Supraleitendes Gravimeter

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1 Ein Supraleitendes Gravimeter für das Geowissenschaftliche Gemeinschaftsobservatorium der Universitäten Karlsruhe und Stuttgart (BFO) Inhalt 1. Formaler Antrag 2. Wissenschaftliche Begründung 3. Wissenschaftliche Lebensläufe 4. Betriebs- und Nutzungskonzept 5. Angebot vom Hersteller 6. Empfehlungsschreiben 7. Sonderdrucke Schiltach, August 2007

2 Supraleitendes Gravimeter (OSG CT40) in Walferdange, Luxemburg. Dieses Gerät ist vergleichbar mit dem hier beantragten Gravimeter.

3 Antrag für Forschungsgroßgeräte nach Art. 91 b GG Bitte für jedes Großgerät einen eigenen Antrag vorlegen Zutreffendes bitte ankreuzen Bundesland: Hochschule: Hochschulort: Baden-Württemberg Universitäten Karlsruhe und Stuttgart Karlsruhe und Stuttgart 1. Firmenneutrale Standardbezeichnung des Gerätes Supraleitendes Gravimeter 2. Art der Beschaffung 2.1 Gerät mit Kosten bis 5 Mio. EUR: Neubeschaffung x 2.2 Gerät als Bestandteil eines Forschungsbaus * Bezeichnung des Bauvorhabens 2.3 Fach oder Arbeitsrichtung in der Forschung, für die das Gerät weit überwiegend eingesetzt werden soll Geodäsie und Geophysik Bitte detaillierte Angaben gemäß Hinweisen zum Antrag für Forschungsgroßgeräte als Anlage beifügen 3. Zweckbestimmung und Nutzung des Gerätes 3.1 Hochschuleinrichtung, von der das Gerät betrieben werden soll (Institut, Klinik, Fachbereich, zentrale Einricht.): Geowissenschaftliches Gemeinschaftsobservatorium der Universitäten Karlsruhe und Stuttgart (BFO) 3.2 Leiter der Arbeitsgruppe (federführend), die das Gerät überwiegend nutzen soll, und seine Dienstanschrift Titel, Amtsbezeichnung Vorname Name Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c Bernhard Heck Postleitzahl Ort Straße Karlsruhe Englerstrasse 7 Institut, soweit nicht wie 3.1 Telefon (mit Vorwahl) Geodätisches Institut, Universität Karlsruhe * Falls ein Einsatz für Lehre/Ausbildung und oder Krankenversorgung vorgesehen ist, bitte eine Begründung entsprechend Antrag für Großgeräte für die Forschung, Ausbildung/Lehre und Krankenversorgung beifügen. DFG Vordruck

4 3.3 Von welchen Einrichtungen derselben oder einer anderen Hochschule bzw. welchen außeruniversitären Einrichtungen soll das Gerät ggf. mitbenutzt werden (Institut, Klinik, Fachbereich, zentrale Einrichtung, Sonderforschungsbereich u.ä.)? Nutzungsanteil 1.entfällt % 2. % 3. %... % 3.4 Leiter der in Betracht kommenden Arbeitsgruppen Titel, Amtbezeichnung Vorname Name zu 1. entfällt zu 2. zu Kurzfassung der Begründung (maximal 15 Zeilen) Von der Beschaffung eines Supraleitenden Gravimeters (SG) erwarten wir wesentiche Fortschritte bei: (1) der Untersuchung der heterogenen und kugelsymmmetrisch gemittelten Dichtestruktur des Erdmantels basierend auf der Analyse von Eigenschwingungen der Erde, (2) der Validierung von zeitvariablen Schwerefeldmodellen aus Daten der Satellitenmission GRACE, (3) der Suche nach der Translationsmode des Inneren Kerns und (im Falle eines erfolgreichen Nachweises) eine Abschätzung des Dichtesprungs an der Grenze zwischen Innerem und Äusserem Kern, (4) dem Nachweis und der Bestätigung rezenter Deformationen im Rheingraben in der Schwere, (5) der Schätzung der Mantelviskosität bei einer Periode von 14 Monaten basierend auf der Beobachtung des Chandler Wobbles in der Schwere, (6) der Quantifizierung der Kopplungsstärke zwischen Mantel und Kern anhand der Beobachtung des Nearly Diurnal Free Wobble, und (7) der Identifikation der physikalischen Prozesse, die zum Eigenrauschen der SG beitragen. Am BFO wurden schon wiederholt Signale entdeckt, die in den Daten anderen Observatorien erst nach ihrer Entdeckung am BFO nachgewiesen werden konnten. Deswegen sind wir zuversichtlich, dass von einem SG am BFO ganz wesentliche neue Forschungsimpulse in den Gebieten der Geodynamik und Seismologie ausgehen werden. Mit dem Federgravimeter ET-19, das mit DFG-Mitteln 1976 beschafft wurde, konnte am BFO über 25 Jahre Spitzenforschung geleistet werden. Ein SG am BFO wird für weitere 25 Jahre Spitzenforschung mit Schweredaten ermöglichen. 5. Geräte- / Kostenaufstellung 5.1 Hauptgerät (Wechselkurs vom : $/EUR) EUR ,00 Hersteller: Typ: GWR Instruments Inc., San Diego, U.S.A. Supraleitendes Gravimeter, Baureihe OSG 5.2 Komponenten oder Zubehör EUR entfällt Zwischensumme Zusatzkosten, soweit nicht im Pauschalangebot enthalten (Transport, Montage, Inbetriebnahme und Schulung) 5.4 abzüglich Rabatte 5.5 Mehrwertsteuer (19% Einfuhrumsatzsteuer) , ggf. Zoll 5.7 Gesamtbetrag des Antrags ,00

5 Monat Jahr 5.8 Vorgesehener Zeitpunkt für Bestellung Vorgesehene Inbetriebnahme Wahl des Gerätes Welche Geräte wurden in Betracht gezogen? (bitte Vergleichsangebote beifügen und die Leistungsklasse sowie Geräte- und Firmenwahl auf einem separaten Beiblatt begründen) Lieferant, Hersteller und Typ Angebote vom Preis EUR GWR hat Monopol; es gibt keine weiteren Hersteller. 19. März ,00 7. Voraussetzungen für den Betrieb des Gerätes (Bitte ausführliche Angaben gemäß Beiblatt zum Betriebs- und Nutzungskonzept) 7.1 Ist die Finanzierung der Folgekosten aus dem jährlichen Etat der unter 3.1 genannten Hochschuleinrichtungen gesichert? (ggf. Angabe von Kapitel/Titel) Universität Karlsruhe: Kap / Titel 54701; Universität Stuttgart: Kap / Titel Wenn nicht, welche andere Finanzierung ist vorgesehen? ja 7.2 Angaben zum Standort des Gerätes zum Zeitpunkt der vorgesehenen Inbetriebnahme (Gebäude, Geschoss, Raumnummer): Das SG soll in der Pendelkammer des BFO Stollens, also hinter der Druckschleuse, installiert werden. Postanschrift: BFO, Heubach 206, D Wolfach 7.3 Wie viele Personen sind zur Sicherstellung der qualifizierten Bedienung (einschl. Wartung) des Gerätes vorhanden? 3 8. Zusammenhang mit weiteren Großgeräteanträgen 8.1 Zu welchen weiteren (auch geplanten) Großgeräteanträgen steht die vorliegende Anmeldung in sachlichem Zusammenhang (ggf. Geschäftszeichen der DFG)? entfällt 8.2 Wurde bereits ein Antrag (ggf. Teilfinanzierung) zur Beschaffung eines solchen Gerätes gestellt? (ggf. wann und bei welcher Institution)? Forschungsschwerpunktprogramm B.-W. (2001): abgelehnt, weil Antrag nicht in Projektförderstruktur passt. 9. Anlagenverzeichnis Begründung gemäß Hinweisen zum Antrag für Forschungsgroßgeräte (auch für alle unter 3.4 genannten Mitnutzer) Wissenschaftlicher Werdegang der im Antrag genannten Nutzer Betriebs- und Nutzungskonzept Firmenangebote (nach den wesentlichen Komponenten preislich aufgeschlüsselt) Datenträger mit aktueller Antragsversion im pdf-format. Bitte für den Antrag einschl. Beiblättern eine Datei sowie für jedes Firmenangebot eine Datei beifügen. Bei einer Abweichung von der Postfassung ist der Datenträger maßgeblich. x x x x x x Für die vorstehenden Angaben zeichnet verantwortlich: Prof. Bernhard Heck, GIK, Universität Karlsruhe Datum, Unterschrift

6 Nachfolgende Angaben sind von der Hochschule oder dem Land einzutragen (ggf. Anlage): 10. Finanzierung 10.1 Fälligkeit der Gesamtkosten: Jahr 2008 EUR , Erklärung der Hochschule oder des Landes zur Mitfinanzierung gemäß Art. 91 b GG. Wann stehen die Mittel zu Verfügung? Für diese Angaben zeichnet verantwortlich: Datum, Unterschrift 11. Bemerkungen: a. des Fachbereichs: b. der Hochschule c. des Landes

