DieGeophysik ist die Lehre der Erforschung und Beschreibung derErde und ihres Umfeldes mit den Methoden derPhysik.[1] Im Hinblick auf das Forschungsobjekt ist die Geophysik Teil derGeowissenschaften, im Bezug auf diewissenschaftliche Methodik gehört sie zur Physik.[2][3]
Klassisch erforscht die Geophysik die physikalischen Eigenschaften und Prozesse der festen Erde, also derErdkruste und desErdinnern, inklusive der Form der Erde, ihrerGravitations- undMagnetfelder, ihrer inneren Struktur und Zusammensetzung, ihrerDynamik und deren Ausdruck an der Oberfläche durchPlattentektonik,Magmenbildung,Vulkanismus undGesteinsbildung.[4] In dem Zusammenhang wird sie auch alsPhysik des Erdkörpers oder „Geophysik im engeren Sinne“ bezeichnet.[3][5]
In der deutschen Hochschulpolitik wurde die Geophysik bis 2020 der Gruppe der sogenanntenkleinen Fächer zugerechnet, inzwischen zählt sie zu denmittelgroßenFächern.[9]
Die Geophysik gilt als interdisziplinäres Fach und findet in allen Bereichen der Geowissenschaften Anwendung. Um eine klarere Vorstellung davon zu bekommen, was Geophysik ist, werden in diesem Abschnitt Phänomene beschrieben, die in derPhysik untersucht werden, und wie sie mit der Erde und ihrer Umgebung zusammenhängen.
Durch dieAnziehungskraft von Mond und Sonne kommt es alle 24 Stunden und 50 Minuten zuEbbe undFlut, beide wechseln sich also in einem Rhythmus von 12 Stunden und 25 Minuten ab.[10]
Durch die Schwerkraft werden tieferliegende Schichten durch die aufliegende Gesteine kompaktiert und die Dichte steigt im Erdinneren mit der Tiefe an.[11] Messungen derErdbeschleunigung und desGravitationsfeldes an der Erdoberfläche können zur Suche nach Mineralvorkommen genutzt werden (sieheSchwereanomalie undGravimetrie).[12] Das Schwerefeld der Oberfläche liefert Informationen über die Dynamik dertektonischen Platten. DieGeopotentialfläche, auchGeoid genannt, ist eine Modelllieurng desErdschwerefelds. Das Geoid wäre der globale mittlere Meeresspiegel, wenn die Ozeane im Gleichgewicht wären und sich durch die Kontinente erstrecken könnten (z. B. durch sehr schmale Kanäle).[13]
Modellierung des Wärmeflusses, insbesondere derthermischen Konvektion, im Erdmantel. Die roten pilzförmigen Aufstiegsstrukturen sindMantelplumens.
Der aus der auskühlenden Erde resultierendeWärmefluss erzeugt sowohl dasErdmagnetfeld (Geodynamo) als auch diePlattentektonik (Mantelkonvektion).[14] Die wichtigsten Wärmequellen sind die primordiale Wärme undRadioaktivität, aber auchPhasenübergänge tragen dazu bei. Die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich durchthermische Konvektion, obwohl sie über zweithermische Grenzschichten, dieKern-Mantel-Grenze und dieLithosphäre, hinweg stattfinden muss, über welche die Wärme durch Wärmeleitung transportiert wird.[15] Eine wichtige Rolle spielen während der Konvektion die für den Aufstieg von Material vorgeschlagenenMantelplumes, die große Teil der Wärme des Mantels durch Stofftransport bis zur Lithosphäre transportieren können.[16] Der insgesamt an der Erdoberfläche resultierende Wärmefluss beträgt etwa und stellt die Grundlage für die Energieförderung in derGeothermie dar.[17]
Fortpflanzung seismischer Wellen im Erdinneren, unterteilt wird inP- undS-Wellen, von denen sich nur P-Wellen durch den flüssigenäußeren Erdkern ausbreiten können.
