Das Georadarsystem. Physikalische Anwendungen in der Archäologie

Inhaltsverzeichnis

1 Das Georadar als Methode zur Untergrunderkundung

2 Das Georadarsystem
2.1 Physikalische Grundlagen
2.1.1 Reflexion und Transmission an Grenzfl ä chen
2.1.2 Elektrische Eigenschaften
2.2 Funktionsweise des Georadarsystems
2.2.1 Ausstattung eines Georadarsystems
2.2.2 Funktionsweise der Reflexionsanordnung
2.2.3 Funktionsweise der Transmissionsanordnung
2.3 Datendarstellung und Auswertung der Messergebnisse
2.3.1 Datendarstellung auf dem Radargramm
2.3.2 Dateninterpretation aus dem Radargramm und Einfl ü sse auf die
Messergebnisse
2.3.3 Resultierende Erw ä gungen vor dem Georadareinsatz
2.4 Anwendung des Georadarsystems in der Archäologie
2.4.1 Allgemeine Bedeutung des Georadarsystems in der Arch ä ologie
2.4.2 Arch ä ologische Fundbeispiele

3 Das Georadar als vielseitig einsetzbares Verfahren

4 Literaturverzeichnis

1 Das Georadar als Methode zur Untergrunderkundung

Wir alle kennen es: Das kleinkindliche „Buddeln“ in der Sandgrube. Doch was steckt dahinter? Ist es ein evolutionärer Wunsch das „Unbekannte“, also den Untergrund zu er- kunden? Sie wollen vielleicht Schätze aufspüren oder auf die ominöse Kanalisation sto- ßen, von der die Erwachsenen häufig sprechen. Was auch immer es ist, es ist nicht nur bei Kindern vorhanden. Wenn Erwachsene auch transparentere Motive haben den Untergrund auszukundschaften, beispielsweise das Verlegen von Leitungen oder archäologische Aus- grabungen, eines ist von Kind zu Erwachsenem gleich: Der Untergrund soll oder muss sichtbar gemacht werden. Daher wurden im Laufe der Menschheitsgeschichte die Metho- den dazu perfektioniert, bis heute, wo zerstörungsfreie Erkundungen des Untergrundes die Regel sind, da diese offensichtlich besonders praktisch sind. Verfahren hierfür sind beispielsweise die Reflexionsverfahren, die, wie der Name schon verrät, durch Reflexion von Wellen funktionieren. Ein, auch in der Archäologie, häufig angewandtes elektromag- netisches Reflexionsverfahren ist die Erkundung des oberflächennahen Bereiches des Un- tergrundes durch das Georadarsystem (GPRS (Ground Penetrating Radar System)), auch Bodenradar genannt. Doch macht es Sinn das Georadarsystem in der Archäologie zu ver- wenden? Ebendiese Frage soll nach Abschluss der Arbeit beantwortet werden können.

Diese Methode und ihre Anwendung in der Archäologie soll das zentrale Thema dieser Arbeit sein, in der zuerst ein Überblick über die relevanten physikalischen Grundlagen verschafft wird, die für das Georadarverfahren relevanten Wellenphänomene Reflexion und Transmission, sowie die relevanten elektrischen Eigenschaften, die der Untergrund aufweist, die Dielektrizität und die elektrische Leitfähigkeit. Anschließend wird die Funk- tionsweise des Georadarsystems anhand zweier verschiedener Messanordnungen erläu- tert, der Reflexionsanordnung und der Transmissionsanordnung. Dazu wird zuvor ein Überblick über die Ausstattung eines Georadarsystems gegeben. Danach wird erklärt, wie die in der Messung gewonnenen Daten auf dem Radargramm dargestellt werden und wie sie interpretiert werden. Außerdem werden die Einflüsse auf die Messergebnisse und die aus diesen Einflüssen resultierenden Erwägungen vor dem Georadareinsatz genannt. Es folgt die gegenwärtige Anwendung des Georadarsystems in der Archäologie und dessen Bedeutung und Nutzen für diese Wissenschaft. Unter diesem Aspekt werden zwei archä- ologische Fundbeispiele angeführt. Als Abschluss der Arbeit wird die gestellte Frage da- nach, ob das Georadarsystem eine sinnvolle Anwendung in der Archäologie ist, beant- wortet. Des Weiteren wird ein Ausblick auf andere Anwendungsgebiete der Messmethode gegeben.

