Geophysik - Schwerefeld und Figur der Erde

Gliederung:

1. Was ist die Geophysik?

2. physikalische Grundlagen zum Thema > Gravitation, Schwere

3. Schwerefeld und Geoid

4. Messmöglichkeiten des Schwerefeld:
4.1. Terrestrische Gravimetrie
4.1.1. Absolutgravimetrie
4.1.2. Relativgravimetrie
4.2. Aerogravimetrie
4.2.1. Aufgaben und Erkenntnisse
4.2.2. Aufbau eines Aerogravimeter
4.3. Satelliten
4.3.1. GFZ-1
4.3.2. CHAMP (Schwerpunkt des Vortrages)
4.3.3. Grace

5. Literaturangabe

1. Was ist die Geophysik?

Grunddefinitionen:

- Begriff setzt sich aus Geo- bzw. Erdwissenschaften wie z.B. Geologie und der angewandten Physik zusammen

- Geophysik ist die Wissenschaft von der Erforschung und Beschreibung der Er- de mit den Methoden der Physik

- Teilgebiete > Bestimmung der Gestalt des Erdkörpers, seines Schwerefeldes und der Struktur des Erdinnern >> Vortrag

- außerdem:

- Erdmagnetismus

- Seismologie >> Untersuchung seismischer Wellen im Erdkörper nach Erdbeben

2. physikalische Grundlagen zum Thema > Gravitation, Schwere

Gravitation:

- anders Massenanziehung

- Gravitationsgesetz besagt, dass 2 Körper aufgrund ihrer Masse Anziehungskräf- te aufeinander ausüben

- >> Erinnerung an das 3. Newtonsche Gesetz

ƒ Kräfte zwischen Körpern haben gleichen Betrag, sind entgegen- gesetzt

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

- >> Gleichungen:

- ohne materielle Verbindung:

ƒ Erde- Mond: ziehen sich mit gleicher Kraft an

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gravitationskraft zwischen zwei Körpern

- m1, m2 Massen der beiden Körpern

- r Abstand der Massenmittelpunkte der beiden Körper

- γ Gravitationskonstante (γ=6,672 •[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

- materielle Verbindung: ƒ Mensch- Erde

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- m1 = z.B. Mensch; m2=Erde=5,976 • 10²⁴kg; 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 Gravitationsbeschleunigung (zeigt genau Richtung Erdmittelpunkt)

- z Zentrifugalkraft (senkrecht zur Rotationsachse)

- 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 = 10-²m/s²

- >> 9,81 m/s² = 981 Gal

2

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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 Schwerebe- schleunigung auf den Menschen wirkt

- Gründe dafür sind: (Folien)

- Prozesse in Erdkern und Erdmantel über geologische Zeiträume >> Strömungen von Massen mit unterschiedlichen Eigenschaften o verschiedene Temperaturen und Dichten der z.B. aufsteigenden Massen (>>flüssig >>leichter) oder absinkenden Massen (>>fest >>schwerer) o führt zu Plattenbewegungen

- 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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- Schwerefeldmessung auf Boden meist in Observatorien

- Erforschung der elastischen Eigenschaften der Erde >> Erdgezeiten

- Hebung der Erdplatten wegen Einfluss des Mondes und der Sonne

- durch Massenanziehung Anhebung bis 40 cm

- Bild in Zusammenfassung

- Unterscheidung in Absolutgravimetrie und Relativgravimetrie

- Absolutgravimetrie:

- Messung nicht über einen Zeitraum, sondern einmalig

- man lässt Körper mit konstanter Masse m durch ein Rohr mit bekannter Länge l fallen

- man misst a bis 10-⁸m/s² Stellen

- Relativgravimetrie:

- Messungen der Änderungen über Zeitraum

- Vgl. Waage >> La Coste & Romberg Messgerät:

4.2. Aerogravimetrie

4.2.1.

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

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

- Folie:

- Linie zeigt Schweresignal, nicht die Flugbahn

ƒ Flugzeug gilt nicht als ein Massestück wie Satellit 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

- z.B. an Flughafen wurde eine absolute Messung durchgeführt o dieser absoluter Wert entspricht einer Zahl auf Messskala

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- dann fliegt man los und alle Abweichungen sind relativ zum vorherigen Zahl auf Skala >> Dreisatz

4.2.2.

- Probleme:

- Gravimeter muss 2 verschiedene Dinge bewältigen

ƒ 1. kleinste Änderungen der Schwerebeschleunigung

ƒ 2. Beschleunigungen , Störungen am Flugzeug, die 1000 mal hö-

her sind, müssen ausgehalten werden

- Lösungen:

- Autopilot musste programmiert werden, der eine genaue, gleichbleiben- de, lineare Flugbahn hält

- Aufbauten des Gravimeter: 2 schwenkbare Ebenen und mehrere Seile in dessen Zentrum der eigentliche Gravimeter sitzt

ƒ die Ebenen sorgen für Lotrichtung zum Erdmittelpunktes des Gravimeters

>> Ausgleichung der Flugbewegungen und Störungen ƒ Aufbau Feder wie La Coste & Romberg

- zur genauen Ortung wird Ortungssystem GPS benötigt (Global Positio- ning System)

- nicht nur GPS Satelliten, sondern auch feststehende GPS- Stationen werden benötigt, weil die Flugzeuge mit 250 km/h zu schnell sind

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 gu- cken

- Arbeitsprinzip:

