Geophysik

Gegenstand und Bedeutung

Geophysik erforscht und beschreibt die Erde und ihr Umfeld mit Methoden der Physik. Sie ist nach ihrem Gegenstand Teil der Geowissenschaften, nach ihrer Methodik Teil der Physik. Klassisch untersucht sie die feste Erde: Erdkruste und Erdinneres, Erdform, Gravitations- und Magnetfeld, Aufbau, Zusammensetzung und Dynamik. Dazu gehören die an der Oberfläche sichtbaren Folgen wie Plattentektonik, Magmenbildung, Vulkanismus und Gesteinsbildung. Dieser Bereich heißt auch „Physik des Erdkörpers“ oder „Geophysik im engeren Sinne“.

Im weiteren modernen Sinn umfasst Geophysik außerdem Hydrosphäre (Wasserhülle), Atmosphäre, Ionosphäre und Magnetosphäre sowie die Physik anderer Planeten und des Mondes. Themen sind etwa Wasserkreislauf, Strömungen in Ozean und Atmosphäre, Elektrizität und Magnetismus der oberen Atmosphäre sowie solar-terrestrische Physik. Weil viele Bereiche des Erdinneren nicht direkt erreichbar sind, sind indirekte Messungen und mathematische Auswertungen besonders wichtig. In der deutschen Hochschulpolitik galt Geophysik bis 2020 als kleines Fach, inzwischen als mittelgroßes Fach.

Schwerkraft, Wärme und Radioaktivität

Die Schwerkraft beeinflusst die Erde auf mehreren Ebenen. Mond und Sonne verursachen Ebbe und Flut: Alle 24 Stunden und 50 Minuten treten sie auf; Ebbe und Flut wechseln sich daher im Rhythmus von 12 Stunden und 25 Minuten ab. Aufliegende Gesteine verdichten tiefere Schichten, sodass die Dichte im Erdinneren mit der Tiefe zunimmt. Messungen von Erdbeschleunigung und Gravitationsfeld helfen bei der Suche nach Mineralvorkommen und liefern Informationen über die Dynamik tektonischer Platten. Das Geoid ist eine Modellierung des Erdschwerefeldes: Es entspräche dem globalen mittleren Meeresspiegel, wenn die Ozeane im Gleichgewicht wären und sich durch die Kontinente fortsetzen könnten.

Der Wärmefluss aus der auskühlenden Erde treibt Mantelkonvektion und damit Plattentektonik an sowie den Geodynamo, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Wichtige Wärmequellen sind primordiale Wärme, Radioaktivität und Phasenübergänge. Wärme wird überwiegend durch thermische Konvektion übertragen, an der Kern-Mantel-Grenze und in der Lithosphäre jedoch durch Wärmeleitung. Mantelplumes können Wärme durch aufsteigendes Material bis zur Lithosphäre transportieren. Der Wärmefluss an der Erdoberfläche beträgt etwa 4,2 · 10^13 W und ist Grundlage der Geothermie.

Radioaktiver Zerfall verursacht etwa 80 % der Wärme im Erdinneren. Die wichtigsten wärmeproduzierenden Isotope sind Kalium-40, Uran-238, Uran-235 und Thorium-232. Ihre Zerfallsraten ermöglichen die radiometrische Datierung, die wichtigste Methode der absoluten Datierung in der Geochronologie. Mit boden- oder flugzeuggestützter Gammaspektrometrie lässt sich die Verteilung von Radioisotopen nahe der Erdoberfläche erfassen, um Lithologie und Alteration abzuleiten.

Wellen, elektrische und magnetische Felder

Seismische Wellen sind Schwingungen, die sich durch das Erdinnere als Raumwellen und an der Erdoberfläche als Oberflächenwellen ausbreiten. Seismographen zeichnen sie als Seismogramme auf. Sie helfen, die Quelle eines Erdbebens, etwa Position und Herdmechanismus, zu bestimmen und den Aufbau des durchlaufenen Materials zu erkunden. Die Erde schwingt ständig; das kontinuierliche Hintergrundrauschen heißt Mikroseismik. Seismologie untersucht Erdbeben und andere natürliche seismische Wellen, während Seismik vor allem künstlich für Messungen erzeugte Wellen nutzt. Die Registrierung seismischer Wellen ist für den Katastrophenschutz grundlegend. P-Wellen können sich im Unterschied zu S-Wellen durch den flüssigen äußeren Erdkern ausbreiten.

