Einführung in Die Geophysik: Globale Physikalische Felder Und Prozesse in Der Erde

ISBN-13: 9783662661635 / Niemiecki / Twarda / 2024 / 423 str.

Christoph Clauser

Opis

Dieses populäre deutschsprachige Lehrbuch zur Geophysik führt Studierende und wissenschaftlich Interessierte mit seiner dritten, vollständig überarbeiteten Auflage auf einem mittleren Niveau in die Physik der Erde ein. Dabei geht es weit über eine rein phänomenologische Beschreibung hinaus und erläutert systematisch die physikalischen Grundlagen der beschriebenen Prozesse und Felder, die die Erde als Ganzes betreffen: ihre Position im Weltall; ihren inneren Aufbau; ihr Alter und das ihrer Gesteine; Erdbeben und deren Nutzung zur Erkundung der Struktur der Erde; ihre äußere Form, Gezeiten und isostatischen Ausgleichsprozesse; die Struktur des Erdmagnetfeldes, den das Erdmagnetfeld erzeugenden Geodynamo sowie die Wechselwirkung zwischen der Magnetosphäre der Erde und dem Plasmastrom des Sonnenwinds; das Temperaturfeld der Erde und Wärmetransportprozesse in Kern, Mantel und Kruste der Erde und deren Bedeutung für den Antrieb des Geodynamos und der Plattentektonik.Alle Kapitel beginnen mit einem kurzen historischen Abriss, der die Entwicklung der jeweiligen Disziplin bis in die jüngste Vergangenheit beschreibt. Ausgewählte Biografien illustrieren, unter welchen äußeren und persönlichen Bedingungen bahnbrechende Ergebnisse erzielt wurden. Der Text führt sowohl in die deutsche als auch die englische Fachterminologie ein. Mathematische Ableitungen erleichtern das Verständnis. Übungsaufgaben mit durchgerechneten Ergebnissen ermöglichen ein eigenständiges Überprüfen der erlangten Kenntnisse.Ein ausführlicher Anhang enthält eine Fülle nützlicher Zusatzinformationen wie geologische Zeittafeln, allgemeine Bezugsdaten, Umrechnungsfaktoren, die aktuellsten Werte der Naturkonstanten, Rechenregeln für Vektoren und Tensoren sowie zwei Kapitel zu den Grundgleichungen der Hydrodynamik und Hydrothermik. Das Buch wendet sich an Bachelor- und Masterstudierende der Geophysik und der Geowissenschaften sowie an Nebenfachstudierende der Physik, der Umweltwissenschaften und der Geoökologie.

Spis treści

Inhalt

VORWORT ZUR DRITTEN AUFLAGE

VORWORT ZUR ZWEITEN AUFLAGE

VORWORT ZUR ERSTEN AUFLAGE

1 GRUNDSÄTZLICHES ZUR GEOPHYSIK, ZUR LAGE DER ERDE IM WELTALL, ZU IHRER STOFFLICHEN ZUSAMMENSETZUNG UND IHREM INNEREN AUFBAU