7 Wissenschaftliche Begründung

8 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 1. Wissenschaftliche Ausrichtung der Arbeitsgruppe Antrag für die Beschaffung eines Supraleitenden Gravimeters für das BFO Prolog Das Geowissenschaftliche Gemeinschaftsobservatorium (Black Forest Observatory, BFO) ist ein Untertageobservatorium und wird von den Universitäten Karlsruhe und Stuttgart seit 1971 gemeinschaftlich betrieben. Von beiden Universitäten sind jeweils die Institute für Geophysik und Geodäsie beteiligt. Die personelle Ausstattung des BFO besteht aus drei fest angestellten Mitarbeitern die vor Ort tätig sind: zwei Wissenschaftern und einem Techniker. Mit dem Ziel Daten höchster Qualität und Verfügbarkeit zu erheben werden u.a. folgende geophysikalische Sensoren betrieben: Gravimeter, Seismometer, Neigungsmesser, Extensometer, Schlauchwaage, Magnetometer, Barometer und permanent GPS. Zu den herausragenden Merkmalen des BFO zählt die Druckschleuse, die zum einen die Sensoren vor dem direkten Einfluss schneller Druckschwankungen abschirmt und zum anderen dazu beiträgt, dass die Temperaturschwankungen und die Luftzirkulation in der Umgebung der Sensoren minimal sind. Die Installation im kompetenten Schwarzwaldgranit führt zu einer besonders guten Ankopplung der Sensoren an die feste Erde und gleichzeitig zu einer geringen Einkopplung von meteorlogischen Störsignalen. Ein weiteres Merkmal des BFO ist das weitgehende Fehlen von hydrologischen Signalen wie z.b. Grundwasserspiegelschwankungen. Eine ausführliche Darstellung des BFO findet sich in Emter et al. (1998 und 1999, siehe Anlagen). 1a. Darstellung der Arbeitsrichtung der Gruppe sowie bisherige Ergebnisse Die Arbeitsgruppe befasst sich mit zwei grossen Themenbereichen. Der erste Bereich ist die kontinuierliche Beobachtung von Schwereänderungen und Deformationen bei langen Perioden und deren Interpretation hinsichtlich der Struktur und Dynamik der Erde. Der zweite Bereich umfasst die Verbesserung der Qualität von Messverfahren sowie die Erprobung neuer Messverfahren und die Untersuchung von Störeinflüssen. Im Einzelnen sind dies folgende Themen: (1) Elastischgravitative Eigenschwingungen der Erde (welche vor allem durch starke Erdbeben angeregt werden) und die Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen, (2) Rotationseigenschwingungen, (3) Gezeiten und (4) Störeinflüsse sowie rein instrumentelle Untersuchungen. Die wichtigsten Arbeiten zu diesen 4 Forschungsbereichen haben folgende Aspekte untersucht. (1) Elastisch-gravitative Eigenschwingungen und Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen Die elastisch-gravitativen Eigenschwingungen der Erde werden vor allem durch starke Erdbeben angeregt. In der Arbeit von Widmer et al. (1992) wurden Moden mit besonders starker spektraler Aufspaltung untersucht und daraus neue Modelle für die heterogene Struktur von Innerem und Äusserem Erdkern abgeleitet. Der erste und wiederholte Nachweis der torsionalen Grundmode 0 T 2 bei 0.38 mhz gelang Widmer et al., (1992b) und der erste Nachweis von Coriolis Kopplung zwischen sphäroidalen und toroidalen Moden bei Frequenzen unterhalb von 1 mhz erstmals in der Arbeit von Zürn et al., (2000). Ferreira et al haben gezeigt, dass mit Schlauchwaagen die tieffrequenten Eigenschwingungen ebenfalls mit gutem Signal-Stör-Verhältnis registriert werden können. Die erfolgreiche Anwendung des Modenkonzepts hin zu höheren Frequenzen gelang in den Arbeiten von Widmer-Schnidrig (2002) und Laske und Widmer-Schnidrig (2007) durch die ersten systematischen Beobachtungen von Sphäroidalmoden bis 20 mhz. Dabei gelang es sowohl die entarteten Frequenzen zu schätzen als auch ihre spektrale Feinstrukur hinsichtlich Mantelheterogenitäten zu interpretieren. Dass die Eigenschwingungen der Erde nicht nur von Erdbeben sondern auch von Vulkaneruptionen angeregt werden können, wurde zuerst anhand der Schwereregistrierungen des BFO im Falle der paroxysmalen Ausbrüche des El Chichón, 1982, und des Mount Pinatubo, 1991, entdeckt und anschließend in den Daten global verteilter Observatorien systematisch nachgewiesen (Widmer und Zürn, 1992). Ein sehr kleines Eigenschwingungssignal, dessen Anregung noch kontrovers diskutiert wird, sind die permanent angeregten Hintergrundeigenschwingungen im Band 2-7 mhz. In der Arbeit von Kurrle und Widmer-Schnidrig (2006) konnte die Saisonalität das Signals bestätigt und die Hypothese einer atmosphärischen oder ozeanischen Anregung untermauert werden. Die Arbeitsgruppe sucht in Datensätzen der Schwerevariationen (BFO u. a.) nach den theoretisch vorhergesagten Schwerewellen im äusseren Erdkern und der Translations- Schwingung des inneren Erdkerns, deren Beobachtung u. a. Aussagen über die Dichte im tiefen Erdinnern zulassen würde. Diese Suche verlief bisher ergebnislos, dafür 1

9 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 2 konnten Behauptungen anderer Autoren, diese entdeckt zu haben (u. a. mit supraleitenden Gravimetern), stichhaltig zurückgewiesen werden (Zürn et al., 1987; Zürn und Rydelek, 1994; Zürn, 1994; Jensen et al., 1995). (2) Rotationseigenschwingungen. Die zwei wichtigsten Kreiseleigenschwingungen der Erde sind der Chandler Wobble (CW) und der Nearly Diurnal Free Wobble (NDFW). In der Arbeit von Richter et al. (1995) wurde die komplexe Amplitude des CW geschätzt und in der Arbeit von Neuberg et al. (1987) gelang erstmals eine genaue Schätzung der Resonanzparameter des NDFW basierend auf Schweredaten. Die von Neuberg et al. (1987) erstmals vorgeschlagene Analysemethode ist inzwischen zum Standardverfahren geworden. Aus der Dämpfung des CW kann auf die Anelastizität des Erdmantels bei einer Periode von 14 Monaten geschlossen werden. Aus der Frequenz des NDFW haben Neuberg et al. (1987) auf eine zusätzliche Abplattung der Kern-Mantel Grenze von 400 m geschlossen. (3) Gezeitenforschung. Neben der NDFW-Resonanz werden anhand von Gezeitenregistrierungen die räumliche und zeitliche Variation der Gezeitenamplituden untersucht (Rydelek et al., 1991 Zürn, 1994). Erstere sind in Schweredaten noch nicht identifizierbar, da die notwendigen Ozeanauflastkorrekturen bisher nicht präzise genug bekannt sind. Dies wird in absehbarer Zukunft jedoch der Fall sein (Bos et al. 2000). In diesem Zusammenhang ist auch die Beobachtung nichtlinearer Auflastgezeiten von Interesse, die in Daten einer Schlauchwaage in Luxemburg (näher an der Nordsee als BFO) gelungen ist (D Oreye und Zürn 2006). Es wird erwartet, dass Neigungs- und Straingezeiten in ihren Amplituden zeitlich variabel sein müssten, da diese durch lokale Gesteinseigenschaften beeinflusst werden. Dies könnte durch Spannungseffekte in der Vorbereitungsphase starker Erdbeben oder durch poroelastische Effekte verursacht werden. Neigungsgezeiten zeigten vor den Erdbeben in der Türkei 1999 keine klaren Signale (Westerhaus und Zschau, 2001; Westerhaus und Welle, 2002). Gezeitenmessungen des Pegels oder Wasserdrucks in Brunnen und Bohrungen werden dazu verwendet, hydrogeologische Parameter abzuleiten. An Daten des Hot-Dry- Rock Projekts bei Soultz-sous-Foret im Elsass konnte dies erreicht werden. Die Daten waren dort von solcher Qualität, dass die Erdkernresonanz (NDFW) nachgewiesen werden konnte (Zaske et al. 2000). (4) Störeinflüsse und instrumentelle Untersuchungen. Die kleinsten, geophysikalisch interpretierbaren Signale, die an den ruhigsten Observatorien aufgezeichnet werden können, liegen für die Schwere bei g und für Neigung und Dehnung bei Die Gravitationswirkung atmosphärischer Luftmassen begrenzt die Auflösung von Gravimetern und Vertikalseismometern bei Frequenzen unterhalb 2 mhz. Eine Korrektur basierend auf dem lokal registierten Luftdruck ist aber möglich (Zürn und Widmer, 1995). Die Auflast atmosphärischer Luftmassen erzeugt Neigungen, die die Auflösung von Horizontalseismometern und Neigungsmessern begrenzen. Auch hier kann eine Korrektur basierend auf dem lokalen Luftdruck die Auflösung steigern (Zürn et al, 2007). Weitere Genauigkeitssteigerungen sind unter Verwendung meteorologischer Modelle (z.b. ECMWF, NCEP), welches die Verteilung regionaler Luftmassen berücksichtigt, möglich (Boy et al., 2002; Neumeyer et al., 2004). Für die Berechnung der Gravitationswirkung der atmosphärischen Massen bietet sich eine Zerlegung in Tesseroide an (Heck und Seitz, 2006). Temperaturkompensierte Tragfedern in Breitbandseismometern besitzen zwangsläufig eine magnetische Empfindlichkeit. Das führt besonders während magnetischen Stürmen zu Signalstörungen. Liegen Registrierungen der Magnetfeldvariationen vor, so können erstere vollständig aus den seismischen Daten entfernt werden (Forbriger, 2007). Neigungs- und Deformationsmessungen werden bevorzugt in Untertagekavernen durchgeführt. Dabei tritt aber der sog. Hohlraumeffekt auf, welcher aus einer durch den Hohlraum verursachten Strain-Tilt Kopplung besteht und zu einer massiven Verfälschung der Signalamplituden führen kann (King et al., 1976). Das Rauschverhalten eines temporär am BFO installierten supraleitenden Gravimeters wurde von Richter et al. (1995) untersucht. Eine druckdichte Abschirmung für das weitverbreitete Streckeisen STS-2 Breitbandseismometer wurde für optimale Ergebnisse bei langen Perioden vorgestellt (Wielandt und Widmer-Schnidrig, 2002). Eine vollständige Literaturliste zu allen im Antrag erwähnten Arbeiten ist am Ende beigefügt. 1b. Wichtigste Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe aus den letzten 5 Jahren, insbesondere solche, die in Bezug zum angemeldeten Gerät stehen. Veröffentlichungen mit Bezug zum Supraleitenden Gravimeter

