Einführung in die Geophysik

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1 Christoph Clauser Einführung in die Geophysik Globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde ^ Springer Spektrum

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundsätzliches zur Geophysik, zur Lage der Erde im Weltall, ihrer stofflichen Zusammensetzung und ihrem inneren Aufbau Einleitung Was ist Geophysik? Zum Gebrauch von Formeln Die Erde im Weltall Aufbau der/erde Aufgaben und Fragen 30 Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung 30 2 Radioaktiver Zerfall und das Alter von Gesteinen Isotope, Radioaktivität und Zerfallsprozesse Methoden der physikalischen Altersbestimmung Zerfalls- und Akkumulationsuhren aus dem Häufigkeitsverhältnis von Eltern- und Tochterisotopen Isochronen-Methode beim einfachen Zerfall Isochronen-Methode beim verzweigten Zerfall Zerfallsreihen Datierung mit kosmischen Radionukliden Datierung mit radioaktiven Ungleichgewichten Akkumulationsuhren auf der Grundlage von Strahlenschädigungen Datierung mit Jahresmarkierungen stabiler Isotope Aufgaben und Fragen 52 Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung 53 3 Erdbeben und die Struktur der Erde Seismische Wellen und ihre Wechselwirkung mit der Materie und den inneren Grenzflächen der Erde Wellen im täglichen Leben Elastizität Elastische Wellen Energie und Energiedichte einer seismischen Welle Dämpfung seismischer Wellen Reflexion und Brechung seismischer Wellen an Grenzflächen Seismometer Ausbreitung von Erdbeben wellen Inversion von Laufzeitkurven zur Bestimmung einer radialen Geschwindigkeitsverteilung in der Erde Bestimmung von Grenzflächen in der Erde aus der charakteristischen Antwortfunktion (receiver function) seismischer Stationen Seismische Tomografie zur Abbildung innerer Strukturen der Erde. 86 IX

3 X Inhaltsverzeichnis Bestimmung der Entfernung zum Epizentrum eines Erdbebens Herdmechanismen von Erdbeben und deren geodynamische Deutung Bestimmung der Stärke von Erdbeben Überwachung des internationalen Kernwaffenteststopp-Abkommens Eigenschwingungen von Erde und Sonne Kugelfunktionsanalyse Eigenschwingungen der Erde Helio- und Astroseismologie Globale Helioseismologie: Analyse solarer Eigenschwingungen Lokale Helioseismologie: Laufzeitkurven und Ringdiagramme Aufgaben und Fragen 135 Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung Schwerefeld und Figur der Erde Gravitation, Erdumdrehung und Gezeiten Gravitationspotenzial Erdumdrehung Gezeiten Änderungen von Erdumdrehung und Erdumlauf um die Sonne Coriolis= und Eötvös-Beschleunigung Schwerepotenzial und Geoid Lösung der Laplace-Gleichung für das Gravitationspotenzial und Entwicklung nach Kugelfunktionen Entwicklung des Geoids nach Kugelfunktionen Schwereanomalien, Schwerereduktion und Isostasie Korrektur und Reduktion von Messwerten der Schwerebeschleunigung Korrektur zeitlicher Variationen: Instrumentengang und Gezeiten Die Breitenabhängigkeit der Normalschwere Yo Höhenreduktionen: Freiluftreduktion 8gp und Geländereduktion 8gj Bouguer-Reduktion 8g B und atmosphärische Reduktion 8g A Globale und regionale Schwereanomalien lsostasie und geodynamische Aspekte Aufgaben und Fragen 186 Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung Magnetfeld und Magnetosphäre der Erde Komponenten und Struktur des Erdmagnetfelds Quellen des Erdmagnetfelds Der Geodynamo Die Magnetosphäre der Erde Das elektrische Feld der Erde Entwicklung des Erdmagnetfelds nach inneren und äußeren Quellen Entwicklung des Erdmagnetfelds nach Kugelfunktionen Aktuelle Modelle des erdmagnetischen Hauptfelds und magnetische Anomalien Magnetische Eigenschaften von Gesteinen Induzierte Magnetisierung Diamagnetismus Paramagnetismus 234

4 Inhaltsverzeichnis XI Ferro- (Ferri-)Magnetismus Remanente Magnetisierung Gesteinsmagnetismus Magnetisierung von Gesteinen Paläomagnetik: Polwanderung und Feldumkehr Methoden der Paläomagnetik Polwanderkurven Aufgaben und Fragen 244 Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung Wärme und Temperaturfeld der Erde Wärmetransport in der Erde Thermodynamische Grundlagen Grundlagen des Wärmetransports in der Erde Erhaltung von Masse Erhaltung von Energie Die thermische Struktur der Erde Thermische Energiebilanz der Erde Wärmequellen Äußere Quellen Innere Quellen Wärmesenken Wärmebilanz der Erde Wärmespeicherung, Wärmeproduktion und Wärmetransport in der festen Erde Wärmespeicherung Wärmekapazität Latente Wärme Volumenbezogene thermische Kapazität Radiogene Wärmeproduktion Wärmeleitung und Wärmediffusion Wärmeleitfähigkeit Strahlungs-Wärmeleitfähigkeit Variation der effektiven Gesteins-Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur Thermische Diffusivität Der thermische Zustand von Erdkern und Erdmantel Konvektion im äußeren Erdkern Konvektion im Erdmantel Der thermische Zustand der Erdkruste Globale Variation des terrestrischen Wärmestroms Verteilung radioaktiver Quellen mit der Tiefe Paläoklima Auskühlung ozeanischer Lithosphäre Wärmeadvektion als Maß für Strömung Bestimmung vertikaler Fließraten mit Peclet-Zahl-Analysen von Temperaturprofilen Dimensionsanalyse thermischer Systeme Freie Konvektion in porösem Gestein Aufgaben und Fragen 325 Ausgewählte Lehrbücher und Nachschlagewerke zur Vertiefung 326

5 XII Inhaltsverzeichnis 7 Anhang Geologische Zeittafeln und Periodensystem der Elemente Allgemeine Bezugsdaten, Umrechnungsfaktoren und Naturkonstanten Vorsicht bei großen Zahlen: Abkürzung, Präfixe und Namen für Vielfache und Bruchteile von Zehn in verschiedenen Sprachen Einige Rechenregeln für Vektoren und Tensoren Die Fehlerfunktion Legendre-Transformation Seismische Intensitätsskala EMS-98 " Antwortfunktion eines Seismometers Erzeugung eines zum mittleren Magnetfeld parallelen, turbulenten Magnetfelds (a-effekt) Gleichungen der Hydrodynamik Die eulersche Bewegungsgleichung einer idealen Flüssigkeit Die Navier-Stokes-Gleichung der Strömung einer zähen Flüssigkeit Stokes-Strömung Oberbeck-Boussinesq-Näherung Gleichungen der Hydrothermik Energietransport in zähen Fluiden Beheizung oder Kühlung eines homogenen Halbraums von oben Einsetzen freier Konvektion - lineare Stabilitätsanalyse Wassertiefe über einer isostatisch ausgeglichenen, von oben gekühlten Lithosphärenplatte endlicher Dicke Antworten zu den Fragen und Lösungen der Aufgaben 366 Liste der verwendeten Symbole und Schreibweisen 379 Zitierte Literatur 387 Sachverzeichnis 401