1.1 EINLEITUNG

1.2 WAS IST GEOPHYSIK?

1.3 ZUM GEBRAUCH VON FORMELN

1.4 DIE ERDE IM WELTALL

1.5 AUFBAU DER ERDE

1.6 AUFGABEN UND FRAGEN

AUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG

2 RADIOAKTIVER ZERFALL UND DAS ALTER VON GESTEINEN

2.1 ISOTOPE, RADIOAKTIVITÄT UND ZERFALLSPROZESSE

2.2 METHODEN DER PHYSIKALISCHEN ALTERSBESTIMMUNG

2.2.1 Zerfalls- und Akkumulationsuhren aus dem Häufigkeitsverhältnis von Eltern- und Tochterisotopen

2.2.1.1 Isochronen-Methode beim einfachen Zerfall

2.2.1.2 Isochronen-Methode beim verzweigten Zerfall

2.2.1.3 Zerfallsreihen

2.2.2 Datierung mit kosmischen Radionukliden

2.2.3 Datierung mit radioaktiven Ungleichgewichten

2.2.4 Akkumulationsuhren auf der Grundlage von Strahlenschädigungen

2.2.5 Datierung mit Jahresmarkierungen stabiler Isotope

2.3 AUFGABEN UND FRAGEN

AUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG

3 ERDBEBEN UND DIE STRUKTUR DER ERDE

3.1 SEISMISCHE WELLEN UND IHRE WECHSELWIRKUNG MIT DER MATERIE UND DEN INNEREN GRENZFLÄCHEN DER ERDE

3.1.1 Wellen im täglichen Leben

3.1.2 Elastizität

3.1.3 Elastische Wellen

3.1.4 Energie und Energiedichte einer seismischen Welle

3.1.5 Dämpfung seismischer Wellen

3.1.6 Reflexion und Brechung seismischer Wellen an Grenzflächen

3.1.7 Seismometer

3.2 AUSBREITUNG VON ERDBEBENWELLEN

3.2.1 Inversion von Laufzeitkurven zur Bestimmung einer radialen Geschwindigkeitsverteilung in der Erde

3.2.2 Bestimmung von Grenzflächen in der Erde aus der charakteristischen Antwortfunktion (receiver function) seismischer Stationen

