Clauser Einführung in die Geophysik

Globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde
3. Auflage 2023
ISBN: 978-3-662-66164-2
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 421 Seiten, eBook

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.

Zielgruppe

Upper undergraduate

Autoren/Hrsg.

Clauser, Christoph

Inhaltsverzeichnis

InhaltVORWORT ZUR DRITTEN AUFLAGEVORWORT ZUR ZWEITEN AUFLAGEVORWORT ZUR ERSTEN AUFLAGE1 GRUNDSÄTZLICHES ZUR GEOPHYSIK, ZUR LAGE DER ERDE IM WELTALL, ZU IHRER STOFFLICHEN ZUSAMMENSETZUNG UND IHREM INNEREN AUFBAU1.1 EINLEITUNG1.2 WAS IST GEOPHYSIK?1.3 ZUM GEBRAUCH VON FORMELN1.4 DIE ERDE IM WELTALL1.5 AUFBAU DER ERDE1.6 AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG2 RADIOAKTIVER ZERFALL UND DAS ALTER VON GESTEINEN2.1 ISOTOPE, RADIOAKTIVITÄT UND ZERFALLSPROZESSE2.2 METHODEN DER PHYSIKALISCHEN ALTERSBESTIMMUNG2.2.1 Zerfalls- und Akkumulationsuhren aus dem Häufigkeitsverhältnis von Eltern- und Tochterisotopen2.2.1.1 Isochronen-Methode beim einfachen Zerfall2.2.1.2 Isochronen-Methode beim verzweigten Zerfall2.2.1.3 Zerfallsreihen2.2.2 Datierung mit kosmischen Radionukliden2.2.3 Datierung mit radioaktiven Ungleichgewichten2.2.4 Akkumulationsuhren auf der Grundlage von Strahlenschädigungen2.2.5 Datierung mit Jahresmarkierungen stabiler Isotope2.3 AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG3 ERDBEBEN UND DIE STRUKTUR DER ERDE3.1 SEISMISCHE WELLEN UND IHRE WECHSELWIRKUNG MIT DER MATERIE UND DEN INNEREN GRENZFLÄCHEN DER ERDE3.1.1 Wellen im täglichen Leben3.1.2 Elastizität3.1.3 Elastische Wellen3.1.4 Energie und Energiedichte einer seismischen Welle3.1.5 Dämpfung seismischer Wellen3.1.6 Reflexion und Brechung seismischer Wellen an Grenzflächen3.1.7 Seismometer3.2 AUSBREITUNG VON ERDBEBENWELLEN3.2.1 Inversion von Laufzeitkurven zur Bestimmung einer radialen Geschwindigkeitsverteilung in der Erde3.2.2 Bestimmung von Grenzflächen in der Erde aus der charakteristischen Antwortfunktion (receiver function) seismischer Stationen3.2.3 Seismische Tomografie zur Abbildung innerer Strukturen der Erde3.2.4 Bestimmung der Entfernung zum Epizentrum eines Erdbebens3.2.5 Herdmechanismen von Erdbeben und deren geodynamische Deutung3.2.6 Bestimmung der Stärke von Erdbeben3.2.7 Überwachung des internationalen Kernwaffenteststopp-Abkommens3.3 EIGENSCHWINGUNGEN VON ERDE UND SONNE3.3.1 Kugelfunktionsanalyse3.3.2 Eigenschwingungen der Erde3.3.3 Helio- und Astroseismologie3.3.3.1 Globale Helioseismologie: Analyse solarer Eigenschwingungen3.3.3.2 Lokale Helioseismologie: Laufzeitkurven und Ringdiagramme3.4 AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG4 SCHWEREFELD UND FIGUR DER ERDE4.1 GRAVITATION, ERDUMDREHUNG UND GEZEITEN4.1.1 Gravitationspotenzial4.1.2 Erdumdrehung4.1.3 Gezeiten4.1.4 Änderungen von Erdumdrehung und Erdumlauf um die Sonne4.1.5 Coriolis- und Eötvös-Beschleunigung4.2 SCHWEREPOTENZIAL UND GEOID4.2.1 Lösung der Laplace-Gleichung für das Gravitationspotenzial und Entwicklung nach Kugelfunktionen4.2.2 Entwicklung des Geoids nach Kugelfunktionen4.3 SCHWEREANOMALIEN, SCHWEREREDUKTIONEN UND ISOSTASIE4.3.1 Korrektur und Reduktion von Messwerten der Schwerebeschleunigung4.3.1.1 Korrektur zeitlicher Variationen: Instrumentengang und Gezeiten4.3.1.2 Die Breitenabhängigkeit der Normalschwere ?0 4.3.1.3 Höhenreduktionen: Freiluftreduktion dgF und Geländereduktion dgT 4.3.1.4 Bouguer-Reduktion dgB und atmosphärische Reduktion dgA 4.3.2 Globale und regionale Schwereanomalien 4.3.3 Isostasie und geodynamische Aspekte4.4 AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG5 MAGNETFELD UND MAGNETOSPHÄRE DER ERDE5.1 KOMPONENTEN UND STRUKTUR DES ERDMAGNETFELDS5.2 QUELLEN DES ERDMAGNETFELDS5.2.1 Der Geodynamo5.2.2 Die Magnetosphäre der Erde5.2.3 Das elektrische Feld der Erde5.3 ENTWICKLUNG DES ERDMAGNETFELDS NACH INNEREN UND ÄUßEREN QUELLEN5.3.1 