10 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 3 Ferreira, A. M. G., d Oreye, N. F., Woodhouse, J. H. and Zürn, W. (2006). Comparison of fluid tiltmeter data with long period seismograms: Surface waves and Earth s free oscillations. J. Geophys. Res., 111, B11307, doi: /2006JB004311, 17 p. Forbriger, Th. (2007). Reducing magnetic field induced noise in broad-band seismic recordings. Geophys. J. Int. 169, Gruber C, D Tsoulis, N Sneeuw (2005). CHAMP accelerometer calibration by means of the equation of motion and an a- priori gravity model. ZfV, 130, (2): Heck, B. and Seitz, K. (2006). A comparison of the tesseroid, prism and point-mass approaches for mass reductions in gravity field modeling. J. Geod.,81, , DOI: /s Kurrle, D. and Widmer-Schnidrig, R. (2006). Spatiotemporal features of the Earth s background oscillations observed in central Europe. Geophys. Res. Lett. 33, L24304, doi: /2006gl Laske, G. and Widmer-Schnidrig, R. (2007). Theory & Observations: Normal Modes & Surface Wave Measurements. Treatise on Geophysics, Vol. 1: Seismology and structure of the Earth, B. Romanowicz and A. Dziewonski, Editors. Elsevier, in press. D Oreye, N., Zürn, W. (2005). Very high resolution long-baseline water-tube tiltmeter to record small signals from Earth free oscillations up to secular tilts Rev. Sci. Instr., 76, 2, pp D Oreye, N., Zürn, W. (2006). Quarter-Diurnal tides observed with a long-base water-tube tiltmeter in the Grand Duchy of Luxembourg. J. Geodynamics, 41, Sneeuw N, H Schaub (2005). Satellite clusters for future gravity field missions. in: C Jekeli, L Bastos, J Fernandes (eds.) Gravity, Geoid and Space Missions, IAG symposium 129, pp 12 17, Springer Verlag Sneeuw N, Ch Gerlach, L Földváry, Th Gruber, Th Peters, R Rummel, D Švehla (2004). One year of time-variable CHAMPonly gravity field models using kinematic orbits. in: F Sanso (ed.) A Window on the Future of Geodesy, IAG symposium 128, pp , Springer Verlag Sneeuw, N. (2003). Space-Wise, Time-Wise, Torus and Rosborough Representations in Gravity Field Modelling, Space Science Reviews 108(1-2) 37 46, DOI /A: Widmer-Schnidrig, R. (2002). Application of regionalized multiplet stripping to retrieval of aspherical structure constraints, Geophys. J. Int., 148, Widmer-Schnidrig, R. (2003). What can Superconducting Gravimeters contribute to normal mode seismology?. Bull. Seismol. Soc. Am. 93, Wielandt, E. and Widmer-Schnidrig, R. (2002). Seismic sensing and data acquisition in the GRSN, Ten Years of the German Regional Seismic Network (GRSN), Wiley-VCH Publisher, Edited by Michael Korn Zürn, W., Widmer-Schnidrig, R. (2002). Globale Eigenschwingungen der Erde. Physik - Journal, 10, Zürn, W., Widmer-Schnidrig, R. (2003). Vertical acceleration noise at seismic frequencies. Cah. Centre Europ. Geodyn. Seismol., 22, Zürn, W. and Wielandt, E. (2007). On the minimum of vertical seismic noise near 3 mhz. Geophys. J. Int. 168: Übrige Publikationen Forbriger, T. (2003). Inversion of shallow-seismic wavefields: I. Wavefield transformation. Geophys. J. Int., 153, Forbriger, T. (2003). Inversion of shallow-seismic wavefields: II. Inferring subsurface properties from wavefield transforms. Geophys. J. Int., 153, Forbriger, T. (2003). Dynamics of the Hammer Blow. In: Symposium in Memoriam of Prof. Gerhard Müller, J. Deutsche (ed.). Deutsche Geophysikalische Gesellschaft, ISSN-Nr , I/2004, Forbriger, T. and Friedrich, W. (2005). A proposal for a consistent parameterization of earth models, Geophys. J. Int. 162, Klein, T., Bohlen, T., Theilen, F. Kugler, S. and Forbriger, T. (2005). Acquisition and inversion of dispersive seismic waves in shallow marine environments. Marine Geophysical Researches, 26(2-4), Kugler, S., Bohlen, T., Forbriger, T., Bussat, S., and Klein G. (2007). Scholte-wave tomography for shallow-water marine sediments. Geophys. J. Int. 168, Polom, U., Stange, S., Bram, K., Brüstle, W. and Forbriger, T. (2006). Normative Klassifizierung des Untergrundes durch Messungen der Scherwellengeschwindigkeit an der Erdbebenstation Lerchenberg (Baden-Württemberg). Geologisches Jahrbuch, Reihe E, Heft 56, ISBN , Seiten Ritter, J.R.R., Balan, S.F., Bonjer, K.P., Diehl, T., Forbriger, T., Mărmureanu, G., Wenzel, F. and Wirth, W. (2005). Broadband urban seismology in the Bucharest metropolitan area. Seism. Res. Lett., 76(5), Sneeuw N, J Flury, R Rummel (2005). Science requirements on future missions and simulated mission scenarios. Earth, Moon and Planets, 94(1-2), , DOI /s Widmer-Schnidrig, R. (2005). Installation und Isolation von STS-2 Seismometern - Plädoyer für den Einsatz von Gabbroplatte/Kochtopf Abschirmung beim GRF upgrade. Technischer Bericht für die Arbeitsgruppe Seismologie. Zürn, W., Exß, J., Steffen, H., Kroner, C., Jahr, T., Westerhaus, M. (2007). On Reduction of Long Period Horizontal Seismic Noise Using Local Barometric Pressure. accepted by Geophys. J. Int.