3.2.3 Seismische Tomografie zur Abbildung innerer Strukturen der Erde

3.2.4 Bestimmung der Entfernung zum Epizentrum eines Erdbebens

3.2.5 Herdmechanismen von Erdbeben und deren geodynamische Deutung

3.2.6 Bestimmung der Stärke von Erdbeben

3.2.7 Überwachung des internationalen Kernwaffenteststopp-Abkommens

3.3 EIGENSCHWINGUNGEN VON ERDE UND SONNE

3.3.1 Kugelfunktionsanalyse

3.3.2 Eigenschwingungen der Erde

3.3.3 Helio- und Astroseismologie

3.3.3.1 Globale Helioseismologie: Analyse solarer Eigenschwingungen

3.3.3.2 Lokale Helioseismologie: Laufzeitkurven und Ringdiagramme

3.4 AUFGABEN UND FRAGEN

AUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG

4 SCHWEREFELD UND FIGUR DER ERDE

4.1 GRAVITATION, ERDUMDREHUNG UND GEZEITEN

4.1.1 Gravitationspotenzial

4.1.2 Erdumdrehung

4.1.3 Gezeiten

4.1.4 Änderungen von Erdumdrehung und Erdumlauf um die Sonne

4.1.5 Coriolis- und Eötvös-Beschleunigung

4.2 SCHWEREPOTENZIAL UND GEOID

4.2.1 Lösung der Laplace-Gleichung für das Gravitationspotenzial und Entwicklung nach Kugelfunktionen

4.2.2 Entwicklung des Geoids nach Kugelfunktionen

4.3 SCHWEREANOMALIEN, SCHWEREREDUKTIONEN UND ISOSTASIE

4.3.1 Korrektur und Reduktion von Messwerten der Schwerebeschleunigung

4.3.1.1 Korrektur zeitlicher Variationen: Instrumentengang und Gezeiten

4.3.1.2 Die Breitenabhängigkeit der Normalschwere γ0

4.3.1.3 Höhenreduktionen: Freiluftreduktion δgF und Geländereduktion δgT

4.3.1.4 Bouguer-Reduktion δgB und atmosphärische Reduktion δgA

4.3.2 Globale und regionale Schwereanomalien

4.3.3 Isostasie und geodynamische Aspekte

4.4 AUFGABEN UND FRAGEN

AUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG

5 MAGNETFELD UND MAGNETOSPHÄRE DER ERDE

5.1 KOMPONENTEN UND STRUKTUR DES ERDMAGNETFELDS

5.2 QUELLEN DES ERDMAGNETFELDS

5.2.1 Der Geodynamo

5.2.2 Die Magnetosphäre der Erde

5.2.3 Das elektrische Feld der Erde

5.3 ENTWICKLUNG DES ERDMAGNETFELDS NACH INNEREN UND ÄUßEREN QUELLEN

5.3.1 Entwicklung des Erdmagnetfelds nach Kugelfunktionen

5.3.2 Aktuelle Modelle des erdmagnetischen Hauptfelds und magnetische Anomalien

5.4 MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN VON GESTEINEN

5.4.1 Induzierte Magnetisierung

5.4.2 Diamagnetismus

5.4.3 Paramagnetismus

5.4.4 Ferro- und Ferrimagnetismus

5.4.5 Remanente Magnetisierung

5.5 GESTEINSMAGNETISMUS

5.5.1 Magnetisierung von Gesteinen

5.6 PALÄOMAGNETIK: POLWANDERUNG UND FELDUMKEHR

5.6.1 Methoden der Paläomagnetik

5.6.2 Polwanderkurven

5.7 AUFGABEN UND FRAGEN

AUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG

6 WÄRME UND TEMPERATURFELD DER ERDE

6.1 WÄRMETRANSPORT IN DER ERDE

6.1.1 Thermodynamische Grundlagen

6.1.2 Grundlagen des Wärmetransports in der Erde

6.1.2.1 Erhaltung von Masse

6.1.2.2 Erhaltung von Energie

6.1.3 Die thermische Struktur der Erde

6.2 THERMISCHE ENERGIEBILANZ DER ERDE

6.2.1 Wärmequellen

6.2.1.1 Äußere Quellen

6.2.1.2 Innere Quellen

6.2.2 Wärmesenken

6.2.3 Wärmebilanz der Erde

6.3 WÄRMESPEICHERUNG, WÄRMEPRODUKTION UND WÄRMETRANSPORT IN DER ERDE

6.3.1 Wärmespeicherung

6.3.1.1 Wärmekapazität

6.3.1.2 Latente Wärme

6.3.1.3 Volumenbezogene thermische Kapazität

6.3.2 Radiogene Wärmeproduktion

6.3.3 Wärmeleitung und Wärmediffusion

6.3.3.1 Wärmeleitfähigkeit

6.3.3.2 Strahlungs-Wärmeleitfähigkeit

6.3.3.3 Variation der effektiven Gesteins-Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur

6.3.3.4 Thermische Diffusivität

6.4 DER THERMISCHE ZUSTAND VON ERDKERN UND ERDMANTEL

6.4.1 Konvektion im äußeren Erdkern

6.4.2 Konvektion im Erdmantel

6.5 DER THERMISCHE ZUSTAND DER ERDKRUSTE

6.5.1 Globale Variation des terrestrischen Wärmestroms

6.5.2 Verteilung radioaktiver Quellen mit der Tiefe

6.5.3 Paläoklima

6.5.4 Auskühlung ozeanischer Lithosphäre

6.5.5 Wärmeadvektion als Maß für Strömung

6.5.5.1 Bestimmung vertikaler Fließraten mit Péclet-Zahl-Analysen von Temperaturprofilen

6.5.5.2 Dimensionsanalyse thermischer Systeme

6.5.5.3 Freie Konvektion in porösem Gestein

6.6 AUFGABEN UND FRAGEN

AUSGEWÄHLTE LEHRBÜCHER UND NACHSCHLAGEWERKE ZUR VERTIEFUNG

7 ANHANG 338

7.1 GEOLOGISCHE ZEITTAFELN UND PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE

7.2 ALLGEMEINE BEZUGSDATEN, UMRECHNUNGSFAKTOREN UND NATURKONSTANTEN 7

7.3 VORSICHT BEI GROßEN ZAHLEN: ABKÜRZUNG, PRÄFIXE UND NAMEN FÜR VIELFACHE UND BRUCHTEILE VON ZEHN IN VERSCHIEDENEN SPRACHEN

7.4 EINIGE RECHENREGELN FÜR VEKTOREN UND TENSOREN

7.5 DIE FEHLERFUNKTION

7.6 LEGENDRE-TRANSFORMATION

7.7 SEISMISCHE INTENSITÄTSSKALA EMS-98

7.8 ANTWORTFUNKTION EINES SEISMOMETERS

7.9 ERZEUGUNG EINES ZUM MITTLEREN MAGNETFELD PARALLELEN, TURBULENTEN MAGNETFELDS (Α-EFFEKT)

7.10 GLEICHUNGEN DER HYDRODYNAMIK

7.10.1 Die eulersche Bewegungsgleichung einer idealen Flüssigkeit

7.10.2 Die Navier-Stokes-Gleichung der Strömung einer zähen Flüssigkeit

7.10.3 Stokes-Strömung

7.10.4 Oberbeck-Boussinesq-Näherung

7.11 GLEICHUNGEN DER HYDROTHERMIK

7.11.1 Energietransport in zähen Fluiden

7.11.2 Beheizung oder Kühlung eines homogenen Halbraums von oben

7.11.3 Einsetzen freier Konvektion  lineare Stabilitätsanalyse

7.11.4 Wassertiefe über einer isostatisch ausgeglichenen, von oben gekühlten Lithosphärenplatte endlicher Dicke

8 ANTWORTEN ZU DEN FRAGEN UND LÖSUNGEN DER AUFGABEN

9 ZITIERTE LITERATUR

10 LISTE DER VERWENDETEN SYMBOLE UND SCHREIBWEISEN

11 STICHWORTVERZEICHNIS

O autorze

Christoph Clauser wurde im Jahr 2000 als Professor für Angewandte Geophysik an die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen berufen. Von 2007 bis 2018 leitete er am dortigen E.ON Energy Research Center den Lehrstuhl für Applied Geophysics and Geothermal Energy. Seit 2011 ist er Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften – Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina. Als Wissenschaftler ist er auf geophysikalische Aspekte des Reservoir-Ingenieurwesens spezialisiert, insbesondere in Bezug auf geothermische Energie, Kohlenwasserstoffe und geologische Spei­cherung von Kohlendioxid.

