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
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:
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: 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
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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
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
1. kleinste Änderungen der Schwerebeschleunigung
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
die Ebenen sorgen für Lotrichtung zum Erdmittelpunktes des Gravimeters
>> Ausgleichung der Flugbewegungen und Störungen 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
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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
Erfahrungen über das Erdinnern, Plattenbewegungen, Ozean- strömungen usw.
Früherkennung von Erdbeben, Vulkanausbrüchen Erstellung genauerer globaler Klimamodelle Registrierung der Meeresspiegeländerung durch z.B. Abschmel- zen der Polkappen
- Messung der Magnetfelder bringen Erkenntnisse über Magnetfeld erzeu- gende Prozesse
Schutz durch Magnetfeld vor radioaktiven Sonnenstrahlen ist z.B. über dem Südatlantik sehr schwach
(
- Sondierung der Atmosphärenschichten
(Folie)
CHAMP bekommt von untergehenden GPS Satelliten Signale zu-
gesendet
beim Durchgang durch verschiedene Atmosphärenschichten bre- chen sich die Strahlen verschieden
näher an Horizont >> höhere Brechungswinkel >> längere Signal- laufzeit
man kann daher Rückschlüsse auf verschiedene Dichten der At- mosphärenschichten schließen
so kann man genauere globale Klimamodelle aufstellen ) - Kosten des Satelliten: - Insgesamt 25 Millionen Euro ( 15 Millionen Euro für Satellit (Instrumente, Produktion) 5 Millionen Euro für Start in Russland (billiger als Florida oder Frz. Guyana) 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
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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
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-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):
fußballgroßer Satellit mit mehreren Pyramidenreflektoren, den man vom Boden aus mit Lasern beschoss
aus den Laufzeiten der reflektierenden Strahlen konnte man Höhe und somit Einfluss des Schwerefeldes messen
- CHAMP (2000- 2005):
Bahn- und Höhenmessung zusätzlich zu Laservorrichtung durch GPS- Technik >> genau- ere Schwerefeldmessung
außerdem Magnetfeldmessung und Atmosphärenuntersuchungen
- GRACE (16.03.2002 bis 2007):
2 Satelliten, die im Abstand von rund 300 km fliegen
durch genaue Abstandsmessungen Schwerefeldmodelle noch präziser
CHAMP Satellit GRACE Satellit
- Arbeit zitieren
- Hannes Lück (Autor:in), 2002, Geophysik - Schwerefeld und Figur der Erde, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/107163
