mini|Simulation des Erdmagnetfeldes, Untersuchungsgegenstand der Geomagnetik Geophysik ist die Lehre der Erforschung und Beschreibung der Erde und ihres Umfeldes mit den Methoden der Physik. Im Hinblick auf das Forschungsobjekt ist die Geophysik Teil der Geowissenschaften, in Bezug auf die wissenschaftliche Methodik gehört sie zur Physik.
Klassisch erforscht die Geophysik die physikalischen Eigenschaften und Prozesse der festen Erde, also der Erdkruste und des Erdinnern, inklusive der Form der Erde, ihrer Gravitations- und Magnetfelder, ihrer inneren Struktur und Zusammensetzung, ihrer Dynamik und deren Ausdruck an der Oberfläche durch Plattentektonik, Magmenbildung, Vulkanismus und Gesteinsbildung. In dem Zusammenhang wird sie auch als Physik des Erdkörpers oder „Geophysik im engeren Sinne“ bezeichnet.
Die moderne Definition der Geophysik umfasst im weiteren Sinn jedoch auch die Physik der Hydrosphäre, Atmosphäre und anderer Planeten, inklusive des Wasserkreislauf, der Strömungsdynamik der Ozeane und Atmosphäre, Elektrizität und Magnetismus der Ionosphäre und Magnetosphäre und der solar-terrestrischen Physik sowie analogen Problemen im Zusammenhang mit dem Mond und anderen Planeten.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 figGeophysics, 1970, Encyclopaedia Britannica, Vol.10, p. 202–202
In der deutschen Hochschulpolitik wurde die Geophysik bis 2020 der Gruppe der sogenannten kleinen Fächer zugerechnet, inzwischen zählt sie zu den mittelgroßen Fächern.
Physikalische Phänomene 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 der Physik untersucht werden, und wie sie mit der Erde und ihrer Umgebung zusammenhängen.
Schwerkraft
mini|Modell des Schwerefeldes (Geoid), gemessene Abweichungen vom Rotationsellipsoid. Untersuchungsgegenstand der Gravimetrie.Durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne kommt es alle 24 Stunden und 50 Minuten zu Ebbe und Flut, beide wechseln sich also in einem Rhythmus von 12 Stunden und 25 Minuten ab.
Durch die Schwerkraft werden tieferliegende Schichten durch die aufliegende Gesteine kompaktiert und die Dichte steigt im Erdinneren mit der Tiefe an. Messungen der Erdbeschleunigung und des Gravitationsfeldes an der Erdoberfläche können zur Suche nach Mineralvorkommen genutzt werden (siehe Schwereanomalie und Gravimetrie). Das Schwerefeld der Oberfläche liefert Informationen über die Dynamik der tektonischen Platten. Die Geopotentialfläche, auch Geoid genannt, ist eine Modellierung des Erdschwerefelds. 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).
Wärmefluss alt=Pseudocolor image in vertical profile.|mini|Modellierung des Wärmeflusses, insbesondere der thermischen Konvektion, im Erdmantel. Die roten pilzförmigen Aufstiegsstrukturen sind Mantelplumens. Der aus der auskühlenden Erde resultierende Wärmefluss erzeugt sowohl das Erdmagnetfeld (Geodynamo) als auch die Plattentektonik (Mantelkonvektion). Die wichtigsten Wärmequellen sind die primordiale Wärme und Radioaktivität, aber auch Phasenübergänge tragen dazu bei. Die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich durch thermische Konvektion, obwohl sie über zwei thermische Grenzschichten, die Kern-Mantel-Grenze und die Lithosphäre, hinweg stattfinden muss, über welche die Wärme durch Wärmeleitung transportiert wird. Eine wichtige Rolle spielen während der Konvektion die für den Aufstieg von Material vorgeschlagenen Mantelplumes, die große Teil der Wärme des Mantels durch Stofftransport bis zur Lithosphäre transportieren können. Der insgesamt an der Erdoberfläche resultierende Wärmefluss beträgt etwa und stellt die Grundlage für die Energieförderung in der Geothermie dar.
Seismische Wellen
mini|Fortpflanzung seismischer Wellen im Erdinneren, unterteilt wird in P- und S-Wellen, von denen sich nur P-Wellen durch den flüssigen äußeren Erdkern ausbreiten können. Seismische Wellen sind Schwingungen, die sich durch die Erde (Raumwellen) und entlang ihrer Oberfläche ausbreiten (Oberflächenwellen). Die Wellen werden mithilfe von Seismographen als Seismogramme aufgezeichnet. Messungen seismischer Wellen können zum einen der Erforschung der Quelle, z. B. Position und Herdmechanismus eines Erdbebens, aber auch der Strukturerkundung, also der Erforschung des Mediums, basierend auf dem Ausbreitungsverhaltens der Wellen in diesem, dienen. Die gesamte Erde besitzt eine kontinuierliche Eigenschwingung und jede Messung zeigt kontinuierliches Hintergrundrauschen, die als Mikroseimik bezeichnet wird.
Es wird in die Seismik und die Seismologie 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 des Katastrophenschutzes.
Elektrizität
Im globalen Stromkreis, abwärts von der Ionosphäre in die Erde und durch Gewitter wieder aufwärts, fließt ein Strom von etwa 1800 Ampere. Der Fluss manifestiert sich durch Blitze unter den Wolken und Sprites über den Wolken. In Oberflächennähe besteht ein abwärts gerichtetes elektrisches Feld von durchschnittlich 120 Volt pro Meter. Relativ zur festen Erde ist die Atmosphäre durch kosmische Strahlung positiv geladen.
In geophysikalischen Untersuchungen, insbesondere in der Prospektion, werden eine Vielzahl von elektrischen Methoden eingesetzt, die als Geoelektrik 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 leitfähige Materialien rückzuschließen.