Im globalen Stromkreis fließen etwa 1800 Ampere von der Ionosphäre zur Erde und durch Gewitter wieder aufwärts. In Oberflächennähe beträgt das abwärts gerichtete elektrische Feld durchschnittlich 120 Volt pro Meter; die Atmosphäre ist gegenüber der festen Erde durch kosmische Strahlung positiv geladen. Die Geoelektrik misst Eigenpotentiale oder speist Strom in den Untergrund ein. Aus dem Spannungsabfall an Messsonden wird die Widerstandsverteilung rekonstruiert, wodurch unterschiedlich leitfähige Materialien erkennbar werden. Elektromagnetische Prospektion verwendet unter anderem Bodenradar, elektromagnetische Induktionsmessung (EMI), transiente Elektromagnetik (TEM) und Magnetotellurik.

Das Erdmagnetfeld schützt vor kosmischer Strahlung, besonders dem Sonnenwind, und dient der Navigation. Im äußeren Erdkern bewegt Wärmefluss flüssiges Metall durch Konvektion; die Corioliskraft führt zu schraubenförmiger Rotation. Bewegtes leitfähiges Material erzeugt durch Induktion elektrische Ströme und damit Magnetfelder, die das Erdmagnetfeld erhalten. Das Feld ähnelt einem gekippten Dipol und verändert sich säkular. Im Durchschnitt nach 440.000 bis einer Million Jahren kehrt sich seine Polarität um. In den letzten 83 Millionen Jahren gab es 184 Polaritätsintervalle; die jüngste kurze vollständige Umkehrung war das Laschamp-Ereignis vor 41.000 Jahren während der letzten Eiszeit. Magnetostratigraphie nutzt Gesteinsmagnetisierung zur Datierung und Plattenrekonstruktion.

Strömungen und Materialeigenschaften

Fluidbewegungen gibt es in Magnetosphäre, Atmosphäre, Ozeanen, Erdmantel und Erdkern. Trotz seiner hohen Viskosität fließt der Erdmantel über lange Zeiträume wie eine Flüssigkeit. Dies zeigt sich unter anderem in Isostasie, postglazialer Landhebung und Mantelplumes. Mantelströmungen treiben die Plattentektonik, Strömungen im Kern den Geodynamo an.

Die geophysikalische Fluiddynamik ist besonders für physikalische Ozeanographie und Meteorologie wichtig. Durch den Coriolis-Effekt beeinflusst die Erdrotation großräumige Bewegungen: in der Atmosphäre Rossby-Wellen und Zirkulationsmuster von Stürmen, im Ozean Zirkulationsmuster, Kelvin-Wellen und Ekman-Spiralen. In der Magnetosphäre lassen sich Wellen und weitere Vorgänge mit Magnetohydrodynamik modellieren.

Um Messdaten richtig zu deuten, müssen die Eigenschaften von Mineralen und Gesteinen bekannt sein. Mineralphysik untersucht Minerale, Petrophysik Gesteine. Erforscht werden elektrische, magnetische, elastische und thermische Eigenschaften sowie Porosität, Dichte, Permeabilität, Kapillardruck, Bruch- und Deformationsvorgänge, Radioaktivität und Wärmeproduktion. So kann beispielsweise aus dem Ausbreitungsverhalten seismischer Wellen auf die Zusammensetzung der Erde geschlossen werden.