11 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 4 2. Darstellung der geplanten oder laufenden Forschungsprojekte, Begründung der Notwendigkeit des beantragten Gerätes Zwei Besonderheiten dieses Antrags sollen hier vorweg erläutert werden. (1) Als geodynamisches Observatorium sind für das BFO Langzeitdauerbeobachtungen von zentraler Bedeutung. Hier werden Fragestellungen verfolgt, die nicht mit dem zeitweiligen Einsatz anderer Großgeräte vergleichbar sind. Um das Studium von Variationen des Schwerefeldes mit Daten höchster Qualität weiterhin (für Jahre) fortsetzen zu können, wird hier die Beschaffung eines SG modernster Bauart beantragt. Damit könnte das BFO weiterhin und langfristig Spitzenforschung auf diesem Gebiet betreiben und seine weltweit anerkannt hohe Qualität für geodynamische Messungen erhalten und sogar zu längeren Perioden ausdehnen. (2) Warum ist es sinnvoll trotz der in Mitteleuropa vergleichsweise hohen Dichte von Supraleitenden Gravimetern ein weiteres SG am BFO zu betreiben? Gegenwärtig werden schon in Strasbourg (Frankreich, 68km Entfernung zum BFO), Walferdange (Luxemburg, 229km), Bad Homburg (Hessen, 232km), Membach (Belgien, 325km), Wettzell (Bayern, 353km), Moxa (Thüringen, 366km), Medicina (Italien, 481km), Pecny (Tschechien, 510km), Wien (Österreich, 598km) SGs betrieben. Trotz der relativ hohen Dichte von GGP Stationen in Europa denken wir, dass eine Installation eines supraleitenden Gravimeters am BFO sinnvoll ist und den von GGP formulierten Forschungsansätzen und -zielen weitere Impulse geben kann. Das Organisationskommitte des GGP sieht das ebenso und hat das BFO als Standort für ein supraleitendes Gravimeter empfohlen (siehe Anlagen). Diese Position wurde auch von Professor Crossley (University Saint Louis, U.S.A.), seinerzeit Präsident des GGP, in seinem Plenarvortrag vor der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft im Februar 2003 bekräftigt. Die Argumente dafür sollen im Folgenden etwas näher ausgeführt werden. Vorteile des Standorts BFO: Bei qualitativ hochwertigen Messinstrumenten wird die Detektionsschwelle für geophysikalisch nutzbare Signale nicht nur durch die individuellen Geräteeigenschaften bestimmt, sondern vor allem auch durch den Standort, die Art der Geräteaufstellung und die Abschirmung gegen Störeinflüsse aus der Umgebung. Eine maßgebliche Strrgröße ist die durch meteorologischhydrologische und zivilisatorische Störquellen hervorgerufene Bodenunruhe, die sich als allgemeines Rauschen in den Messdaten niederschlägt. Ein geringes Rauschen geht einher mit einer höheren Verlässlichkeit der Messergebnisse und ist die Voraussetzung für die Entdeckung und Beschreibung noch unbekannter oder noch nicht ausreichend untersuchter Phänomene. Für das BFO als Standort für genaueste seismische und Schweremessungen sprechen seit jeher die große Distanz zu industriellen Störquellen, zu größeren Straßen und zu Flüssen. Unter einer 170 m mächtigen Überdeckung aus Buntsandstein und Granit und durch eine Druckschleuse sind die Instrumente von meteorologischen Störquellen weitgehend abgeschirmt. Sorgfältig ausgeführte Verbesserungen der Aufstellungsbedingungen, insbesondere die Installation einer Druckschleuse, haben in den vergangenen Jahrzehnten die Datenqualität und -verfügbarkeit immer weiter verbessert. Die am BFO erhobenen Daten gehen an nationale und internationale Datenzentren und stehen on-line Wissenschaftlern aus aller Welt zur Verfügung. Ein von der Harvard University in Boston, USA, laufend aktualisiertes und im Internet veröffentlichtes Qualitätsranking für insgesamt 166 global verteilte seismische Breitband-Stationen belegt, dass das BFO in punkto Datenqualität und -verfügbarkeit stets unter den besten Stationen weltweit zu finden ist. Das BFO steht meistens auf einem der ersten 4 Ränge und damit weit vor den in globale seismische Netzwerke integrierten GGP-Stationen. Auf Grund der weltweit anerkannten Qualität des Standortes wird das BFO immer wieder als Teststandort für neu entwickelte Instrumente genutzt, z.b. für ein Breitband-Laser-Seismometer für den japanischen Gravitationswellendetektor oder, ganz aktuell, für ein neu entwickeltes Breitband-Seismometer der Firma Nanometrics. Das Qualitätsranking der Harvard University betrifft den seismologisch interessanten Periodenbereich von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten. Die supraleitenden Gravimeter entfalten ihre Stärke bei längeren Perioden von Tagen bis zu einigen Jahren. In diesem Periodenband werden nahezu alle bisher in Betrieb genommenen Standorte von supraleitenden Gravimetern durch Schweresignale infolge von Variationen des lokalen Grundwasserspiegels um teilweise mehrere Meter massiv beeinträchtigt. Auch hier sind die Voraussetzungen am BFO deutlich günstiger: die 170 m mächtige Gesteinsüberdeckung sorgt für einen ausreichenden Abstand zwischen dem Gravimeter und dem Oberflächenwasser. Messungen des Kluftwasserstandes im BFO-Stollen weisen Variationen im mm-bereich nach; damit hat diese Störquelle am BFO eine um den Faktor 100 bis 1000 kleinere Amplitude als an anderen GGP-Stationen. Wir erwarten daher eine Signalqualität, die an keinem der bisher vorhandenen Standorte erreicht werden kann. Diese Erwartung wird belegt durch eine temporäre Installation des supraleitenden Gravimeters SG102 im Jahr 1994 am BFO. Die Installation lieferte die zweithöchste Datenqualität, die damals mit supraleitenden Gravimetern erzielt wurde. Darüber hinaus konnten im Vergleich mit den anderen am BFO betriebenen Messinstrumenten einige damals vorhan-

12 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 5 dene Mängel dieses inzwischen veralteten Gerätetyps aufzeigt werden. auch die Frage, ob die seismischen Heterogenitäten im unteren Mantel ihre Ursache in einer thermischen oder chemischen Anomalie haben. 2a+b. Detaillierte Darstellung der aktuellen Forschungsprojekte (ggf. Fördereinrichtung) mit denen die Notwendigkeit des Geräts begründet wird; Stand der Forschung in Kurzform in seiner unmittelbaren Beziehung zu diesen konkreten Projekten. Zusammenstellung der geplanten Vorhaben (Ziel der Vorhaben, ggf. Fördereinrichtung) in denen das Gerät eingesetzt werden soll. Hintergrund: Bei einer kurzzeitigen Auslenkung aus dem Gleichgewichtszustand führen elastische Rückstellkräfte zu den Eigenschwingungen. Bei den Sphäroidalmoden unterhalb 1 mhz trägt jedoch auch die Selbstgravitation wesentlich zu den Rückstellkräften bei (Dahlen und Tromp, 1998). Damit bietet sich die Gelegenheit aus der Analyse des Splittings dieser Moden nicht nur auf die heterogene elastische Struktur, sondern auch auf die heterogene Dichteverteilung zu schliessen. Das Gerät soll kontinuierlich Daten liefern. Viele Fragen können erst nach 2-3 Jahren untersucht werden. Deshalb wird die Aufteilung in 2a und 2b hinfällig. Unsere laufenden und geplanten Forschungsarbeiten in Verbindung mit dem Supraleitenden Gravimeter fallen in fünf Themenbereiche: I Dichtevariationen im Erdinneren Analyse der von stärksten Erdbeben erzeugten Eigenschwingungssignale mit Frequenzen unterhalb 1 mhz zur Schätzung der lateralen Dichtevariation im Erdmantel. II Validierung zeitvariabler Schwerefeldmodelle. III Untersuchung von Signalen mit unbekannter Quelle und Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen unterhalb von 1 mhz: Kern-Oszillationen, Slichter- Triplett, stille Erdbeben und tektonische Signale. IV Rotationseigenschwingungen: Chandler Wobble und NDFW V Rauschuntersuchungen: Eigenrauschen des SG und Störsignale aus der unmittelbaren Umgebung des SG. I Räumliche Dichtevariation im Erdinneren Stand der Forschung: Während vor 2005 in der Literatur kontrovers über die Möglichkeit diskutiert worden ist, ob aus dem Modensplitting die 3D-Dichteverteilung unabhängig von der 3D-Geschwindigkeitsverteilung geschätzt werden kann (z.b. Ishii und Tromp, 1999; Masters et al., 2002; Kuo und Romanowicz, 2002) hat sich seit dem Sumatrabeben ( ) der Magnitude Mw 9.2 die Datenlage wesentlich geändert. Verursacht durch seine Stärke und seine extrem lange Bruchdauer, hat dieses Beben die tieffrequentesten seismischen Moden ungewöhnlich stark angeregt. In Kooperation mit dem EOST (Lambotte et al., 2006; Lambotte 2007) wurde anhand der Daten des Sumatrabebens die spektrale Feinstruktur dieser Moden gezielt untersucht. Die Registrierungen des Sumatrabebens haben klar gezeigt, dass Supraleitende Gravimeter herkömmlichen Breitbandseismometern für die Beobachtung dieser Moden überlegen sind (Rosat et al., 2005, Lambotte et al. 2006). Ib. Rotationssplitting Fragestellung: Gelingt es anhand von Schätzungen des Rotationssplittings (Zeemansplitting) einen Beitrag zur Bestimmung der radialsymmetrischen Dichteverteilung in der Erde zu leisten? Ia. Untersuchung von lateralen Dichtevariationen im Erdmantel anhand der Aufspaltung von Sphäroidalmoden unterhalb von 1 mhz Fragestellung: Kann die heterogene Dichteverteilung anhand der Aufspaltung der niederfrequenten ( f < 1mHz) Sphäroidalmoden unabhängig von den seismischen Geschwindigkeiten geschätzt werden? Ist die Aufspaltung dieser Moden kompatibel mit bisherigen heterogenen seismischen Mantelmodellen? Damit eng verknüpft ist letztlich Hintergrund: Alle Abweichungen des Erdkörpers von einer idealisierten, kugelsymmetrischen Form führen zu einer Aufhebung der Entartung der Eigenfrequenzen: dem so genanntem Splitting. Bei den tiefsten Frequenzen dominiert die Erdrotation über andere Heterogenitäten und führt zum so genannten Zeemansplitting. Der Zeeman- Splittingparameter von Sphäroidalmoden steht in einem linearen Integralzusammenhang mit der 1D-Dichteverteilung in der Erde (Dahlen und Tromp, 1998; Widmer-Schnidrig, 2003).