Entwicklung des Erdmagnetfelds nach Kugelfunktionen5.3.2 Aktuelle Modelle des erdmagnetischen Hauptfelds und magnetische Anomalien5.4 MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN VON GESTEINEN5.4.1 Induzierte Magnetisierung5.4.2 Diamagnetismus5.4.3 Paramagnetismus5.4.4 Ferro- und Ferrimagnetismus5.4.5 Remanente Magnetisierung5.5 GESTEINSMAGNETISMUS5.5.1 Magnetisierung von Gesteinen5.6 PALÄOMAGNETIK: POLWANDERUNG UND FELDUMKEHR5.6.1 Methoden der Paläomagnetik5.6.2 Polwanderkurven5.7 AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG6 WÄRME UND TEMPERATURFELD DER ERDE6.1 WÄRMETRANSPORT IN DER ERDE6.1.1 Thermodynamische Grundlagen6.1.2 Grundlagen des Wärmetransports in der Erde6.1.2.1 Erhaltung von Masse6.1.2.2 Erhaltung von Energie6.1.3 Die thermische Struktur der Erde6.2 THERMISCHE ENERGIEBILANZ DER ERDE6.2.1 Wärmequellen6.2.1.1 Äußere Quellen6.2.1.2 Innere Quellen6.2.2 Wärmesenken6.2.3 Wärmebilanz der Erde6.3 WÄRMESPEICHERUNG, WÄRMEPRODUKTION UND WÄRMETRANSPORT IN DER ERDE6.3.1 Wärmespeicherung6.3.1.1 Wärmekapazität6.3.1.2 Latente Wärme6.3.1.3 Volumenbezogene thermische Kapazität6.3.2 Radiogene Wärmeproduktion6.3.3 Wärmeleitung und Wärmediffusion6.3.3.1 Wärmeleitfähigkeit6.3.3.2 Strahlungs-Wärmeleitfähigkeit6.3.3.3 Variation der effektiven Gesteins-Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur6.3.3.4 Thermische Diffusivität6.4 DER THERMISCHE ZUSTAND VON ERDKERN UND ERDMANTEL6.4.1 Konvektion im äußeren Erdkern6.4.2 Konvektion im Erdmantel6.5 DER THERMISCHE ZUSTAND DER ERDKRUSTE6.5.1 Globale Variation des terrestrischen Wärmestroms6.5.2 Verteilung radioaktiver Quellen mit der Tiefe6.5.3 Paläoklima6.5.4 Auskühlung ozeanischer Lithosphäre6.5.5 Wärmeadvektion als Maß für Strömung6.5.5.1 Bestimmung vertikaler Fließraten mit Péclet-Zahl-Analysen von Temperaturprofilen6.5.5.2 Dimensionsanalyse thermischer Systeme6.5.5.3 Freie Konvektion in porösem Gestein6.6 AUFGABEN UND FRAGENAUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG7 ANHANG 3387.1 GEOLOGISCHE ZEITTAFELN UND PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE7.2 ALLGEMEINE BEZUGSDATEN, UMRECHNUNGSFAKTOREN UND NATURKONSTANTEN 77.3 VORSICHT BEI GROßEN ZAHLEN: ABKÜRZUNG, PRÄFIXE UND NAMEN FÜR VIELFACHE UND BRUCHTEILE VON ZEHN IN VERSCHIEDENEN SPRACHEN7.4 EINIGE RECHENREGELN FÜR VEKTOREN UND TENSOREN7.5 DIE FEHLERFUNKTION7.6 LEGENDRE-TRANSFORMATION7.7 SEISMISCHE INTENSITÄTSSKALA EMS-987.8 ANTWORTFUNKTION EINES SEISMOMETERS7.9 ERZEUGUNG EINES ZUM MITTLEREN MAGNETFELD PARALLELEN, TURBULENTEN MAGNETFELDS (?-EFFEKT)7.10 GLEICHUNGEN DER HYDRODYNAMIK7.10.1 Die eulersche Bewegungsgleichung einer idealen Flüssigkeit7.10.2 Die Navier-Stokes-Gleichung der Strömung einer zähen Flüssigkeit7.10.3 Stokes-Strömung7.10.4 Oberbeck-Boussinesq-Näherung7.11 GLEICHUNGEN DER HYDROTHERMIK7.11.1 Energietransport in zähen Fluiden7.11.2 Beheizung oder Kühlung eines homogenen Halbraums von oben7.11.3 Einsetzen freier Konvektion lineare Stabilitätsanalyse7.11.4 Wassertiefe über einer isostatisch ausgeglichenen, von oben gekühlten Lithosphärenplatte endlicher Dicke8 ANTWORTEN ZU DEN FRAGEN UND LÖSUNGEN DER AUFGABEN9 ZITIERTE LITERATUR10 LISTE DER VERWENDETEN SYMBOLE UND SCHREIBWEISEN11 STICHWORTVERZEICHNIS

Über Autor(innen)

Christoph Clauser wurde im Jahr 2000 als Professor für Angewandte Geophysik an die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen berufen. Von 2007 bis 2018 leitete er am dortigen E.ON Energy Research Center den Lehrstuhl für Applied Geophysics and Geothermal Energy. Seit 2011 ist er Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften – Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina. Als Wissenschaftler ist er auf geophysikalische Aspekte des Reservoir-Ingenieurwesens spezialisiert, insbesondere in Bezug auf geothermische Energie, Kohlenwasserstoffe und geologische Speicherung von Kohlendioxid.