Seismische Wellen sind Schwingungen, die sich durch die Erde (Raumwellen) und entlang ihrer Oberfläche ausbreiten (Oberflächenwellen). Die Wellen werden mithilfe vonSeismographen alsSeismogramme aufgezeichnet. Messungen seismischer Wellen können zum einen der Erforschung der Quelle, z. B. Position undHerdmechanismus einesErdbebens, aber auch der Strukturerkundung, also der Erforschung des Mediums, basierend auf dem Ausbreitungsverhaltens der Wellen in diesem, dienen. Die gesamte Erde besitzt eine kontinuierlicheEigenschwingung und jede Messung zeigt kontinuierliches Hintergrundrauschen, die alsMikroseimik bezeichnet wird.
Es wird in dieSeismik und dieSeismologie unterschieden, die Seismologie befasst sich mit Erdbeben und anderen Phänomenen natürlicher seismischer Wellen, während sich die Seismik primär mit künstlich angetretenen Wellen, also Wellen die für die Messung selbst erzeugt werden, befasst. Als direkte Konsequenz eines Erdbebens ist die Erforschung und Registrierung seismischer Wellen fundamentaler Bestandteil desKatastrophenschutzes.
Im globalen Stromkreis, abwärts von derIonosphäre in die Erde und durchGewitter wieder aufwärts, fließt ein Strom von etwa 1800Ampere. Der Fluss manifestiert sich durchBlitze unter den Wolken undSprites über den Wolken. In oberflächennähe besteht ein abwärts gerichtetes elektrisches Feld von durchschnittlich 120Volt pro Meter. Relativ zur festen Erde ist die Atmosphäre durchkosmische Strahlung positiv geladen.[18]
In geophysikalischen Untersuchungen, insbesondere in derProspektion, werden eine Vielzahl von elektrischen Methoden eingesetzt, die alsGeoelektrik bezeichnet werden. Die Methoden beruhen entweder auf der Messung von Eigenpotentialen oder der Einspeisung von erzeugten Strömen in den Untergrund, deren Spannungsabfall bei Ankunft an Messsonden verwendet wird um die Widerstandsverteilung im Boden zu rekonstruieren und so auf verschieden leithfähige Materialien rückzuschließen.
Die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen ist häufiger Gegenstand der geophysikalischen Prospektion, so z. B. demBodenradar, derElektromagnetischen Induktionsmessung (EMI), derTransienten-Elektromagnetik (TEM) oder derMagnetotellurik.
Das Erdmagnetfeld schützt die Erde vorkosmischer Strahlung, insbesondere demSonnenwind, und wird seit langem zur Navigation genutzt. Es hat seinen Ursprung imäußeren Erdkern, in dem durch denWärmefluss der auskühlenden Erde das flüssige Metall in Bewegung gesetzt (Konvektion) und durch dieCorioliskraft zu schraubenförmiger Rotation gebracht wird. Die Wechselwirkung des sich bewegenden leitfähigen Materials mit dem Erdmagnetfeld erzeugt elektrische Ströme (Induktion), die wiederum eigene Magnetfelder erzeugen und so das Erdmagnetfeld aufrechterhalten.[19]
Der(geo)magnetische Pol und die zugehörige Achse (rosa Linie) sind zumgeografischen Pol und der Rotationsachse (blaue Linie) verkippt.Schema derMagnetosphäre. Sonnenwinde strömen von links nach rechts.
Das Erdfeld entspricht in etwa einem gekipptenDipol, ändert sich jedoch im Laufe der Zeit (ein Phänomen, dass als geomagnetische säkulare Variation bezeichnet wird). Meistens bleibt dergeomagnetische Pol in der Nähe desgeografischen Pols, aber in zufälligen Abständen von durchschnittlich 440.000 bis zu einer Million Jahren kehrt sich die Polarität des Erdfeldes um. Diese Polsprünge umfassen 184 Polaritätsintervalle in den letzten 83 Millionen Jahren, wobei sich die Häufigkeit im Laufe der Zeit ändert, wobei die jüngste kurze vollständige Umkehrung desLaschamp-Ereignis vor 41.000 Jahren während derletzte Eiszeit stattfand. Im Rahmen derMagnetostratigraphie werden in dieMagnetisierung von Gesteinen zur Datierung und Plattenrekonstruktion genutzt.[20]
Die in der geophysikalischen Untersuchung des Magnetfeldes wird alsGeomagnetik bezeichnet und umfasst die Erforschung des Erdmagnetfeldes selbst und Methoden zurgeophysikalischen Prospektion mithilfe der Detektion magnetischer Anomalien.