13 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 6 Stand der Forschung: Die Spektren des 2004 Sumatrabebens bieten sich für eine Untersuchung dieses Signals an, weil einerseits das Zeemansplitting nur bei Moden unterhalb 2 mhz in den Daten nachgewiesen werden kann und weil anderseits die Moden in diesem Frequenzband nur von den größten Beben messbar angeregt werden. Die radiale Dichteverteilung im Erdinnern wurde bisher ausschließlich anhand von entarteten Eigenfrequenzen sowie Masse und Trägheitsmoment der Erde geschätzt. Bei den Eigenfrequenzen, die den Großteil an Dichteinformation enthalten, besteht jedoch die Schwierigkeit, dass sie nicht nur von der Dichte sondern gleichzeitig von fünf anisotropen Moduln abhängen. In dieser Hinsicht hat die Beobachtung des Zeemansplittings einen Vorteil gegenüber den Eigenfrequenzen: dieses hängt ausschliesslich von der Dichteverteilung ab. Eine Doktorarbeit (S. Lambotte, 2007), die sich der spektralen Feinstruktur dieser Moden widmet, wurde von einem Mitarbeiter des BFO mitbetreut. Das Zeemansplitting wird in dieser Arbeit aber nur tangiert. Es zeigt sich aber, dass im untersuchten Frequenzband die Daten der ruhigsten SGs den ruhigsten Breitbandseismometern (STS-1) deutlich überlegen sind. Ein SG am Standort BFO könnte hier noch zu einer wesentlichen Verbesserung der Datengrundlage für weitere Studien führen. und im unteren Mantel gegenüber dem oberen Mantel vergleichsweise gut bekannt ist (wegen der insgesamt geringeren Heterogenität), sind die vorhergesagten Multiplettfrequenzen mit einer entsprechend kleineren Unsicherheit behaftet als bei Moden oberhalb von 2 mhz. Wird nun eine Diskrepanz zwischen vorhergesagter und beobachteter Kopplungsstärke gefunden, so muss untersucht werden, welche Modellperturbation die Daten besser zu erklären vermag: Eine Änderung des seismischen Geschwindigkeitsmodells ändert die Kopplungsstärke über den Modenabstand, wogegen eine Änderung des Dichtemodells unmittelbar zu einer Änderung der Kopplungsstärke führt. Coriolis-Kopplung unterhalb von 1 mhz wurde zuerst in den Daten des Federgravimeters ET-19 am BFO und in den SG- Daten von Strasbourg und Boulder nachgewiesen (e.g. Zürn et al., 2000). Es ist zu erwarten, dass ein SG am BFO die Datenlage bei künftigen Beben wesentlich verbessert. II Validierung zeitvariabler Schwerefeldmodelle Fragestellung: Lässt sich die Qualität der monatlichen GRACE-Schwerefeldmodelle durch unabhängige Beobachtungen validieren? Ic. Coriolis-Kopplung unterhalb 1 mhz Fragestellung: Gelingt es anhand von Schätzungen der Coriolis-Kopplung einen Beitrag zur Bestimmung der 1D- Dichteverteilung in der Erde zu leisten? Hintergrund: In den Spektren des Sumatrabebens konnten erneut torsionale Moden in den Vertikalkomponenten nachgewiesen werden - ein klares Indiz für Coriolis Kopplung (Masters et al., 1983; Zürn et al., 2000). Die Kopplungsstärke steht in einem linearen Integralzusammenhang mit der 1D-Dichtestruktur der Erde und kann anhand der Amplitude in den Spektren geschätzt werden (Dahlen und Tromp, 1998). Stand der Forschung: Bisher ist noch in keiner Studie versucht worden, dieses Signal auszuwerten, weil die Kopplungsstärke auch vom Frequenzabstand zwischen den Kopplungspartnern abhängt. Den Frequenzabstand der Moden zu kennen erfordert jedoch ein gutes 1D- Referenzmodell. Während die Coriolis-Kopplung im Frequenzband 2-3 mhz Moden betrifft, die nur bis in den oberen Mantel eindringen, handelt es sich bei der Coriolis-Kopplung unterhalb von 1 mhz um Moden, die den gesamten Mantel erfassen. Da die mittlere Struktur in der Übergangszone Hintergrund: Die Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) beobachtet seit 2002 das Erdschwerefeld. Die hohe Messgenauigkeit erlaubt die Auflösung von zeitvariablen Schwerefeldsignalen, typischerweise in monatlichen snapshots, mit einer räumlichen Auflösung von etwa 1000 km. Das Erdschwerefeld ist ein Spiegel der Massenverteilung im Erdkörper. Zeitliche Variationen stellen also Massenverlagerungen im System Erde, hauptsächlich in einer relativ dünnen Oberflächenschicht, dar. Aus diesem Grund werden die GRACE-Ergebnisse in vielen Nachbardisziplinen wie Hydrologie, Ozeanographie oder Klimaforschung mit Begeisterung angenommen; GRACE ist in gewisser Weise ein Bindeglied der interdisziplinärer Geoforschung. Stand der Forschung: Das Problem besteht einerseits darin, dass GRACE nur die räumliche Grobstruktur der Zeitvariationen erfasst, andererseits die Kurzzeitvariationen unterhalb der Monatsauflösung (u.a. Gezeiten, Atmosphäre) in die Monatslösungen hinein projiziert werden (aliasing). Kombiniert mit den charakteristischen Sensoreigenschaften und der Bahnkonfiguration der beiden GRACE-Satelliten ergeben sich Schwerefeldlösungen mit nicht-trivialen stochastischen Eigenschaften. Weil diese Art von gravitationeller Fernerkundung eine völlig neue Observable im geodätisch-geophysikalischen