Blurb

Dieses populäre deutschsprachige Lehrbuch zur Geophysik führt Studierende und wissenschaftlich Interessierte mit seiner dritten, vollständig überarbeiteten Auflage auf einem mittleren Niveau in die Physik der Erde ein. Dabei geht es weit über eine rein phänomenologische Beschreibung hinaus und erläutert systematisch die physikalischen Grundlagen der beschriebenen Prozesse und Felder, die die Erde als Ganzes betreffen: ihre Position im Weltall; ihren inneren Aufbau; ihr Alter und das ihrer Gesteine; Erdbeben und deren Nutzung zur Erkundung der Struktur der Erde; ihre äußere Form, Gezeiten und isostatischen Ausgleichsprozesse; die Struktur des Erdmagnetfeldes, den das Erdmagnetfeld erzeugenden Geodynamo sowie die Wechselwirkung zwischen der Magnetosphäre der Erde und dem Plasmastrom des Sonnenwinds; das Temperaturfeld der Erde und Wärmetransportprozesse in Kern, Mantel und Kruste der Erde und deren Bedeutung für den Antrieb des Geodynamos und der Plattentektonik.

Alle Kapitel beginnen mit einem kurzen historischen Abriss, der die Entwicklung der jeweiligen Disziplin bis in die jüngste Vergangenheit beschreibt. Ausgewählte Biografien illustrieren, unter welchen äußeren und persönlichen Bedingungen bahnbrechende Ergebnisse erzielt wurden. Der Text führt sowohl in die deutsche als auch die englische Fachterminologie ein. Mathematische Ableitungen erleichtern das Verständnis. Übungsaufgaben mit durchgerechneten Ergebnissen ermöglichen ein eigenständiges Überprüfen der erlangten Kenntnisse.

Ein ausführlicher Anhang enthält eine Fülle nützlicher Zusatzinformationen wie geologische Zeittafeln, allgemeine Bezugsdaten, Umrechnungsfaktoren, die aktuellsten Werte der Naturkonstanten, Rechenregeln für Vektoren und Tensoren sowie zwei Kapitel zu den Grundgleichungen der Hydrodynamik und Hydrothermik.

Das Buch wendet sich an Bachelor- und Masterstudierende der Geophysik und der Geowissenschaften sowie an Nebenfachstudierende der Physik, der Umweltwissenschaften und der Geoökologie.

Der Autor

Christoph Clauser wurde im Jahr 2000 als Professor für Angewandte Geophysik an die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen berufen. Von 2007 bis 2018 leitete er am dortigen E.ON Energy Research Center den Lehrstuhl für Applied Geophysics and Geothermal Energy. Seit 2011 ist er Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften – Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina. Als Wissenschaftler ist er auf geophysikalische Aspekte des Reservoir-Ingenieurwesens spezialisiert, insbesondere in Bezug auf geothermische Energie, Kohlenwasserstoffe und geologische Spei­cherung von Kohlendioxid.

Stimmen zum Buch:

>>…ein ausgezeichnetes Lehrbuch, das sowohl Anfängern als auch fortgeschrittenen Studenten der Geophysik und verwandten Fächern ein solides Grundwissen dieses Fachs vermittelt. Es macht Spaß dieses Buch zu lesen und dabei immer wieder neue Zusammenhänge der Geophysik zu entdecken, die auch manchem Experten dieses Gebietes vorher vielleicht nicht immer so bewusst waren. << Prof. Martin Saar, Ph.D., Institut für Geophysik, ETH Zürich

>>Mit diesem Lehrbuch ist nach Jahrzehnten endlich ein aktuelles deutschsprachiges Werk vorhanden, welches umfassend und detailliert in die globalen physikalischen Phänomene und Prozesse unserer Erde und deren mathematisch-physikalischer Beschreibung einführt. …Absolut empfehlenswert! << Prof. Dr. Andreas Kemna, Lehrstuhl für Angewandte Geophysik, Universität Bonn

>> Die anschauliche und kompetente Darstellung der Grundlagen verknüpft mit interdisziplinärem Detailwissen präsentiert die Zusammenhänge der modernen Geophysik in dieser exzellenten Einführung, die für Studierende sehr zu empfehlen ist.<< Prof. Dr. Heidrun Kopp, Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR) und Christian-Albrechts-Universität zu Kiel