Teilgebiete und Erkundungsverfahren

Nach den Sphären der Erde umfasst Geophysik die Physik des Erdkörpers, der Hydrosphäre, der Atmosphäre, der Hochatmosphäre und Magnetosphäre sowie anderer Planeten. Zur Physik des Erdkörpers gehören unter anderem physikalische Geodäsie und Gravimetrie, Seismologie, Erdmagnetismus, Geodynamik, Geothermie, Petrophysik, Geoinformatik und geophysikalische Prospektion. Letztere schließt beispielsweise Geoelektrik, Seismik, Geomagnetik, Bodenradar, Gravimetrie und Bohrlochgeophysik ein. Zur Wasserhülle gehören Ozeanographie, Hydrologie, Hydrogeophysik, Wasserbau und Wasserwirtschaft; zur Atmosphäre Meteorologie, zur Hochatmosphäre Aeronomie und zur Planetenphysik Planetologie.

Nach Methodik unterscheidet man theoretische Geophysik, experimentelle Geophysik, angewandte Geophysik und Allgemeine Geophysik. Theoretische Geophysik entwickelt mathematische Grundlagen und Simulationen, etwa zu Strömungsmechanik, Potentialtheorie, Wellengleichungen und Geodynamik. Experimentelle Geophysik arbeitet mit Laborversuchen zu Materialeigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren; bei Gesteinen heißt dies Petrophysik. Angewandte Geophysik erkundet den Untergrund praktisch, etwa für Erdöl, Wasser oder Erze, Endlager, Altlasten, Baugrund, Landwirtschaft und Archäologie. Messungen von einem Bohrloch aus gehören zur Bohrlochgeophysik. Allgemeine Geophysik betreibt Grundlagenforschung zu Prozessen und Feldern des gesamten Erdkörpers.

Fernerkundungsverfahren messen meist ein Feld nahe der Erdoberfläche und extrapolieren es mathematisch in Tiefe oder Höhe. Potentialverfahren betreffen Potentialfelder und elliptische Differentialgleichungen, zum Beispiel Geoelektrik, Geomagnetik, Geothermik und Gravimetrie. Diffusionsverfahren arbeiten mit parabolischen Differentialgleichungen, etwa Magnetotellurik (MT; auch AMT, LMT, RMT), Geoelektromagnetik einschließlich TEM und VLF. Wellenverfahren beruhen auf hyperbolischen Differentialgleichungen und umfassen Seismologie, Seismik und Georadar (GPR). Radiometrie ist ein Sonderfall, da sie Strahlung untersucht.

Entwicklung und Organisation

Als eigenständige Disziplin entstand Geophysik im 19. Jahrhundert aus physikalischer Geografie, Geologie, Astronomie und Meteorologie. Wichtige ältere Erkenntnisse waren Eratosthenes’ Bestimmung der runden Erdform und des Erdumfangs um 240 v. Chr., Zhang Hengs Seismoskop von 132 n. Chr. und William Gilberts Schluss aus De Magnete (1600), dass die Erde magnetisch ist. Isaac Newtons Principia von 1687 legte Grundlagen für klassische Mechanik und Gravitation und erklärte unter anderem Gezeiten. Das erste Seismometer zur kontinuierlichen Aufzeichnung seismischer Aktivität baute James Forbes 1844.

Der Begriff „Geophysik“ wurde 1834 erstmals nachweislich von Julius Fröbel verwendet. Ab 1887 erschienen mit Beiträge zur Geophysik erste Fachzeitschriften. 1896 wurde das spätere Journal of Geophysical Research als Terrestrial Magnetism gegründet. 1898 entstand an der Universität Göttingen ein Geophysikalisches Institut, und Emil Wiechert erhielt den weltweit ersten Lehrstuhl für Geophysik. Die International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) wurde 1919 gegründet.

Geophysik kann an Hochschulen als eigenständiges Fach oder als Studienrichtung beziehungsweise Schwerpunkt in Geowissenschaften oder Physik studiert werden; Umfang und Schwerpunkt unterscheiden sich je Hochschule. Zu den international tätigen außeruniversitären Einrichtungen Deutschlands mit geophysikalischen Schwerpunkten zählen AWI, GFZ, DLR, GZH, LIAG, BGR und GEOMAR. Die IUGG und ihre 7 Assoziationen koordinieren globale Forschungsagenden. Die American Geophysical Union hat über 58.000 Mitglieder, die Society of Exploration Geophysicists etwa 28.000 und die Deutsche Geophysikalische Gesellschaft ungefähr 1.000 Mitglieder.