14 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 7 Messrepertoire darstellt, ist eine unabhängige Qualitätsüberprüfung von herausragender Bedeutung. In der geodätischen Literatur wird häufig über Validierung durch etwa hydrologische oder ozeanographische Modelle berichtet. Methodisch ist eine solche modellbasierte Validierung aber nicht unbedenklich. Ein direkter Vergleich mit terrestrischer Gravimetrie wäre vorzuziehen. Supraleitende Gravimetrie ist wegen a) der Sensitivität, b) der Kontinuität der Messreihen und c) der Langzeitstabilität für diese Aufgabe prädestiniert. Neumeyer et al. (2006) und Doi et al. (2006) haben erste vorsichtige Ergebnisse vorgelegt. Von der ersten Gruppe wurden Daten von 8 ausgewählten GGP- Stationen mit GRACE-Monatslösungen verglichen. Daraus konnte festgestellt werden, dass die beiden Messmethoden innerhalb der eigenen (geschätzten) Fehlerbudgets mit einander übereinstimmen. Auch wenn supraleitende Gravimetrie grundsätzlich eine Punktbeobachtung darstellt, also eher komplementär zu den Raumskalen von GRACE ist, verspricht dieses Validierungskonzept Erfolg. Zum einen spiegeln die SG-Beobachtungen im GRACE-Frequenzband räumliche Schwerefeldsignale wider, die sehr wohl mit den räumlichen Skalen der GRACE- Lösung überlappen. Anderseits können durch Hinzunahme der Daten von weiteren Messstationen (GGP) größere Raumstrukturen erfasst werden. Aufgrund von Vorstudien wird erwartet, dass durch das erwartete Fehlen von nennenswerten lokalen hydrologischen Signalen am BFO, die bei den meisten anderen SG-Messstationen der limitierende Faktor sind, das BFO in diesem Bereich künftig wichtige Beiträge leisten wird. III Untersuchung von Signalen mit unbekannter Quelle und Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen IIIa Hintergrundeigenschwingungen Fragestellung: Welche Prozesse sind für die permanente Anregung der Hintergrundeigenschwingungen verantwortlich? Stand der Forschung: Die Hintergrundeigenschwingungen (engl. Hum) bestehen aus permanent angeregten sphäroidalen Fundamentalmoden im Band 2-7 mhz. Ihre Entdeckung geht auf Daten des supraleitenden Gravimeters der Antarktisstation Syowa zurück (Nawa et al., 1998). Während inzwischen der Hum in den Daten von Federgravimetern und Breitbandseismometern an über 100 Stationen nachgewiesen werden konnte (Suda et al. 1998; Kurrle und Widmer-Schnidrig, 2006), ist der Mechanismus, der zu ihrer Anregung führt, weiterhin nicht zweifelsfrei identifiziert (eg. Kobayashi und Nishida, 1998, Rhie and Romanowicz, 2006). Eines der Probleme bei der Untersuchung der Hum- Signale besteht darin, dass der Signalpegel des Hums nur unwesentlich über dem Pegel des Eigenrauschens der besten Sensoren liegt und folglich nur mit viel Statistik vom Rauschen getrennt werden kann. Glücklicherweise gehören die Moden aus dem Humband zu den bestuntersuchten Moden. Das bedeutet u.a. dass der Einfluss der heterogenen Struktur der Erde auf diese Moden sehr genau bekannt ist. Beim Versuch der Lokalisierung der Quellen des Hums ergibt sich damit die Möglichkeit ein Verfahren zu entwickeln, das die Ausbreitungseigenschaften der Humsignale in einer heterogenen Erde berücksichtigt. Ein DFG-Projekt zu diesem Thema wird von Dieter Kurrle (IfG Stuttgart) bearbeitet (siehe Tabelle in Abschnitt 2c). Am BFO wurde der Hum inzwischen in Federgravimeterund Seismometerdaten (STS-1 und STS-2) nachgewiesen und aufgrund der Standortvorteile des BFO erwarten wir im Humband einen großen Störabstand in den SG-Daten. Das BFO ist nach unserer Kenntnis das einzige Observatorium, an dem der Hum gleich in drei unterschiedlichen Sensoren nachgewiesen werden kann (Widmer-Schnidrig, 2003) und wir sind damit besonders gut in der Lage zwischen Sensorrauschen und Humsignal zu trennen. IIIb Lokale Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und fester Erde bei Frequenzen unterhalb 1 mhz Fragestellung: Können ausgewählte atmosphärische Wellenphänomene dazu verwendet werden unsere Vorstellungen zur Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und fester Erde zu testen und zu verfeinern? Hintergrund: In den Luftdruckdaten am BFO werden sporadisch schmalbandige, sinusähnliche Wellenzüge beobachtet, welche nur wenige Perioden andauern. Von diesen Signalen mit einer Amplitude von typischerweise weniger als 10 Pa kennen wir weder die Ausbreitungsrichtung noch deren Geschwindigkeit. Das Besondere an diesen Signalen ist, dass sie nicht nur im Barometer sondern auch auf allen anderen Sensoren am BFO zu sehen sind: Gravimeter, Seismometer, Extensometer und Neigungsmesser. Wegen seiner quasi monochromatischen Form bietet sich dieses Signal für eine einfache physikalische Modellierung an. Stand der Forschung: Um die Ausbreitungseigenschaften des atmosphärischen Signals zu charakterisieren ist der Aufbau eines kleinen Mikrobarographen-Arrays geplant. Eine erste Modellierung dieser Wellen wurde von Neumann und Zürn (1999) vorgenommen. Ein Finite Elemente Modell für den BFO-Stollen, die Messkammern und die Gelände-

15 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 8 topographie wurden von Steffen erstellt um die Antwort auf Luftdruckfronten zu modellieren (Steffen et al., 2006; Zürn et al., 2007). Durch die Kombination dieser zwei Arbeiten soll eine weitere Verfeinerung unserer Modelle für die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Topographie und den Sensoren erzielt werden. IIIc Slichter Triplett und Kernmoden IIId Stille Erdbeben im Rheingraben Fragestellung: Können langperiodische transiente Signale gefunden werden, die eindeutig aus dem Erdinneren stammen (keine instrumentellen oder atmosphärischen Störungen) und keiner bereits bekannten Ursache zugeordnet werden können? Potentielle Kandidaten wären langsame Erdbeben auf der Rheingrabenverwerfung. Fragestellung: Welche Frequenz hat die Slichter Mode? Was kann daraus über den Dichtesprung an der Grenze zwischen Innerem und Äusserem Kern abgeleitet werden? Hintergrund: Seit langem gesucht werden theoretisch vorhergesagte Schwerevariationen, die einerseits durch Trägheitsoszillationen im flüssigen Erdkern (bei Perioden von wenigen bis 24 Stunden), andererseits durch die mögliche Translationsschwingung des inneren Kerns (Slichter- Triplett) bei Perioden um 5 Stunden verursacht werden. Behauptungen in der Literatur, das Slichter-Triplett sei gefunden, wurden widerlegt (Jensen et al., 1995). Stand der Forschung: Diese Signale können nur mit Gravimetern entdeckt werden. Ihre Eigenfrequenz, Dämpfung und Anregungsfunktionen würden ein völlig neues Licht auf das tiefe Erdinnere werfen. Es ist fraglich, ob selbst die allerstärksten Erdbeben diese Schwingungen so stark anregen, dass sie mit den SG beobachtet werden können. Es gibt aber durchaus die Möglichkeit einer ständigen Anregung durch turbulente Strömungen im flüssigen äußeren Erdkern. Andererseits hat seit 1964 erst ein Erdbeben stattgefunden (Sumatra 2004), dessen Energie mit der der Ereignisse in Chile 1960 und Alaska 1964 vergleichbar gewesen wäre, so dass Hoffnung besteht, die Schwingung bei den allerstärksten Beben beobachten zu können. Die theoretischen Werte für die drei Eigenfrequenzen des Slichter- Tripletts werden kontrovers diskutiert, sie hängen stark vom Unterschied der mittleren Dichte des inneren Kerns und der Dichte im untersten äußeren Kern ab (Rogister, 2003). Im Frequenzband des Slichter-Tripletts erwarten wir durch das Supraleitende Gravimeter eine große Steigerung der Empfindlichkeit gegenüber den gegenwärtig am BFO betriebenen Sensoren. In Anbetracht der Tatsache, dass in der Vergangenheit am BFO schon wiederholt Signale entdeckt wurden, die anderswo im Rauschen verborgen blieben oder erst nach ihrer Entdeckung am BFO ebenfalls nachgewiesen werden konnten, wie z. B. das Pinatubo-Signal (Widmer und Zürn, 1992) oder die Coriolis-Kopplung unterhalb 1 mhz (Zürn et al., 2000), besteht die berechtigte Hoffnung, dass durch die Beschaffung eines SG auch in Zukunft am BFO neue Phänomene entdeckt werden können. Hintergrund: Mit dem Pinatubo-Signal hat das BFO seine Leistungsfähigkeit bewiesen, transiente langperiodische Signale zu detektieren, die anderen Stationen verborgen bleiben. Die Leistungsfähigkeit des BFO in dieser Hinsicht beruht insbesondere auf der Redundanz durch den Betrieb mehrerer Sensoren. Signale, die nur auf der Registrierung eines Sensors enthalten sind, sind vermutlich instrumentelle Störungen. Die Registrierung eines Signals mit mehreren Sensoren gleichzeitig ist ein Indiz für eine Signalquelle in der Erde oder in der Atmosphäre. Dass ein Signal nicht lokal im Umgebungsgestein des Stollens erzeugt wurde, kann nur durch den Vergleich mit anderen Stationen (z.b. J9 im Elsass) nachgewiesen werden. Die Suche in den Registrierungen anderer Stationen ist aber leichter, wenn das Signal bereits am BFO detektiert wurde. BFO ist vermutlich die einzige Station, die langperiodisch so empfindlich ist, dass sie in der Lage sein könnte langsame Erdbeben im Rheingraben zu detektieren. Stand der Forschung: Imanishi et al. (2004) behaupten in diesem Zusammenhang mit mehreren SGs in Japan nachgewiesen zu haben, dass ein durch ein Beben verursachter bleibender Versatz in der Schwere auch noch in grosser Entfernung detektiert werden kann. Es bestehen jedoch Zweifel, denn solche Versätze werden regelmässig bei einer Übersteuerung des Gravimeters, wie z.b. beim Durchgang der direkten Rayleighwelle, verursacht. Diese Zweifel würden bei stillen Erdbeben nicht auftreten, da diese starken Signale per Definition nicht erzeugt werden. Mit dem alten Datensatz soll ein Detektor entwickelt werden, den wir dann auf die SG-Daten anwenden. Durch die Beschaffung eines Doppelkugelgeräts können instrumentelle Störungen von stillen Beben diskriminiert werden. IIIe Tektonische Bewegungen im Oberrheingraben Fragestellung: Wirken sich die tektonischen Bewegungen im Oberrheingraben auf Strain, Tilt- und Schweremessungen am BFO aus?