Radiometrische Kartierungen mit boden- und flugzeuggestützterGammaspektrometrie können verwendet werden, um die Konzentration und Verteilung von Radioisotopen nahe der Erdoberfläche aufzuzeichnen und darausLithologie undAlteration abzuleiten.[24]
Die geophysikalische Fluiddynamik ist ein wichtiges Werkzeug in der physikalischeOzeanographie und derMeteorologie. Die Rotation der Erde hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Fluiddynamik, insbesondere aufgrund desCoriolis-Effekts. In der Atmosphäre führt sie zu großräumigen Mustern wie denRossby-Wellen und bestimmt die grundlegenden Zirkulationsmuster von Stürmen. Im Ozean treibt sie die großräumige Zirkulationsmuster sowieKelvin-Wellen undEkman-Spiralen an der Meeresoberfläche an.[26] Im Erdkern verursacht sie die spiralenförmige Zirkulation des geschmolzenen Eisens.[25]
Wellen und andere Phänomene in der Magnetosphäre können mit derMagnetohydrodynamik modelliert werden.
Die Geophysik lässt sich nach unterschiedlichen Kriterien in weitere Teilgebiete untergliedern. Je nach gewähltem Kriterium ergeben sich unterschiedliche Untergliederungen, deren enthaltene Teilgebiete sich teils überlappen können.
Im allgemeinen Sinne ist die Geophysik die Wissenschaft von den physikalischen Erscheinungen des PlanetenErde, der aus dem festen Erdkörper, der Wasserhülle und der gasförmigen Hülle besteht. In dieser sehr weiten Definition umfasst die Geophysik folgende Teildisziplinen:[3]
DiePhysik des Erdkörpers, oft auch als „Geophysik im engeren Sinne“ bezeichnet.[3][5] Dieser Bereich gliedert sich wiederum in folgende Teildisziplinen:
Alternativ lässt sich die Geophysik auch nach den verwendeten Forschungsmethoden und deren Anwendungsbezug untergliedern. Dabei wird analog zurPhysik dietheoretische undexperimentelle Geophysik unterschieden und nach Anwendung in dieAngewandte undAllgemeine Geophysik unterteilt:[3]
Dieexperimentelle Geophysik befasst sich mit Laborversuchen. Häufig geht es dabei um die Untersuchung von Materialeigenschaften, unter Bedingungen, wie sie im Erdinnern herrschen. Handelt es sich bei den untersuchten Materialien umGesteine, so nennt man diesen Forschungszweig auchPetrophysik. Ein typisches Beispiel wäre die Bestimmung derSchall-Leitfähigkeit verschiedener Gesteine unter hohemDruck in einer Materialpresse. Letztlich wird manchmal auch dieNumerische Simulation der experimentellen und nicht der theoretischen Geophysik zugeordnet.[29]
DieAngewandte Geophysik befasst sich mit der Erkundung des Untergrundes mit geophysikalischen Messmethoden für praktische Anwendungen. Am bedeutendsten ist die Exploration zur Suche von Rohstoffen, wie zum BeispielErdöl,Wasser oderErzen. Auch die Auffindung geeigneterEndlagerstätten, die Untersuchung vonDeponien und anderenAltlasten, dieBaugrunduntersuchung und die Untersuchung des Untergrundes zu Zwecken der Landwirtschaft (Agrogeophysik) fallen in diesen Bereich. Letztlich werden Methoden der angewandten Geophysik auch für akademische Fragestellungen, insbesondere in der Archäologie (Archäometrie), eingesetzt. Werden geophysikalische Erkundungen nicht von der Erdoberfläche, sondern von einem Bohrloch aus durchgeführt, so spricht man von derBohrlochgeophysik, einem weiteren Unterbereich der angewandten Geophysik. Die Angewandte Geophysik bewegt sich dabei an der Schnittstelle zwischenNatur- undIngenieurwissenschaften.
