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
Hannes Lück
11 N1
- 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
2
Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02
Hannes Lück
11 N1
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
Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02
Hannes Lück
11 N1
- 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
Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02 Hannes Lück
11 N1
- 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
Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02 Hannes Lück
11 N1
- 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
11 N1
- 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
Physik- Praktikum: 21.01.02 - 01.02.02 Hannes Lück
11 N1
- 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):
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
Häufig gestellte Fragen
Was ist Geophysik laut diesem Dokument?
Geophysik ist die Wissenschaft von der Erforschung und Beschreibung der Erde mit den Methoden der Physik. Dieser Vortrag konzentriert sich auf die Bestimmung der Gestalt des Erdkörpers, seines Schwerefeldes und der Struktur des Erdinnern.
Was sind die physikalischen Grundlagen zum Thema Gravitation und Schwere?
Gravitation ist die Massenanziehung, bei der zwei Körper aufgrund ihrer Masse Anziehungskräfte aufeinander ausüben. Das Gravitationsgesetz beschreibt diese Kräfte. Die Schwerebeschleunigung berücksichtigt zusätzlich zur Gravitation die Ellipsoidform der Erde und die variierende Zentrifugalkraft.
Was ist das Schwerefeld und was ist das Geoid?
Das Schwerefeld beschreibt die variierende Schwerebeschleunigung auf der Erde. Das Geoid ist ein globales Modell des Schwerefelds, das die Form der Erde darstellt, als wäre sie nur von Wasser bedeckt, wobei die Topografie vernachlässigt wird.
Welche Messmethoden für Schwerefelder werden in dem Dokument beschrieben?
Das Dokument beschreibt terrestrische Gravimetrie (Messungen am Erdboden, unterteilt in Absolut- und Relativgravimetrie), Aerogravimetrie (Messungen mit Flugzeugen) und satellitengestützte Gravimetrie.
Was ist terrestrische Gravimetrie?
Terrestrische Gravimetrie bezeichnet die Messung des Schwerefelds auf dem Erdboden, meist in Observatorien. Sie dient zur Erforschung der elastischen Eigenschaften der Erde (Erdgezeiten) und wird in Absolutgravimetrie (einmalige Messung) und Relativgravimetrie (Messung von Änderungen über einen Zeitraum) unterteilt.
Was ist Aerogravimetrie?
Aerogravimetrie ist die Messung regionaler Variationen des Schwerefelds mit Flugzeugen. Dabei werden Aerogravimeter verwendet, um räumliche und zeitliche Veränderungen aufzuzeichnen.
Welche Satelliten werden im Zusammenhang mit der Schwerefeldmessung genannt?
Das Dokument erwähnt GFZ-1, CHAMP (Challenging Mini-Satellite Payload for Geosciences and Application) und GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment).
Was war GFZ-1?
GFZ-1 war einer der ersten Satelliten zur Schwerefeldmessung. Er wurde mit Laserblitzen von Bodenstationen beschossen, und aus den Laufzeiten der reflektierten Blitze konnte die Bahn des Satelliten und somit der Einfluss des Schwerefeldes errechnet werden.
Was ist CHAMP?
CHAMP ist ein Mini-Satellit für geowissenschaftliche Anwendungen. Er nutzte GPS-Technik zur Bahn- und Höhenmessung und führte zusätzlich zu den Schwerefeldmessungen auch Magnetfeldmessungen und Atmosphärenuntersuchungen durch.
Was ist GRACE?
GRACE ist der Nachfolger von CHAMP. Es besteht aus zwei Satelliten, die im Abstand von rund 300 km fliegen. Durch genaue Abstandsmessungen werden Schwerefeldmodelle noch präziser erstellt.
Welche Hauptaufgaben hatte CHAMP?
CHAMP hatte die Aufgaben globale Modelle für Schwerefelder zu ermitteln, die Magnetfelder zu messen, und die Atmosphärenschichten zu sondieren.
Welche Vorteile bietet GRACE gegenüber CHAMP?
GRACE bietet genauere Messungen durch die Abstandsmessung zwischen den beiden Satelliten sowie die Möglichkeit, zeitliche Veränderungen durch das zweimalige Überfliegen aller Punkte zu erfassen.
- Arbeit zitieren
- Hannes Lück (Autor:in), 2002, Geophysik - Schwerefeld und Figur der Erde, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/107163