16 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 9 Hintergrund: Im Bereich der östlichen Randverwerfungen des Oberrheingrabens wurden bisher vier Nivellementkampagnen durchgeführt: ; 1959; ; Eine weitere Kampagne, die die wichtigsten Störungen kreuzen soll, ist für die nächsten Jahre geplant. Damit werden präzise Informationen über kumulative Höhenänderungen über einen Zeitraum von ca. 80 Jahren vorliegen. Schon mit dem vorhandenen Datensatz über einen Zeitraum von 57 Jahren konnten an der Hauptrandverwerfung im Bereich Freiburg und an einigen anderen Segmenten des Verwerfungssystems signifikante vertikale Bewegungsraten der Grössenordnung von 0.3 mm/jahr nachgewiesen werden (Rozsa et al., 2005). Um tektonische Hebungen am BFO instrumentell nachzuweisen wurden seit 2001 fünf absolute Schweremessungen durchgeführt. Ergänzend wird seit 2006 GPS mit geodätischer Qualität registriert. Ein SG am BFO vermag die bisherigen Messungen in idealer Weise zu ergänzen: Mit seiner geringen Drift und hohem zeitlichen Auflösungsvermögen können Schweresignale, die nicht von den Absolutmessungen erfasst werden (wegen zu geringer Abtastrate) aufgelöst werden. Ein SG ist für solche Studien besonders geeignet, wegen der geringen Instrumentendrift und wegen dem geringen Rauschpegel. 1997, Gross, 2005). Die Drehmomente stammen von atmosphärisch-ozeanischen Prozessen. Stand der Forschung: Durch die Veränderung der Lage der Rotationsachse gegenüber einer Station ändert sich die Zentrifugalkraft und damit scheinbar die Schwere mit Amplituden von 4-8 Milliardstel g. Dieses Signal kann mit supraleitenden Gravimetern beobachtet werden (z. B. Richter und Zürn, 1988). Die veränderte Zentrifugalkraft ruft zusätzlich eine Veränderung der elastischen Deformation der Erde hervor, deren Beitrag zum Gesamtsignal etwa 16% beträgt. Die Aufgabe der Gravimetrie ist es nun, diesen Beitrag so genau zu messen, dass die Rheologie des Erdmantels bei dieser tiefen Frequenz besser als bisher bestimmt werden kann. Schwereänderungen durch atmosphärische und hydrologische Vorgänge sowie die notorische Instrumentendrift erschweren bisher die Messung dieses Signals mit der erforderlichen Genauigkeit. Wir rechnen mit besonders guten Ergebnissen, weil am BFO keine nennenswerten hydrologischen Signale zu erwarten sind. Auch wurde schon mit dem Vermessen eines Mikroschwerenetzes im Stollen begonnen um Massenbewegungen in der unmittelbaren Umgebung des Absolutschweresockels in der Heinrichkluft (insbesondere in uns nicht mehr zugänglichen Schächten) aufzudecken, falls sie denn existieren sollten. IV Rotationseigenschwingungen IVa Chandler Wobble Fragestellung: Möglichst genaue Messung der komplexen Amplitude des Chandler-Wobble in der Schwere im Hinblick auf die Bestimmung der Rheologie des Erdmantels bei 14 Monaten Periode. IVb NDFW Fragestellung: Möglichst genaue Schätzung der komplexen Resonanzparameter des NDFW um die Kopplung von Mantel und Kern durch axialsymmetrische Struktur an der Kern-Mantel Grenze zu quantifizieren. Hintergrund: Die wichtigste Rotations-Eigenschwingung der Erde ist der sog. Chandler-Wobble (CW) mit einer Periode von 14 Monaten. Diese Kreiselreaktion tritt dann auf, wenn die Rotationsachse der abgeplatteten Erde von der Figurenachse abweicht. Die in diesem Fall auftretenden Rückstellmomente versuchen den symmetrischen Zustand wieder herzustellen und führen zum CW. Der CW wird überlagert von einem Wobble mit der Periode von genau einem Jahr, der durch jahreszeitliche Massenbewegungen in der Atmo- und Hydrosphäre erzwungen wird. Beide Schwingungen bilden zusammen mit darunterliegenden breitbandigen Anregungen durch Atmo- und Hydrosphäre die sog. Polbewegung, die seit Beginn des letzten Jahrhunderts mit astronomischen und geodätischen Methoden beobachtet wird. Aus diesen Aufzeichnungen kann die Periode und Dämpfung des CW bestimmt werden (Plag, Hintergrund: Wenn die Rotationsachsen von Erdmantel und -kern voneinander abweichen, tritt eine zweite Rotationseigenschwingung auf, deren Periode mitten im ganztägigen Gezeitenband liegt, weswegen sie Nearly Diurnal Free Wobble (NDFW) genannt wird. Zum NDFW gehört im raumfesten System die Freie Kern-Nutation (FCN) mit einer Periode von 432 Sterntagen. Diese Eigenschwingung äußert sich als resonante Reaktion der Erde auf die Gezeitenkräfte derjenigen Partialtiden, deren Frequenzen in der Nähe der Eigenfrequenz liegen und diese Schwingung anregen können. Aus diesem Resonanzverhalten können nach einer Gezeitenanalyse Eigenschaften wie Frequenz, Dämpfung und Stärke der Eigenschwingung abgeleitet werden (z. B. Zürn at al., 1986). Diese Art von Analyse gehört seit 20 Jahren zu den Standardverfahren der Gezeitenforschung, wobei die besten Messungen z. Zt. von der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) geliefert werden.

17 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 10 Stand der Forschung: Das interessanteste Ergebnis der Untersuchungen zum NDFW ist eine Erhöhung der Frequenz um 6% gegenüber Vorhersagen für realistische Erdmodelle, die z. Zt. auf eine Erhöhung der Abplattung der Kern-Mantel-Grenze um etwa 400 m zurückgeführt wird. Diese Auflösung im globalen Sinn kann mit erdbebenseismologischen Methoden nicht erreicht werden. Die verschiedenen Messungen und Messverfahren liefern noch kontroverse Ergebnisse für die Dämpfungsfaktoren des NDFW. Um hier weiterzukommen muss die Qualität der Messungen, vor allem der Schweregezeiten, weiter erhöht werden. Schwierigkeiten bei der Ermittlung der NDFW-Parameter entstehen durch die notwendigen Korrekturen für ozeanische und atmosphärische Beiträge zu den Schweregezeiten. Schon seit Anfang der 80er Jahre hatten die Mitarbeiter des BFO in Zusammenarbeit mit Dr. Bernd Richter (BKG) einige Erfahrungen mit Daten der SGs gewonnen und diese analysiert. Zürn et al. (1986) sowie Neuberg et al. (1987) waren die ersten, die mit Hilfe solcher Schweredaten mit Erfolg versucht haben, die Parameter des NDFW aus Gezeitenergebnissen zu ermitteln und sie auch zu interpretieren (Neuberg et al., 1990). Eine kombinierte Analyse von Strain- und Schweregezeiten mit Daten des BFO wurde von Polzer et al. (1996) durchgeführt. Ziel: Verbesserung der am BFO bestimmten NDFW- Parameter über möglichst lange Zeitreihen ungestörter Gezeitenschwere-Messungen und deren Analyse. V Rauschuntersuchungen: Eigenrauschen des SG und Störsignale aus der unmittelbaren Umgebung des SG. Va Studium des Eigenrauschens des SG Fragestellung: Was sind die Ursachen des Eigenrauschens des SG? Stand der Forschung: Die SGs erreichen im Band oberhalb von 1 mhz nicht die Qualität der besten Breitbandseismometer, d. h. es gibt dort unerklärtes instrumentelles Rauschen. Da diese Geräte unterhalb von 1 mhz das non-plus-ultra der vertikalen Seismometrie darstellen, ist es sinnvoll, der physikalischen Ursache dieses Rauschens auf die Spur zu kommen, um dagegen angehen zu können. Möglichkeiten sind: Brownsche Molekularbewegung (Richter et al., 1995), Konvektion im siedenden Heliumbad, Einkopplung von Horizontalbeschleunigungen/ Neigungen und elektronisches Rauschen (Richard Warburton, GWR, pers. Mitteilung, 2007). Dieser Frage soll an Hand von Experimenten zusammen mit dem Hersteller an dem zu beschaffenden 2-Kugelgerät nachgegangen werden. Um die verschiedenen Rauschprozesse trennen zu können soll das Gerät erstmalig mit zwei unterschiedlich schweren Kugeln bestückt werden. Von einem Fortschritt in diesem Bereich würden die Supraleitenden Gravimeter generell profitieren, weil die Geräte in Zusammenarbeit mit dem Hersteller GWR noch verbessert werden sollen.