DieAllgemeinen Geophysik,Grundlagenforschung bezüglich der Prozesse und Felder des gesamten Erdkörpers.
Da sich die Geophysik vornehmlich mit jenen Gebieten der Erde befasst, die für direkte Messungen nicht zugänglich sind, werden oft Verfahren derFernerkundung eingesetzt. Diese laufen meist darauf hinaus, dass einphysikalisches Feld nahe der Erdoberfläche ausgemessen wird, um es dann mit mathematischen Methoden in die interessierenden Tiefen- oder Höhenbereiche zu extrapolieren. Die Details der angewandten Mess- und Auswertungsverfahren variieren stark je nach der untersuchten Messgröße (Erdbeschleunigung, elektrische oder magnetische Feldstärke etc.), dem beobachteten Frequenzbereich und der dabei auftretenden grundlegenden Feldcharakteristik (Potentialfeld, Diffusionsfeld oder Wellenfeld; abhängig von den zugrunde liegenden Differentialgleichungen). Insbesondere die Feldcharakteristik hat großen Einfluss auf die verwendbaren Auswertungsverfahren. Daher seien hier einige typische Erkundungsverfahren der Geophysik nach der zutreffenden Feldcharakteristik aufgeführt:
Die Geophysik hat sich erst im 19. Jahrhundert als eigenständige Disziplin herausgebildet, und zwar aus dem Schnittpunkt von physikalischerGeografie,Geologie,Astronomie,Meteorologie.[30][31] Viele geophysikalische Phänomene – wie das Magnetfeld der Erde und Erdbeben – werden jedoch schon seit der Antike untersucht.
Die Erforschung der Erde geht auf elementare Erkenntnisse in der Antike zurück. Der erste berichtete Magnetkompass geht auf das 4. Jahrhundert vor Christus in China zurück, dieser konnte jedoch seine Magnetisierung nicht lange genug aufrechterhalten, um für die Meeresnavigation nützlich zu sein. Die erste Erwähnung eines Kompasses in Europa stammt aus dem Jahr 1190 n. Chr.[32] Um 240 v. Chr. schlussfolgerteEratosthenes von Kyrene, dass die Erde rund ist, und maß den Erdumfang mithilfe von der Geometrie des Sonneneinfalls mit großer Genauigkeit[33] und entwickelte ein System derBreiten- und Längengrade.[34]
Der vielleicht früheste Beitrag zur Seismologie war die Erfindung einesSeismoskops durchZhang Heng im Jahr 132 n. Chr. Dieses Instrument war so konzipiert, dass es eine Bronzekugel aus dem Maul eines Drachens in das Maul einer Kröte fallen ließ. Indem man nachsah, welche von acht Kröten die Kugel hatte, konnte man die Richtung des Erdbebens bestimmen.[32]
Einige Informationen über Erdbeben finden sich inAristotelesMeteorology, inNaturalis Historia vonPlinius dem Älteren und inStrabosGeographica. Aristoteles und Strabo zeichneten Beobachtungen über Gezeiten auf. Der griechische Philosoph Empedokles (ca. 490–430 v. Chr.) unternahm den ersten Versuch,Vulkane auf natürliche, wenn auch abwegige, Weise zu erklären. Plinius der Ältere stellte fest, dass einem Ausbruch Erdbeben vorausgingen.
