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Lexikon der Geowissenschaften: Geophysik

Geophysik, Lehre von der Anwendung der Physik auf die Erforschung der Erde, ihrer Figur, ihres Aufbaus, der inneren und äußeren Felder und der Prozesse, die im Erdinnern ablaufen. Das Wort Geophysik tauchte im dt. Sprachgebrauch zum ersten Mal in der ersten Hälfte des 19. Jh. auf; 1898 wurde in Göttingen der weltweit erste Lehrstuhl für Geophysik eingerichtet, welcher der Physiker J.E. Wiechert (1861-1928) inne hatte. Die Geophysik gehört vom Forschungsobjekt her zu den Geowissenschaften wie z.B. die Geologie und Mineralogie, von der Arbeitsmethodik gesehen jedoch zur Physik (Klassische und Angewandte). 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: a) Physik des Erdkörpers oder Geophysik i.e.S., b) Physik der Hydrosphäre oder Ozeanographie (Meeresforschung), c) Physik der Atmosphäre oder Meteorologie und d) Physik der Hochatmosphäre und der Magnetosphäre oder Aeronomie. Da sich jedoch die Teilgebiete Ozeanographie und Meteorologie zu eigenen Disziplinen entwickelt haben, wird dementsprechend der Begriff Geophysik im heutigen Sprachgebrauch i.a. auf die Physik des Erdkörpers bezogen. Das Gebiet der Physik in der Hochatmosphäre und der Magnetosphäre wird z.T. von der Meteorologie behandelt, z.T. aber auch von der Geophysik. Die elektrischen Wechselströme in der Hochatmosphäre und die mit ihnen verbundenen magnetischen Felder sind eng mit dem Gebiet des Erdmagnetismus verbunden. In den folgenden Beschreibungen wird also der Begriff Geophysik i.e.S. als Physik des Erdkörpers verstanden. Sie gliedert sich in folgende Teildisziplinen, die sich an die Einteilung der Klassischen Physik anlehnt:

a) Physikalische Geodäsie und Gravimetrie: Bestimmung der Gestalt des Erdkörpers und seines Schwerefeldes durch Messungen am Erdboden und mit Hilfe von Satelliten, mit dem Ziel, die Verteilung der Dichte im Erdinnern zu ermitteln. In dieser Teildisziplin besteht ein enger Zusammenhang und Überlappungen zwischen Geophysik und Geodäsie.

b) Seismologie und Struktur des Erdinnern: zur Erforschung der Prozesse, die mit Erdbeben verbunden sind. Hierzu zählen die Vorgänge im Herdgebiet selbst und die Ausbreitung der angeregten seismischen Wellen selbst. Zur Seismologie i.w.S. muß auch die Anwendung von Sprengungen als künstliche Erdbeben zur Erforschung des Untergrundes gesehen werden.

c) Erdmagnetismus und Aeronomie: die Messung des Magnetfeldes der Erde und Erforschung seiner intra- und extraterrestrischen Ursachen.

d) Geoelektrik: Messung elektrischer Felder im Erdkörper. Über die Induktionsgesetze sind Geoelektrik und Erdmagnetismus eng verbunden.

e) Geothermik: Messung der Temperatur des Erdkörpers und Bestimmung von Wärmequellen im Erdinnern.

Zur modernen Geophysik können i.w.S. noch folgende weitere Arbeitsgebiete gezählt werden:

f) Geodynamik: Studium von Bewegungsvorgängen im Erdinnern und an der Erdoberfläche, insbesondere im Zusammenhang mit der Plattentektonik. Hier ist der Übergang zur Tektonik fließend.

g) Petrophysik: Studium der physikalischen Eigenschaften von Gesteinen durch Messungen im Laboratorium. Es besteht eine enge Verbindung zur Festkörperphysik.

h) Geoinformatik: als Arbeitsrichtung, die heute in allen geowissenschaftlichen Disziplinen zum Einsatz kommt. Da in der Geophysik die Mathematik als Arbeitsmethodik einen breiten Raum einnimmt, hat die Geoinformatik hier einen besonderen Stellenwert.

Unter dem Gesichtspunkt der Anwendung und des Einsatzes der Geophysik wird ab und zu auch eine andere Untergliederung gebraucht, welche die Begriffe Allgemeine Geophysik und Angewandte Geophysik verwendet. Die Angewandte Geophysik hat die Aufgabe, mit geophysikalischen Methoden oberflächennahe Strukturen zu erforschen, die aus der Sicht der Lagerstättenerforschung von Interesse sind. Demgegenüber ist es die Aufgabe der Allgemeinen Geophysik, in der einleitend beschriebenen Weise die Struktur, die Prozesse und die Felder des gesamten Erdkörpers zu erforschen.

