEN: ABKUERZUNG, PRAEFIXE UND NAMEN FUER
VIELFACHE
UND BRUCHTEILE VON ZEHN IN VERSCHIEDENEN SPRACHEN 346
7.4 EINIGE RECHENREGELN FUER VEKTOREN UND TENSOREN 347
7.5 DIE FEHLERFUNKTION 349
7.6 LEGENDRE-TRANSFORMATION 349
7.7 SEISMISCHE INTENSITAETSSKALA EMS-98. 351
7.8 ANTWORTFUNKTION EINES SEISMOMETERS 351
7.9 ERZEUGUNG EINES ZUM MITTLEREN MAGNETFELD
PARALLELEN, TURBULENTEN MAGNETFELDS (A-EFFEKT) 351
7.10 GLEICHUNGEN DER HYDRODYNAMIK 352
7.10.1 DIE EULERSCHE BEWEGUNGSGLEICHUNG EINER IDEALEN FLUESSIGKEIT 352
7.10.2 DIE NAVIER-STOKES-GLEICHUNG DER STROEMUNG EINER ZAEHEN FLUESSIGKEIT.
353
7.10.3 STOKES-STROEMUNG 356
7.10.4 OBERBECK-BOUSSINESQ-NAEHERUNG 357
7.11 GLEICHUNGEN DER HYDROTHERMIK 359
7.11.1 ENERGIETRANSPORT IN ZAEHEN FLUIDEN 359
7.11.2 BEHEIZUNG ODER KUEHLUNG EINES HOMOGENEN HALBRAUMS VON OBEN. . .
362
7.11.3 EINSETZEN FREIER KONVEKTION - LINEARE STABILITAETSANALYSE 363
7.11.4 WASSERTIEFE UEBER EINER ISOSTATISCH AUSGEGLICHENEN,
VON OBEN GEKUEHLTEN LITHOSPHAERENPLATTE ENDLICHER DICKE 365
7.12 ANTWORTEN ZU DEN FRAGEN UND LOESUNGEN DER AUFGABEN 366
LISTE DER VERWENDETEN SYMBOLE UND SCHREIBWEISEN 379
ZITIERTE LITERATUR 387
SACHVERZEICHNIS 401 |
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