Eine der Veröffentlichungen, die den Beginn der modernen Wissenschaft markierten, war William Gilberts De Magnete (1600), ein Bericht über eine Reihe sorgfältiger Experimente zum Magnetismus. Gilbert schlussfolgerte, dass Kompasse nach Norden zeigen, weil die Erde selbst magnetisch ist.[35]
Blaise Pascal entdeckte 1648 erneut, dass der atmosphärische Druck mit der Höhe abnimmt, und folgerte daraus, dass über der Atmosphäre ein Vakuum herrscht. Das erste Seismometer, ein Instrument zur kontinuierlichen Aufzeichnung der seismischen Aktivität, wurde 1844 vonJames Forbes gebaut.[36]
Die erste bekannte Verwendung des Wortes Geophysik stammt aus dem Deutschen vonJulius Fröbel im Jahr 1834.[37] In den folgenden Jahrzehnten wurde der Begriff gelegentlich verwendet, setzte sich aber erst durch, als ab 1887 mitBeiträge zur Geophysik erste Zeitschriften zu diesem Thema erschienen. Das spätereJournal of Geophysical Research wurde 1896 unter dem TitelTerrestrial Magnetism gegründet. 1898 wurde an derUniversität Göttingen ein Geophysikalisches Institut gegründet, undEmil Wiechert erhielt den weltweit ersten Lehrstuhl für Geophysik.[38] Einen internationalen Rahmen für die Geophysik bildete die Gründung derInternational Union of Geodesy and Geophysics im Jahr 1919.[39]
Geophysikalische Studiengänge werden nicht an allen Universitäten angeboten. Die Schwerpunktsetzung unterscheidet sich zwischen den einzelnen Hochschulen hinsichtlich geophysikalischer Fachbereiche. Manche Hochschulen bieten Geophysik als eigenständiges Fach an und andere Geophysik als Studienrichtung bzw. Schwerpunkt in den Studienfächern Geowissenschaften oder Physik (siehe Karte). Die Anteile an geophysikalischen Inhalten können sich dabei unterscheiden und sind an der jeweiligen Hochschule herauszufinden.
Folgende Hochschulen in Deutschland bieten geophysikalische Studiengänge an:[40]
Geophysik (Deutschland)
Bonn
Freiberg
Hamburg
Jena
Karlsruhe
Kiel
Köln
München
Münster
Aachen
Berlin
Bremen
Bochum
Frankfurt
Leipzig
Potsdam
Greifswald
Braunschweig
Göttingen
Überblickskarte der Studienorte, an denen geophysikalische Studiengänge angeboten werden.
Studienorte, an denen Geophysik als eigenständiges Fach angeboten wird Studienorte, an denen Geophysik als Vertiefungsrichtung im Rahmen eines geowissenschaftlichen Studiums angeboten wird oder geophysikalische Module in einem geowissenschaftlichen Studium angeboten werden
Studienorte, an denen Geophysik als Vertiefungsrichtung im Rahmen eines physikalischen Studiums angeboten wird
Die globalen Forschungsagenden der Geophysik werden im Rahmen derIUGG (Internationale Union fürGeodäsie und Geophysik) und ihren 7 Assoziationen koordiniert.
↑Was ist Geophysik? Universität Hamburg, 17. Mai 2021, abgerufen am 17. Januar 2023.
↑Christoph Clauser:Einführung in die Geophysik. 2., aktualisierte u. korr. Aufl. 2016. Springer, Berlin, Heidelberg 2016,ISBN 978-3-662-46884-5,S.2.
↑abcdefGeophysik. In: Lexikon der Geowissenschaften. Spektrum, abgerufen am 17. Januar 2023.
↑abRobert E. Sheriff:Encyclopedic dictionary of exploration geophysics. 3rd ed Auflage. Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, OK 1991,ISBN 1-56080-018-6.
↑abPhysik des Erdkörpers. In: Lexikon der Geowissenschaften. Spektrum, abgerufen am 17. Januar 2023.
↑Gutenberg, B., 1929, Lehrbuch der Geophysik. Leipzig. Berlin (Gebruder Borntraeger)
↑Runcorn, S.K, 1967, International dictionary of geophysics:. Pergamon, Oxford, 2 volumes, 1,728 pp., 730 fig
↑Geophysics, 1970, Encyclopaedia Britannica, Vol.10, p. 202–202
↑David A. Ross:Introduction to oceanography. 4th ed Auflage. Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1988,ISBN 0-13-491408-2,S.236–242.