2 Das Georadarsystem

2.1 Physikalische Grundlagen

2.1.1 Reflexion und Transmission an Grenzfl ä chen

Eine Grenzfläche ist die Kontaktfläche, die zwischen zwei unterschiedlichen Medien existiert, also zum Beispiel zwischen einem Medium A mit der elektrischen Leitfähigkeit ı1 und einem Medium B mit einer anderen elektrischen Leitfähigkeit ı2. 1 Die Reflexion bezeichnet das Zurückwerfen einer einfallenden Welle an einer Grenzflä- che, hierbei ist nach dem Reflexionsgesetz der Einfallswinkel Į gleich dem Ausfallswin- kel ȕ. Die Winkel sind dabei vom Lot auf die Grenzfläche aus zu messen. Trifft eine Welle, am Beispiel des Georadar eine elektromagnetische Welle, auf eine Grenzfläche, so tritt Reflexion auf.²

Jedoch wird normalerweise nicht die komplette Energie der Welle an der Grenzfläche von Medium A reflektiert, sondern nur ein Teil, das nennt sich partielle Reflexion. Der andere Anteil der Energie wird entweder an der Grenzfläche absorbiert oder durch das Medium B transmittiert. Der transmittierte Teil breitet sich in Medium B weiter aus. In bestimmten Fällen kann aber auch die komplette Energie der Welle an der Grenzfläche reflektiert werden, hier spricht man von Totalreflexion.³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Prinzip der Reflexion und der Transmission⁴

2.1.2 Elektrische Eigenschaften

Bei Georadarmessungen werden für eine ausreichende Qualität der Auswertung Materialkontraste im Erdboden benötigt. Relevante Materialkontraste sind vor allem die Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Schichten, da die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen abhängig von ihnen ist.⁵

2.1.2.1 Permittivität

Die Permittivität ε, oder dielektrische Leitfähigkeit ist eine von den beiden elektrischen Eigenschaften, die wesentlichen Einfluss auf die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen nehmen. Sie gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an⁶.

auch „elektrische Feldkon-ڄDas Vakuum hat die Permittivität

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

stante“ genannt⁷. Die relative Permittivität, auch Dielektrizitätszahl genannt, ist das Verhältnis von der Permittivität eines Mediums zu der elektrischen Feldkonstante⁸. Da Dividend und Divisor die gleiche Einheit haben, ist die Dielektrizitätszahl eine dimensi- onslose Größe, eine physikalische Größe, die ohne Einheit angegeben werden kann. Das Vakuum hat also die Dielektrizitätszahl İr = 1,00. Die relative Permittivität hat Einfluss auf den Anteil der reflektierten Welle. Um diesen Anteil zu beschreiben, benutzt man den

Reflexionskoeffizient, dessen Betrag angibt um welchen Faktor die reflektierte Welle

schwächer ist als die Einfallende.

Der Reflexionskoeffizient R1,2 lässt sich berechnen durch folgende Formel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

vor, also Totalreflexion. ⁹

Die Dielektrizitätszahl des Mediums hat auch Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen, die vom Georadar in den Untergrund entsandt werden. Dabei gilt folgender Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

digkeit der elektromagnetischen Wellen im Medium mit Dielektrizitätszahl İr ist.

der Reflektorabstand d kann dann berechnet werden durch die Formel: ௧, w o b e i t die Laufzeit des Signals ist.

2.1.2.2 Konduktivität

Die zweite die Wellenausbreitung beeinflussende elektrische Eigenschaft ist die elektri- sche Leitfähigkeit σ, oder „Konduktivität“. Sie gibt die Fähigkeit eines Materials an, elektrischen Strom zu leiten und hat die Einheit ȍ-¹ · m-^{1 11}. Die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes bestimmt dessen Reflexionsvermögen ebenso wie die relative Permittivität mit. Eng damit zusammen hängt die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in den Untergrund. Allgemein nimmt die Signalabsorption mit steigender Leitfähigkeit zu, so dass leitende Stoffe wie Metall oder Salzwasser die Wellen komplett abschirmen können. An ihnen tritt dann Totalreflexion auf^{12 13}. Daher können die elektromagnetischen Wellen des Georadar nicht weit in feuchten Boden eindringen. Ebenso kann es bei gering leiten- den Stoffen wie bei dem Eis auf der Antarktis zu einer Eindringtiefe von bis zu einigen Kilometern kommen¹⁴.

