Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02 Hannes Lück 11 N1

- Kräfte zwischen Körpern entweder mit materieller Verbindung (z.B. Mensch steht auf Erdoberfläche) oder ohne materielle Verbindung (Erde-Mond)

- >> Gleichungen:

- m 1 = z.B. Mensch; m 2 =Erde=5,976 • 10 ²⁴ kg; r= Erdradius=6378000 m

Schwere:

- in Geophysik Schwere oder Schwerebeschleunigung g ≠ - Schwerebeschleunigung = Erd-oder Fallbeschleunigung Gravitationsbeschleunigung

- Gravitationskräfte auf Erde sind nur Anziehungskräfte zwischen Erde und z.B. Mensch; man lässt andere Einflüsse außer Acht, wie z.B. :

- Ellipsoidform der Erde und variierende Zentrifugalkraft von Pol zu Äquator

- Schwerebeschleunigung bezieht diese Einflüsse mit ein

- Schwere ist vektorielle Summe aus g und z (Parallelogramm)

- g - z - s Schwerebeschleunigung

- Schwerebeschleunigung an Pol groß (9,83 m/s²); am Äquator kleiner (9,78 m/s²)

- Einheit der Schwere ist Gal bzw. mGal (in Erinnerung an G. Galilei)

- 1 Gal = 10 ^-2 m/s²

- >> 9,81 m/s² = 981 Gal

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3. Schwerefeld und Geoid

- weiterer Faktor für variierende Schwere auf der Erde ist veränderliches Schwerefeld

- Schwerebeschleunigung ist überall auf der Erde verschieden

- verschiedene Stärken des Feldes, bei denen eine verschiedene Schwerebeschleunigung auf den Menschen wirkt

- Gründe dafür sind: (Folien)

o daraus entstehen Erdbeben und Vulkane

- (zeichnen) Kreis, Ellipse, Geoid

- Folie (Geoid)

- Schwerefeld stellt man in einem globalen Modell dar, das Geoid oder einfach Kartoffel heißt Mousepad

- dabei vernachlässigt man die Topografie (Reliefs, Berge...) und stellt sich eine Form der Erde vor, als wenn sie nur von Wasser bedeckt währe

- Geoid zeigt Abweichung von „Normalnull“ der Ellipsoidoberfläche der Erde in Metern

- Abweichungen können bis zu 100 m oder 0.005 m/s²

- Indien sehr hohe Anziehung; Europa kleine Anziehung

4. Messmöglichkeiten der Schwerefelder:

- Bestimmung von Schwere nennt man Gravimetrie

- dabei untersucht man die Variation der Gravitationsbeschleunigung in zeitlicher oder örtlicher Veränderung

- sie kann sich zwischen der bekannten Spanne 9,78 bis 9,83 m/s² ändern

- Messgenauigkeit nimmt von lokalen Bodenmessungen bis zu den globalen Messungen der Satelliten immer weiter ab

4.1. Terrestrische Gravimetrie

- terrestrisch aus lat. >> Erdboden

- terrestrische Gravimetrie

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- Bild in Zusammenfassung

- Unterscheidung in Absolutgravimetrie und Relativgravimetrie

- Absolutgravimetrie:

o Messung nicht über einen Zeitraum, sondern einmalig

- Relativgravimetrie:

4.2. Aerogravimetrie 4.2.1.

- Messungen in A. dienen dazu, regionale Variationen des Schwerefeldes räumlich und zeitlich aufzuzeichnen

- einige räumliche Variationsmuster sind schon bekannt >> Veränderung der Schwere im Übergang vom Ozean zum Kontinent

- Folie:

o regionale Schwerevariationen in mGal angegeben

- beeinflussend auf das Signal des Federmessers sind dabei Dichte der Krusten, Wasser, Berge, Mantel und die Entfernung der einzelnen Komponenten zum Flugzeug

- seit dem man um diese Erscheinung weiß, geht man den Weg rückwärts

- man sucht mit Flugzeugen nach solchen Mustern um z.B. zu erfahren wo die kontinentale Erdkruste aufhört und wo die ozeanische anfängt

- Aerogravimetrie ist immer eine Relativmessung

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Zahl auf Skala >> Dreisatz 4.2.2.

- Probleme:

o Gravimeter muss 2 verschiedene Dinge bewältigen

- Lösungen:

4.3. Satelliten

4.3.1. GFZ-1

- war einer der ersten Schwerefeldmessenden Satelliten

- GFZ-1 war ein fußballgroßer Satellit (Bild auf S.12 in weißen Prospekt)

- Namen GFZ-1 wegen 1. Bau eines Satelliten des GFZ

- mehrere Reflektoren mit Form von einer mehrseitige Pyramide sitzen in der Kugel

- Eigenschaft: Einfallswinkel ≠ Ausfallswinkel >> man kann nicht um Ecke gucken

- Arbeitsprinzip:

o beim Überfliegen einer der vielen Bodenstationen wurde der Satellit lau-

- Satellit wurde von russischer MIR- Station 1995 kostenlos ausgesetzt

- anfangs flog er 400 km Höhe bevor er Juni 1999 in Atmosphäre verglühte

4.3.2. CHAMP (Schwerpunkt des Vortrages)

- CHAMP = Challenging Mini- Satellite Payload for Geosciences and Application

- = anspruchsvoller Mini- Satelliten mit „bezahlten“ Geräten für Geowissenschaftliche Anwendungen

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- GFZ hatte Führung bei Planung, Bau etc.