18 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 11 2c. Bisherigen Förderung von Drittmittelprojekten in den letzten fünf Jahren Die Qualität des BFO ist in Geodäsie- und Geophysikkreisen bekannt und die externe Reputation drückt sich nicht nur in der Projektförderung (Tabelle 1) sondern in der Durchführung von Gastexperimenten aus. Deswegen werden diese hier aufgelistet (Tabelle 2). Die Qualität begründet sich u.a. mit der effizienten Abschirmung vor atmosphärischen Störsignalen durch die Druckschleuse und der hohen Temperaturstabilität hinter der Schleuse. Zusätzlich führt die hohe Festigkeit des Schwarzwaldgranits einerseits zu einer guten Ankopplung an die Erde und gleichzeitig zu einer vergleichsweisen geringen Einkopplung atmosphärischer Störsignale. Die weitgehend fehlenden hydrologischen Einflüsse durch Grundwasserpegelschwankungen tragen besonders bei langen Perioden zur Qualität des BFO bei. 2d Begründung der Notwendigkeit der Beschaffung des Geräts, seiner Leistungsklasse und Ausstattung mit Zubehör (Auslastung der vorhandenen Geräte, Bereitstellung weiterer Messmethoden, Erprobung neuer Messmethoden; sonstige Gründe) Ein Supraleitendes Gravimeter wird aus folgenden Gründen benötigt: (i) Bandbreitenerweiterung zu längeren Perioden. Erniedrigung der Drift um den Faktor 1000 gegenüber bisherigen Federgravimetern. Driftraten von 2µGal/a werden von den besten SG erreicht. (ii) Steigerung der Empfindlichkeit unterhalb 1 mhz. (iii) Es gibt kein anderes Gerät dieser Klasse. Diese Punkte sind im einzelnen in der Beschreibung der Forschungsprojekte erklärt. 2f Tabellarische Aufstellung weiterer Nutzer Besonderheit: Daten werden via Datenzentren der internationalen Forschergemeinschaft zugänglich gemacht mit der Folge, dass uns die Identität vieler Nutzer verborgen bleibt. Internationale Datenzentren: IRIS GGP Data Management Center of the Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS/DMC), Seattle, U.S.A. Global Geodynamic Project Information System and Data Center (GGPISDC), Potsdam. 2g. Nutzung des Geräts in gemeinsamen Forschungsvorhaben mit sonstigen Einrichtungen (MPG, FhG, Helmholtz-Gemeinschaft, Leibnitz-Gemeinschaft, etc. ) GFZ GWR MOX EOST NIED ROB IfE ECGS BKG Geoforschungszentrum Potsdam GWR Instruments, San Diego Geodynamisches Observatorium Moxa, Institut für Geowissenschaften, Friedrich- Schiller-Universität Jena Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre, Strasbourg National Institute for Earthquake and Disaster, Japan Royal Observatory of Belgium Institut für Erdmessung, Universität Hannover European Center for Geodynamics and Seismology, Luxemburg Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt 2h. Geplante Gesamtnutzungszeit des Geräts für die Arbeitsgruppe während der ersten 12 Monate nach Inbetriebnahme (in Stunden) 2e. Angabe der Mitglieder der Arbeitsgruppe, die das Gerät nutzen werden Das Gerät wird kontinuierlich betrieben. Prof. Dr. B. Heck, GIK, Universität Karlsruhe Prof. N. Sneeuw, GI, Universität Stuttgart P. Duffner, GIK, Universität Karlsruhe Dr. Th. Forbriger, GPI, Universität Karlsruhe Dr. M. Westerhaus, GIK, Universität Karlsruhe Dr. R. Widmer-Schnidrig, IfG, Universität Stuttgart Dr. W. Zürn, BFO, i.r.

19 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 12 Tabelle 1: Drittmitelprojekte der letzten 5 Jahre Fördereinrichtung Geschäftszeichen Titel (Antragsteller) DFG HE 1433/11- Geokinematische Analysen in einem regionalen GPS-Netz mit 1/3 stochastischen Modellansätzen. (Heck) DFG HE 1433/16-1 Erweiterung des stochastischen Modells von GPS- Beobachtungen durch Modellierung physikalischer Korrelationen (Heck) BMBF/DFG 03F0421 C Geotechnologienprogamm, Thema 2: Observation of the System Earth from Space, Project: GOCE-Gravitationsfeld Analyse Deutschland II GOCE-Grant II, (Sneeuw, Baur) DFG SPP1257 SN 13/1-1 Mass Transport and Mass Distribution in the Earth System, Project: The global continental water balance using GRACE spaceborne gravimetry and highresolution consistent geodetic-hydrometeorological data analysis, (Sneeuw, Keller, Bárdossy, Riegger, Kunstmann) DFG SFB 461 A1 Starkbeben: Seismische Tiefensondierung über der Vrancea- Subduktionszone (Ritter, Forbriger) DFG WE 2628/1,2 Quellen und Übertragungsmechanismen des seismischen Rauschens im Frequenzbereich von 0.01 bis 10 mhz (Zürn, Westerhaus, Klinge) DFG WI 1549/3 Untersuchungen zur Identifikation möglicher Anregungsmechanismen des seismischen Rauschens zwischen Hum und Meeresmikroseismik: 7-30 mhz (Widmer-Schnidrig) Fördersumme e e (24 Monate BATIIa + Sach-/ Reisemittel) (24 Monate BAT IIa e weitere Mittel in meinem Teil des Projektes) e e e Partner Tabelle 2: Gastexperimente am BFO Sensor, Projekt (Jahr) IFAG Frankfurt Vergleichsmessung eines Supraleitenden Gravimeters (SG-102) mit Federgravimeter und Breitbandseismometer (1994) GFZ Potsdam Eichung und Rauschverhalten von GFZ-Neigungsmesser für KTB Bohrlöcher (1997, 2001) Fundamentalstation Tiltmeterevaluation für Ringlaser (1998) Wettzell IRIS/IDA Buoyancy-Tests an Breitbandseismometer (1998) San Diego, U.S.A. TAMA (Japan) Breitband-Laser-Seismometer für Japanischen Gravitationswellendetektor (2001) EOST Strasbourg Rauschverhalten und Eichung von Mikrobarometern (2003), Vergleich von 10 STS-2 Seismometern (2004) Streckeisen AG Rauschverhalten des STS-3 Prototyp Breitbandseismometers (2006) Schweiz Nanometrics Inc. Rauschverhalten der Trillium-240 und Trillium-120 Breitbandseismometer. Ontarion, Canada Untersuchung zur magnetischen Empfindlichkeit (2006, 2007) IPGP Paris Rauschverhalten und Eichung des Breitbandseismometers welches in ESA Mission zum Planeten Mars eingesetzt werden soll. Für dieses Projekt liegt ein Antrag der ESA vor und ein Mitarbeiter des BFO ist Mitantragsteller.

20 Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 13 Tabelle 3: Am BFO installierte geophysikalische Messgeräte Sensoren: Art und Funktion Ort Art der Beschaffung prozentuale Nutzung ET-19 LaCoste-Romberg Gezeitengravimeter BFO DFG 100% ET-11 LaCoste-Romberg Gezeitengravimeter BFO Dauerleihgabe UCLA 100% STS-1 3-Komponenten Breitbandseismometer BFO Berufungsmittel Prof. 100% Wielandt, IfG Stuttgart STS-2 3-Komponenten Breitbandseismometer BFO DFG 100% Askania Bohrlochpendel BFO DFG 100% Horsfall Schlauchwaage BFO Haushalt BFO 100% Invardraht Extensometerarray BFO Haushalt BFO 100% Overhauser Magnetometer BFO Haushalt BFO 100% 3-Komponenten Fluxgatemagnetometer BFO Haushalt BFO 100% Trimble GPS Empfänger BFO GIK 100% 2 Paroscientific Mikrobarometer BFO Haushalt BFO 100% Weitere Meteorologiesensoren BFO Haushalt BFO 100% Mess-Infrastruktur Stollensystem mit exklusiven Nutzungsrechten BFO Gestattungsvertrag Fürst 100% für wissenschaftliche Zwecke von Fürstenberg Druckschleuse BFO Haushalt BFO 100% Hochgenaue Observatoriumsuhr BFO Haushalt BFO 100% Notstromagregat mit 8 kw Leistung BFO VW-Stiftung 100% LWL-basiertes LAN im Stollen BFO Haushalt BFO 100% 3. Vorhandene Geräte Angabe aller für die wissenschaftlichen Arbeiten wesentlichen Geräte, die der Gruppe bisher zur Verfügung stehen und zu denen sie Zugang hat (Tabellarische Aufstellung der Geräte: Art und Funktion, Ort, Art der Beschaffung, prozentuale Nutzung). Alle am BFO installierten Geräte (Tabelle 3) registrieren im Dauerbetrieb. Die in der zweiten Tabellenhälfte aufgelisteten Geräte stehen dem BFO für kurzzeitige Messungen zur Verfügung. Externe Geräte, zu denen das BFO für episodische Messungen Zugang hat: Externe Messgeräte Feldgravimeter Kreiselkompass Präzisionsnivellier Totalstation FG-5 Absolutgravimeter Ort GIK, Universität Karlsruhe, GIS, Universität Stuttgart, Universität Jena, Universität Berlin GIK, Universität Karlsruhe GIK, Universität Karlsruhe GIK, Universität Karlsruhe EOST, Strasbourg, BKG, Frankfurt, IfE, Universität Hannover

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