- beim Überfliegen einer der vielen Bodenstationen wurde der Satellit lau- fend mit Laserblitzen beschossen

- aus den Laufzeiten der reflektierten Blitze konnten die Bahn des GFZ 1 und damit der Einfluss des Schwerefeldes errechnet werden

- 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 Applica- tion

- = anspruchsvoller Mini- Satelliten mit „bezahlten“ Geräten für Geowissen-

schaftliche 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

- 522 kg

- ausgeklappten Zustand eine Länge von 8,40 m Arbeitsweise:

Folie GPS

- zur Schwerefeldmessung als ganzes Stück

- seine elliptische Bahn ändert sich oder bekommt Dellen aufgrund der verschie- den 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:

- weitere Ortungsantennen sind z.B. die zenitweisende POD Antenne, die Nadirantenne und die S-Band Antenne, die die Positionsinformationen an die Bodenstationen schickt

- Antennen zum Teil von NASA

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

- 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 Kurskor- rektur 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 Akzelerome- ter 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

Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02 Hannes Lück

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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:

- Ermittlung globaler Modelle für Schwerefelder

ƒ Erfahrungen über das Erdinnern, Plattenbewegungen, Ozean- strömungen usw.

ƒ Früherkennung von Erdbeben, Vulkanausbrüchen ƒ Erstellung genauerer globaler Klimamodelle ƒ Registrierung der Meeresspiegeländerung durch z.B. Abschmel- zen der Polkappen

- Messung der Magnetfelder bringen Erkenntnisse über Magnetfeld erzeu- gende Prozesse

ƒ Schutz durch Magnetfeld vor radioaktiven Sonnenstrahlen ist z.B. über dem Südatlantik sehr schwach

(

- Sondierung der Atmosphärenschichten

ƒ (Folie)

ƒ CHAMP bekommt von untergehenden GPS Satelliten Signale zu-

gesendet

ƒ beim Durchgang durch verschiedene Atmosphärenschichten bre- chen sich die Strahlen verschieden

ƒ näher an Horizont >> höhere Brechungswinkel >> längere Signal- laufzeit

ƒ man kann daher Rückschlüsse auf verschiedene Dichten der At- mosphärenschichten schließen

ƒ so kann man genauere globale Klimamodelle aufstellen ) - Kosten des Satelliten: - Insgesamt 25 Millionen Euro ( ƒ 15 Millionen Euro für Satellit (Instrumente, Produktion) ƒ 5 Millionen Euro für Start in Russland (billiger als Florida oder Frz. Guyana) ƒ 5 Millionen für Transport, Wissenschaftler, Geräte zum Empfang der Daten )

4.3.3. Grace

- Gravity Recovery and Climate Experiment

- Nachfolger von CHAMP

- Starttermin: 18.03.02 in Plesetzk

Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02 Hannes Lück

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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:

- wegen zweimaligem Durchlaufen alle Punkte >> zeitliche Veränderun- gen

- durch Abstandsmessung zw. den Satelliten + Schwerefeldmessung >> genauere Messungen

- ansonsten gleiche Aufgaben wie CHAMP

- Kosten:

- 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

Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02

Hannes Lück

11 N1

-Geophysik-

Schwerefeld und die Figur der Erde

Was ist die Geophysik?

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

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

Gravitation:

- Körper üben aufgrund ihrer Masse Anziehungskräfte aufeinander aus

- Kräfte sind abhängig von Masse und Entfernung der beiden Körper

- Kräfte könne mit oder ohne materielle Verbindung zwischen den Körpern wirken

- auf der Erde heißt Anziehungskraft Erd- oder Schwerebeschleunigung

Schwerebeschleunigung auf der Erde variiert durch:

- Ellipsoidform der Erde (keine reine Kugel)

- Zentrifugalkraft durch Drehung der Erde

- Variationen desSchwerefeldes, diese entstehen durch:

- Prozesse in Erdkern und Erdmantel über geologische Zeiträume >> Strömungen von Massen mit unterschiedlichen Eigenschaften

- Modell des Schwerefeldes heißt Geoid

Messmöglichkeiten des Schwerefeldes:

- Bestimmung der Schwere nennt man Gravimetrie

- Terrestrische Gravimetrie: (auf dem Boden)

- Erforschung der elastischen Eigenschaften der Erde (Erdgezeiten) und lokale Messungen der Schwere in Observatorien

- unterteilt in Absolut- und Relativgravimetrie

- Aerogravimetrie: (mit Flugzeugen)

- örtliche und zeitliche Aufzeichnung regionaler Variationen des Schwerefeldes mit Aerogravimeter

- Satellitengestützte Gravimetrie:

- Aufstellung globaler Modelle des Schwerefeldes

- GFZ 1. (1995- 1999):

ƒ fußballgroßer Satellit mit mehreren Pyramidenreflektoren, den man vom Boden aus mit Lasern beschoss

ƒ aus den Laufzeiten der reflektierenden Strahlen konnte man Höhe und somit Einfluss des Schwerefeldes messen

- CHAMP (2000- 2005):

ƒ Bahn- und Höhenmessung zusätzlich zu Laservorrichtung durch GPS- Technik >> genau- ere Schwerefeldmessung

ƒ außerdem Magnetfeldmessung und Atmosphärenuntersuchungen

- GRACE (16.03.2002 bis 2007):

ƒ 2 Satelliten, die im Abstand von rund 300 km fliegen

ƒ durch genaue Abstandsmessungen Schwerefeldmodelle noch präziser

CHAMP Satellit GRACE Satellit