- vielen Instituten aus verschiedenen Ländern zusammen (Arbeitsblatt)

- anders aufgebaut, komplexer, mehr Dienste als Vorgänger GFZ-1

- Start am 15. Juli 2000 in Plesetzk (400 km nördlich von Moskau) in Russland mit einer Kosmosrakete

- CHAMP anfangs in einer Höhe von etwa 450 km auf einer fast polaren Bahn

- Missionszeit von 5 Jahren >> dann in Höhe von 300 km und verglüht

- Umrundung um die Pole 90 min. Folie Aufbau

- Rumpf und einem Arm der nach dem Austritt aus Rakete ausgeklappt wurde

o 522 kg Arbeitsweise:

Folie GPS - zur Schwerefeldmessung als ganzes Stück

- seine elliptische Bahn ändert sich oder bekommt Dellen aufgrund der verschieden starken Schwerefelder die auf den Satelliten als ganzes wirken

- die Änderungen der elliptischen Bahn werden von den GPS Satelliten registriert

- es gibt 24 GPS Satelliten, die in 20000 km Höhe die Erde umkreisen

- die GPS Antennen mit Gerät befinden sich 2 mal am Ende des Rumpfes und hinten auf und unter dem Rumpf Folie Aufbau

- der CHAMP besitzt noch mehr Ortungssysteme:

o weitere Ortungsantennen sind z.B. die zenitweisende POD Antenne, die

o Antennen zum Teil von NASA

- außerdem gibt es unterhalb des Rumpfes eine Spiegelpyramide wie im GFZ-1

o Satellit wird mit Laserstrahlen beschossen, so kann zentimetergenau die Höhe des Satellit bestimmt werden

- zur Registrierung des Standortes des Satelliten auch Sternensensoren (Rumpf und Arm)

- sie können Sternenbilder erkennen und ermitteln so den Kurs und den Standort des CHAMP

- im Inneren von CHAMP befinden sich außerdem noch Gastanks zur Kurskorrektur des sonst antriebslosen Satelliten

- Satellit bewegt sich immer mit Arm in Flugrichtung

- da der CHAMP sehr tief fliegt, erfährt er viele Reibungskräfte durch die letzten Schichten der Atmosphäre

- diese nichtgravimetrischen Beschleunigungen werden von einem Akzelerometer erfasst und von den gemessenen Messwerten später verrechnet

- der Akzelerometer sitzt im Massenzentrum des Satelliten

- CHAMP hat aber noch mehr Funktionen:

- der gelbe Arm ist mit Overhauser- und Fluxgate Magnetometer vor allem zur Magnetfeldmessung vorhanden

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- letztes Messgerät ist der Digitale Ionen- Driftmeter

- misst die Geschwindigkeit der auf den Satelliten anströmenden Ionen in hoher Atmosphärenschicht

- aus der Ionengeschwindigkeit kann man Rückschlüsse auf das elektrische Feld der Umgebung ziehen

- Aufgaben des CHAMP:

o Ermittlung globaler Modelle für Schwerefelder

- Kosten des Satelliten:

o Insgesamt 25 Millionen Euro

( 4.3.3. Grace

- Gravity Recovery and Climate Experiment

- Nachfolger von CHAMP

- Starttermin: 18.03.02 in Plesetzk

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- 2 Satelliten, die wie CHAMP aufgebaut sind, aber keine ausfahrbaren Arme haben >> keine Magnetfeldmessungen

- polare Bahn, GPS- Technik und Flughöhe >> alles wie bei CHAMP

- 2 Rümpfe, die im Abstand von 200- 500 km fliegen

- jeweils eine neue Vorrichtung, die den Abstand zwischen den Satelliten sehr genau misst

- dadurch einige Vorteile:

o wegen zweimaligem Durchlaufen alle Punkte >> zeitliche Veränderun-

- ansonsten gleiche Aufgaben wie CHAMP

- Kosten:

o 50 Millionen Euro

- FOLIE Übersicht - 5.Literaturangabe Internet:

http://www.gfz-potsdam.de/pb1/pg3/index_S13d.html

Bücher: 1.

Berckheimer, Hans: Grundlagen der Geophysik. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 1990 2.

Simon Lamb & David Sington: Die Erdgeschichte- Eine Spurensuche durch Jahrmillionen. Könemann

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Was ist die Geophysik?

• Geophysik ist die Wissenschaft von der Erforschung und Beschreibung der Erde mit den Methoden der Physik.

o Teilbereich (Vortrag): Bestimmung der Gestalt des Erdkörpers, seines Schwerefeldes und der Struktur des Erdinnern

Gravitation:

• Körper üben aufgrund ihrer Masse Anziehungskräfte aufeinander aus

s

Schwerebeschleunigung auf der Erde variiert durch:

• Ellipsoidform der Erde (keine reine Kugel)

• Zentrifugalkraft durch Drehung der Erde

• Variationen des Schwerefeldes, diese entstehen durch:

o Modell des Schwerefeldes heißt Geoid

Messmöglichkeiten des Schwerefeldes:

• Bestimmung der Schwere nennt man Gravimetrie

• Terrestrische Gravimetrie: (auf dem Boden)

o Erforschung der elastischen Eigenschaften der Erde (Erdgezeiten) und lokale Messungen der