Elektromagnetische Wellen Natürliche elektromagnetische Wellen treten insbesondere in der Ionosphäre, Magnetosphäre und dem äußeren Erdkern auf.
Die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen ist häufiger Gegenstand der geophysikalischen Prospektion, so z. B. dem Bodenradar, der Elektromagnetischen Induktionsmessung (EMI), der Transienten-Elektromagnetik (TEM) oder der Magnetotellurik.
Magnetismus mini|Vereinfachte Illustration des Geodynamo-Mechanismus.
Das Erdmagnetfeld schützt die Erde vor kosmischer Strahlung, insbesondere dem Sonnenwind, und wird seit langem zur Navigation genutzt. Es hat seinen Ursprung im äußeren Erdkern, in dem durch den Wärmefluss der auskühlenden Erde das flüssige Metall in Bewegung gesetzt (Konvektion) und durch die Corioliskraft 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. alt=Diagramm mit Feldlinien, Achsen und Magnetlinien|links|mini|Der (geo)magnetische Pol und die zugehörige Achse (rosa Linie) sind zum geografischen Pol und der Rotationsachse (blaue Linie) verkippt.|216x216px mini|Schema der Magnetosphäre. Sonnenwinde strömen von links nach rechts. Das Erdfeld entspricht in etwa einem gekippten Dipol, ändert sich jedoch im Laufe der Zeit (ein Phänomen, dass als geomagnetische säkulare Variation bezeichnet wird). Meistens bleibt der geomagnetische Pol in der Nähe des geografischen 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 des Laschamp-Ereignis vor 41.000 Jahren während der letzte Eiszeit stattfand. Im Rahmen der Magnetostratigraphie werden in die Magnetisierung von Gesteinen zur Datierung und Plattenrekonstruktion genutzt.
Die in der geophysikalischen Untersuchung des Magnetfeldes wird als Geomagnetik bezeichnet und umfasst die Erforschung des Erdmagnetfeldes selbst und Methoden zur geophysikalischen Prospektion mithilfe der Detektion magnetischer Anomalien.
Radioaktivität alt=Diagramm mit zusammengesetzten Kugeln, die Atomkerne darstellen, und Pfeilen|mini|Beispiel für eine radioaktive Zerfallskette (siehe Radiometrische Datierung). Der radioaktive Zerfall ist für etwa 80 % der erdinneren Wärme verantwortlich und treibt den Geodynamo und die Plattentektonik an. Die wichtigsten wärmeproduzierenden Isotope sind Kalium-40, Uran-238, Uran-235 und Thorium-232. Radioaktive Elemente werden aufgrund ihrer Zerfallsraten für die radiometrische Datierung verwendet und bilden daher die Grundlage für die wichtigste Methode zur absoluten Datierung in der Geochronologie.
Radiometrische Kartierungen mit boden- und flugzeuggestützter Gammaspektrometrie können verwendet werden, um die Konzentration und Verteilung von Radioisotopen nahe der Erdoberfläche aufzuzeichnen und daraus Lithologie und Alteration abzuleiten.
Fluiddynamik Fluidbewegungen treten in der Magnetosphäre, der Atmosphäre, den Ozeanen, dem Mantel und dem Kern auf. Selbst der Erdmantel fließt trotz seiner enormen Viskosität über lange Zeiträume wie eine Flüssigkeit. Dieses Fließen spiegelt sich in Phänomenen wie Isostasie, postglazialer Landhebung und Mantelplumes wider. Die Mantelströmung treibt die Plattentektonik an, und die Strömung im Erdkern treibt den Geodynamo an.
Die geophysikalische Fluiddynamik ist ein wichtiges Werkzeug in der physikalische Ozeanographie und der Meteorologie. Die Rotation der Erde hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Fluiddynamik, insbesondere aufgrund des Coriolis-Effekts. In der Atmosphäre führt sie zu großräumigen Mustern wie den Rossby-Wellen und bestimmt die grundlegenden Zirkulationsmuster von Stürmen. Im Ozean treibt sie die großräumige Zirkulationsmuster sowie Kelvin-Wellen und Ekman-Spiralen an der Meeresoberfläche an. Im Erdkern verursacht sie die spiralenförmige Zirkulation des geschmolzenen Eisens.
Wellen und andere Phänomene in der Magnetosphäre können mit der Magnetohydrodynamik modelliert werden.
Materialphysik Die physikalischen Eigenschaften von Mineralen (Mineralphysik) und Gesteinen (Petrophysik) müssen verstanden werden, um aus den physikalischen Messungen (z. B. Ausbreitungsverhalten seismischer Wellen) die Zusammensetzung der Erde ableiten zu können. In der Mineral- und Petrophysik werden vor allem elektrische, magnetische, elastische und thermische Eigenschaften erforscht sowie die Eigenschaften von Porenraum und Matrix (Porosität, Dichte, Permeabilität, Kapillardruck), Bruch- und Deformationsvorgängen und von Radioaktivität und Wärmeproduktion.
Disziplinen 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.
Unterteilung nach Sphären Im allgemeinen Sinne ist die Geophysik die Wissenschaft von den physikalischen Erscheinungen des Planeten Erde, der aus dem festen Erdkörper, der Wasserhülle und der gasförmigen Hülle besteht. In dieser sehr weiten Definition umfasst die Geophysik folgende Teildisziplinen: Die Physik des Erdkörpers, oft auch als „Geophysik im engeren Sinne“ bezeichnet. Dieser Bereich gliedert sich wiederum in folgende Teildisziplinen: Physikalische Geodäsie und Gravimetrie Seismologie und die Struktur des Erdinneren Erdmagnetismus Geodynamik Geothermie Petrophysik Geoinformatik