2.2 Funktionsweise des Georadarsystems

2.2.1 Ausstattung eines Georadarsystems

Zur typischen Ausstattung eines Georadarsystems gehört die Sende-und Empfangsein- heit zur Signalerzeugung und zum Empfangen des reflektierten Signals. Diese besteht aus einer Dipolantenne, welche die elektromagnetischen Impulse in den Untergrund sen- det und einer Empfangsantenne, die sie empfängt. Sende-und Empfangsantennen sind miteinander fest verbunden, da so ein konstanter Abstand zueinander gewährleistet ist. Fallweise sind Sender und Empfänger auch getrennt, für Spezialmessungen oder Mes- sungen mit der Transmissionsanordnung (s. Kapitel 2.2.3). Neben der Sende-und Emp- fangseinheit ist auch die Radarsteuer-und Aufzeichnungseinheit Teil des Georadarsys- tems. Damit werden die empfangenen Signale registriert und auf dem zugehörigen Ra- darschirm mithilfe einer speziellen Auswertungssoftware als Radargramm dargestellt. Interpretiert werden die Daten von qualifizierten Fachkräften mit der nötigen Erfahrung. Das Georadarsystem ist meist auf einen kleinen Wagen montiert, was den Transport bei der Messung erleichtert.^{15 16}

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Georadarsystem bei einer Messung auf Capri, Italien (eigenes Foto)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Radarsteuer-und Aufzeichnungseinheit, mit Radarschirm (eigenes Foto)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Ein Mitglied des Messpersonals und ich (eigenes Foto)

2.2.2 Funktionsweise der Reflexionsanordnung

Ein Georadarsystem wird allgemein in zwei verschiedenen Anordnungen angewandt, in der Reflexionsanordnung und in der Transmissionsanordnung.

Die vor allem in der Archäologie gängige Anordnung, die aber auch in anderen Gebieten häufiger verwendet wird, ist die Reflexionsanordnung, deren Funktionsweise im Folgen- den näher erläutert wird. Die Funktionsweise der Reflexionsanordnung beruht grundsätz- lich auf elektromagnetischer Reflexion. Ein Vorteil gegenüber der Transmissionsanord- nung ist, dass das aufzuspürende Objekt nur von einer Seite zugänglich sein muss.

Durch die Dipol-Sendeantenne, die sich mitsamt des Georadarsystems an der Oberfläche befindet, werden zuerst elektromagnetische Impulse in den zu untersuchenden Unter- grund abgestrahlt. Die Frequenz der elektromagnetischen Wellen kann hierbei je nach Beschaffenheit und Zweck variieren, bei archäologischen, geologischen und ingenieur- technischen Aufgaben liegen die Arbeitsfrequenzen üblicherweise zwischen 10 und 1000 MHz.¹⁷

[...]

¹ http://flexikon.doccheck.com/de/Grenzfl%C3%A4che aufgerufen am 25.08.2013

² http://de.wikipedia.org/wiki/Reflexion_(Physik) aufgerufen am 25.08.2013, Abschnitt: Reflexionsgesetz

³ http://de.wikipedia.org/wiki/Reflexion_(Physik) aufgerufen am 25.08.2013,

⁴ http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reflexion.svg aufgerufen am 15.08.2013

⁵ http://www.ggukarlsruhe.de/Messverfahren_Geophysik_zersto/GGU_Das_Georadar_RD-6_98c.pdf aufgerufen am 23.08.2013

⁶ http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Dielektrizitaetskonstante-dialectric-constant-DK.html aufgerufen am 23.08.2013

⁷ http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Feldkonstante aufgerufen am 23.08.2013

⁸ http://de.wikipedia.org/wiki/Dielektrizit%C3%A4tskonstante aufgerufen am 26.08.2013

⁹ http://de.wikipedia.org/wiki/Reflexion_(Physik)

¹⁰ http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophysik/Methoden/Georadar/methode_georadar_node.htm aufgerufen am 23.08.2013

¹¹ http://de.wikipedia.org/wiki/Konduktivit%C3%A4t aufgerufen am 26.08.2013

¹² http://www.ggukarlsruhe.de/Messverfahren_Geophysik_zersto/GGU_Das_Georadar_RD-6_98c.pdf aufgerufen am 23.08.2013, Seite 1,2

¹³ http://books.google.de/books?id=N5JxVmqhJE4C&pg=PA43&lpg=PA43&dq=Signalabsorption+leitf% C3%A4higkeit&source=bl&ots=rF9u-PncH3&sig=62PHXdH100YcvPU3-

qj59k464dQ&hl=de&sa=X&ei=TX8cUo2MNonAhAeQ0IGQCA&ved=0CE4Q6AEwBw#v=onepage &q=Signalabsorption%20leitf%C3%A4higkeit&f=false aufgerufen am 26.8.2013,

¹⁴ http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophysik/Aerogeophysik/Projekte/abgeschlossen/Aero- Radar/eisdickenmessung_antarktis.html?nn=1547912 aufgerufen am 29.08.2013

¹⁵ http://www.ggukarlsruhe.de/Messverfahren_Geophysik_zersto/GGU_Das_Georadar_RD-6_98c.pdf aufgerufen am 23.08.2013,

¹⁶ http://www.georadarforum.de/?q=de/node/21, aufgerufen am 23.09.2013

¹⁷ http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Georadar.html aufgerufen am 26.05.2013