↑Jean-Paul Poirier:Introduction to the physics of the Earth's interior. 2nd ed Auflage. Cambridge University Press, Cambridge 2000,ISBN 0-511-01034-6.
↑W. M. Telford:Applied geophysics. Second edition Auflage. Cambridge [England] 1990,ISBN 0-521-32693-1.
↑William Lowrie:Fundamentals of geophysics. Cambridge University Press, Cambridge 1997,ISBN 0-521-46164-2.
↑Geoffrey F. Davies:Dynamic earth : plates, plumes, and mantle convection. Cambridge University Press, Cambridge 1999,ISBN 0-521-59067-1.
↑C. M. R. Fowler:The solid earth: an introduction to global geophysics. 2nd ed Auflage. Cambridge University Press, Cambridge, UK 2005,ISBN 0-521-89307-0.
↑Henry N. Pollack, Suzanne J. Hurter, Jeffrey R. Johnson:Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set. In:Reviews of Geophysics.Band31,Nr.3, August 1993,ISSN8755-1209,S.267–280,doi:10.1029/93RG01249 (wiley.com [abgerufen am 10. Oktober 2023]).
↑R. G. Harrison, K. S. Carslaw:Ion-aerosol-cloud processes in the lower atmosphere: ION-AEROSOL-CLOUD PROCESSES. In:Reviews of Geophysics.Band41,Nr.3, September 2003,doi:10.1029/2002RG000114.
↑P. R. Renne, K. R. Ludwig, D. B. Karner:Progress and challenges in geochronology. In:Science Progress. 83 (Pt 1), 2000,ISSN0036-8504,S.107–121,PMID 10800377.
↑Radiometrics. In: Geoscience Australia. Australien Government, 15. Mai 2014, abgerufen am 26. Februar 2023 (englisch).
↑abRonald T. Merrill:The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle. Academic Press, San Diego, Calif. 1996,ISBN 0-12-491245-1.
↑Joseph Pedlosky:Geophysical fluid dynamics. 2nd ed Auflage. Springer-Verlag, New York 1987,ISBN 0-387-96388-X.
↑Andrew Binley, Susan S. Hubbard, Johan A. Huisman, André Revil, David A. Robinson:The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales. In:Water Resources Research.Band51,Nr.6, Juni 2015,ISSN0043-1397,S.3837–3866,doi:10.1002/2015WR017016,PMID 26900183,PMC 4744786 (freier Volltext).
↑Geophysik. In: Lexikon der Geographie. Spektrum, abgerufen am 17. Januar 2023.
↑abRobert K. G. Temple:The genius of China: 3,000 years of science, discovery, and invention. Simon and Schuster, New York 1986,ISBN 0-671-62028-2.
↑Lucio Russo:The forgotten revolution: how science was born in 300 BC and why it had to be reborn. Springer, Berlin 2004,ISBN 3-540-20396-6.
↑Eratosthenes:Eratosthenes' Geography. Princeton University Press, Princeton 2010,ISBN 978-1-4008-3221-7.
↑Ronald T. Merrill:The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle. Academic Press, San Diego, Calif. 1996,ISBN 0-12-491245-1.
↑J. Dewey, P. Byerly:The early history of seismometry (to 1900). In:Bulletin of the Seismological Society of America. 1969 (semanticscholar.org [abgerufen am 26. April 2023]).
↑Peter Varga:Common roots of modern seismology and of earth tide research. A historical overview. In:Journal of Geodynamics.Band48,Nr.3–5, Dezember 2009,S.241–246,doi:10.1016/j.jog.2009.09.032 (elsevier.com [abgerufen am 27. April 2023]).
↑Gregory A Good:The Assembly of Geophysics: Scientific Disciplines as Frameworks of Consensus. In:Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics.Band31,Nr.3, September 2000,S.259–292,doi:10.1016/S1355-2198(00)00018-6 (elsevier.com [abgerufen am 26. April 2023]).
