Einführung in die Geophysik: globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde
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 d...
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin ; Heidelberg
Springer Spektrum
[2016]
|
| Ausgabe: | 2., aktualisierte und korrigierte Auflage |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Zusammenfassung: | 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. |
| Beschreibung: | XV, 409 Seiten Illustrationen, Karten, Diagramme 279 mm x 210 mm |
| ISBN: | 9783662468838 |
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Inhaltsverzeichnis
Über den Autor. XV
1 Grundsätzliches zur Geophysik, zur Lage der Erde
im Weltall, zu 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
Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung. 30
2 Radioaktiver Zerfall und das Alter von Gesteinen. 31
2.1 Isotope, Radioaktivität und Zerfallsprozesse. 33
2.2 Methoden der physikalischen Altersbestimmung. 38
2.2.1 Zerfalls- und Akkumulationsuhren aus dem Häufigkeitsverhältnis
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 Strahlenschädigungen . 48
2.2.5 Datierung mit Jahresmarkierungen stabiler Isotope. 49
2.3 Aufgaben und Fragen. 52
Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung. 53 3 *
3 Erdbeben und die Struktur der Erde. 55
3.1 Seismische Wellen und ihre Wechselwirkung mit der Materie und den inneren
Grenzflächen der Erde. 62
3.1.1 Wellen im täglichen Leben. 62
3.1.2 Elastizität. 63
3.1.3 Elastische Wellen. 65
3.1.4 Energie und Energiedichte einer seismischen Welle. 71
3.1.5 Dämpfung seismischer Wellen. 71
3.1.6 Reflexion und Brechung seismischer Wellen an Grenzflächen. 72
3.1.7 Seismometer. 75
3.2 Ausbreitung von Erdbeben wellen. 78
3.2.1 Inversion von Laufzeitkurven zur Bestimmung einer radialen
Geschwindigkeitsverteilung in der Erde. 81
3.2.2 Bestimmung von Grenzflächen in der Erde aus der charakteristischen
Antwortfunktion (receiver function) seismischer Stationen. 83
3.2.3 Seismische Tomografie zur Abbildung innerer Strukturen der Erde . 86
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 Stärke von Erdbeben. 99
3.2.7 Überwachung des internationalen Kernwaffenteststopp-Abkommens 111
3.3 Eigenschwingungen von Erde und Sonne. 113
3.3.1 Kugelfunktionsanalyse. ^
3.3.2 Eigenschwingungen der Erde. ^
3.3.3 Helio-und Astroseismologie.
3.3.3.1 Globale Helioseismologie:
Analyse solarer Eigenschwingungen. 131
3.3.3.2 Lokale Helioseismologie:
Laufzeitkurven und Ringdiagramme.
3.4 Aufgaben und Fragen. ^
Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung. 136
4 Schwerefeld und Figur der Erde. 139
4.1 Gravitation, Erdumdrehung und Gezeiten . I43
4.1.1 Gravitationspotenzial. ^
4.1.2 Erdumdrehung. 1^
4.1.3 Gezeiten . I47
4.1.4 Änderungen von Erdumdrehung und Erdumlauf um die Sonne . 152
4.1.5 Coriolis-und Eötvös-Beschleunigung. ^
4.2 Schwerepotenzial und Geoid.
4.2.1 Lösung der Laplace-Gleichung für das Gravitationspotenzial
und Entwicklung nach Kugelfunktionen. 1^
4.2.2 Entwicklung des Geoids nach Kugelfunktionen. 163
4.3 Schwereanomalien, Schwerereduktion und Isostasie. 170
4.3.1 Korrektur und Reduktion von Messwerten
der Schwerebeschleunigung. 1 /u
4.3.1.1 Korrektur zeitlicher Variationen: Instrumentengang
171
und Gezeiten .
4.3.1.2 Die Breitenabhängigkeit der Normalschwere yo. 171
4.3.1.3 Höhenreduktionen: Freiluftreduktion 8gr
und Geländereduktion 8gx.
4.3.1.4 Bouguer-Reduktion 8gß und atmosphärische Reduktion 8g^ 176
4.3.2 Globale und regionale Schwereanomalien. 178
4.3.3 Isostasie und geodynamische Aspekte. 1^1
4.4 Aufgaben und Fragen. 1^®
Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung. 189
5 Magnetfeld und Magnetosphäre der Erde. I5 * * * 9*
5.1 Komponenten und Struktur des Erdmagnetfelds. 1^8
5.2 Quellen des Erdmagnetfelds. ^05
5.2.1 Der Geodynamo. 205
5.2.2 Die Magnetosphäre der Erde. 2^3
5.2.3 Das elektrische Feld der Erde . 222
5.3 Entwicklung des Erdmagnetfelds nach inneren und äußeren Quellen. 223
5.3.1 Entwicklung des Erdmagnetfelds nach Kugelfunktionen. 224
5.3.2 Aktuelle Modelle des erdmagnetischen Hauptfelds
und magnetische Anomalien. 22'
Inhaltsverzeichnis
XIII
5.4 Magnetische Eigenschaften von Gesteinen. 234
5.4.1 Induzierte Magnetisierung . 234
5.4.2 Diamagnetismus . 235
5.4.3 Paramagnetismus. 235
5.4.4 Ferro- (Ferri-)Magnetismus. 236
5.4.5 Remanente Magnetisierung. 238
5.5 Gesteinsmagnetismus. 238
5.5.1 Magnetisierung von Gesteinen. 238
5.6 Paläomagnetik: Polwanderung und Feldumkehr. 242
5.6.1 Methoden der Paläomagnetik. 242
5.6.2 Polwanderkurven. 244
5.7 Aufgaben und Fragen. 246
Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung. 247
6 Wärme und Temperaturfeld der Erde. 249
6.1 Wärmetransport in der Erde. 251
6.1.1 Thermodynamische Grundlagen. 251
6.1.2 Grundlagen des Wärmetransports in der Erde. 255
6.1.2.1 Erhaltung von Masse . 255
6.1.2.2 Erhaltung von Energie. 256
6.1.3 Die thermische Struktur der Erde. 258
6.2 Thermische Energiebilanz der Erde. 260
6.2.1 Wärmequellen. 260
6.2.1.1 Äußere Quellen. 261
6.2.1.2 Innere Quellen. 262
6.2.2 Wärmesenken. 268
6.2.3 Wärmebilanz der Erde. 270
6.3 Wärmespeicherung, Wärmeproduktion und Wärmetransport
in der festen Erde. 270
6.3.1 Wärmespeicherung. 271
6.3.1.1 Wärmekapazität. 271
6.3.1.2 Latente Wärme. 275
6.3.1.3 Volumenbezogene thermische Kapazität. 277
6.3.2 Radiogene Wärmeproduktion . 277
6.3.3 Wärmeleitung und Wärmediffusion. 279
6.3.3.1 Wärmeleitfähigkeit. 280
6.3.3.2 Strahlungs-Wärmeleitfähigkeit. 284
6.3.3.3 Variation der effektiven Gesteins-Wärmeleitfähigkeit
mit der Temperatur. 286
6.3.3.4 Thermische Diffusivität. 288
6.4 Der thermische Zustand von Erdkern und Erdmantel. 290
6.4.1 Konvektion im äußeren Erdkern. 290
6.4.2 Konvektion im Erdmantel. 294
6.5 Der thermische Zustand der Erdkruste . 300
6.5.1 Globale Variation des terrestrischen Wärmestroms . 300
6.5.2 Verteilung radioaktiver Quellen mit der Tiefe. 301
6.5.3 Paläoklima. 304
6.5.4 Auskühlung ozeanischer Lithosphäre. 314
6.5.5 Wärmeadvektion als Maß für Strömung. 321
6.5.5.1 Bestimmung vertikaler Fließraten mit Péclet-Zahl-Analysen
von Temperaturprofilen. 322
6.5.5.2 Dimensionsanalyse thermischer Systeme. 323
6.5.5.3 Freie Konvektion in porösem Gestein. 324
XIV
6.6 Aufgaben und Fragen. 327
Ausgewählte Lehrbücher
und Nachschlagewerke zur Vertiefung. 328
7 Anhang. 329
7.1 Geologische Zeittafeln und Periodensystem der Elemente. 329
7.2 Allgemeine Bezugsdaten, Umrechnungsfaktoren und Naturkonstanten . 342
7.3 Vorsicht bei großen Zahlen: Abkürzung, Präfixe und Namen für Vielfache
und Bruchteile von Zehn in verschiedenen Sprachen. 348
7.4 Einige Rechenregeln für Vektoren und Tensoren. 349
7.5 Die Fehlerfunktion . 351
7.6 Legendre-Transformation. 351
7.7 Seismische Intensitätsskala EMS-98 . 353
7.8 Antwortfunktion eines Seismometers. 353
7.9 Erzeugung eines zum mittleren Magnetfeld parallelen,
turbulenten Magnetfelds (ot-Effekt). 353
7.10 Gleichungen der Hydrodynamik. 354
7.10.1 Die eulersche Bewegungsgleichung einer idealen Flüssigkeit. 354
7.10.2 Die Navier-Stokes-Gleichung der Strömung einer zähen Flüssigkeit. 355
7.10.3 Stokes-Strömung. 358
7.10.4 Oberbeck-Boussinesq-Näherung. 359
7.11 Gleichungen der Hydrothermik. 361
7.11.1 Energietransport in zähen Fluiden. 361
7.11.2 Beheizung oder Kühlung eines homogenen Halbraums von oben. 364
7.11.3 Einsetzen freier Konvektion - lineare Stabilitätsanalyse. 365
7.11.4 Wassertiefe über einer isostatisch ausgeglichenen,
von oben gekühlten Lithosphärenplatte endlicher Dicke. 367
8 Antworten zu den Fragen und Lösungen der Aufgaben. 369
Liste der verwendeten Symbole und Schreibweisen. 381
Zitierte Literatur. 389
Sachverzeichnis
403 |
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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. 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