Mitunter wird auch zwischen einer experimentellen Geophysik und einer theoretischen Geophysik unterschieden. Diese Untergliederung lehnt sich an die in der Physik übliche Aufgliederung in Experimental-Physik und Theoretische Physik an. Gezielte Experimente im Sinne der Experimental-Physik lassen sich zur Untersuchung des Erdkörpers nur selten durchführen. Meist ist man auf die Beobachtung natürlicher Ereignisse angewiesen. Da aber die natürlichen Erscheinungen meist in komplizierter Weise miteinander verknüpft sind, gelingt es im Gegensatz zur Laboratoriumsphysik nur durch eine mathematisch-statistische Analyse, die verschiedenen Einflußgrößen voneinander zu trennen. Die statistische Analyse ist ein typisch geophysikalisches Arbeitsverfahren, dessen Bedeutung oft verkannt wird, weil es in vielen anderen Disziplinen nicht erforderlich ist.

Zwischen der Allgemeinen und der Angewandten Geophysik steht ein Aufgabenbereich, der sich mit Vorhersagen von und Warnungen vor Naturkatastrophen beschäftigt. Oftmals wird hierzu der Begriff "Dienst" verwendet. Bekannt sind die meteorologischen Dienste mit der Aufgabe der Wettervorhersage. In der Geophysik gibt es eine Reihe von Institutionen oder Observatorien, die verschiedene geophysikalische Parameter kontinuierlich aufzeichnen. Diese Registrierungen können dazu genutzt werden, um möglicherweise gefährliche Naturkatastrophen vorherzusagen. Beim Vorhersageproblem muß man zwischen sicheren und wahrscheinlichen Vorhersagen unterscheiden. Z.B. können aus seismologischen Registrierungen mit großer Sicherheit die Ankunftszeiten der durch Erdbeben im Ozeanbereich ausgelösten Flutwellen, der sog. Tsunamis, für gefährdete Küstenbereiche vorhergesagt werden. In erdmagnetischen Registrierungen treten zeitweise erdmagnetische Stürme auf, die den Einfall solarer Wellen- und Korpuskularstrahlung in die Ionosphäre anzeigen. Diese erdmagnetischen Stürme können mit einer Störung des Funkverkehrs v.a. im Kurzwellenbereich verbunden sein. In Extremfällen kann es zu starken Induktionseffekten in langen Hochspannungsleitungen kommen und hier ebenfalls Kosten verursachende Störungen erzeugen. Auch hier können sichere Vorhersagen und Warnungen gegeben werden. Anders ist die Situation bei der Erdbebenvorhersage. Hier spielen eine ganze Reihe von Parametern eine Rolle, die im einzelnen schwer zu erfassen sind. Aus langjährigen Beobachtungen ist bekannt, welche Regionen auf der Erde stärker durch Erdbeben gefährdet sind und welche weniger. Das Auftreten eines Erdbebens in solchen Gebieten wird um so wahrscheinlicher, je länger die Ruhezeit andauert. Auch wenn das Problem der Erdbebenvorhersage von größter wirtschaftlicher Bedeutung ist, so wird hier trotz intensiver Bemühungen hinsichtlich einer verbesserten und sicheren Vorhersage eine Unsicherheit bestehen bleiben, auch wenn in vereinzelten Fällen bereits Erfolge zu verzeichnen sind.

Die Geophysik beschäftigt sich nicht nur mit dem gegenwärtigen Zustand der Erde. Ähnlich wie die Geologie muß auch die Geophysik die Entwicklung der Erde im Auge haben. So gibt es eine Reihe von geophysikalischen Arbeitsrichtungen, die sich mit Zuständen und Prozessen in der geologischen Vergangenheit beschäftigen. Am bekanntesten ist die Paläomagnetik, die versucht aus der Messung der Magnetisierung von Gesteinen Rückschlüsse auf die ursprüngliche Lage von Platten bzw. Plattenfragmenten und ihrer Bewegungen im Laufe der Erdgeschichte zu schließen. Die Paläo-Geothermik hat die Aufgabe die thermische Entwicklungsgeschichte aufzuhellen. Die Paläo-Seismologie versucht aus Störungen in der Lagerung von Gesteinen auf starke Erdbeben der Vergangenheit zu schließen.

Um Antworten auf die vielfältigen skizzierten Fragestellungen zu finden, muß die Geophysik von verschiedenartigen Beobachtungen ausgehen, die mit Hilfe der modernen Meßtechnik erfaßt werden können. Ohne die Entwicklungen in der modernen Digitaltechnik ist die Geophysik nicht mehr denkbar. Zur Analyse und Interpretation der Meßergebnisse werden spezielle Methoden entwickelt, die sich von denen anderer physikalischer Disziplinen teilweise wesentlich unterscheiden. Das liegt an der äußerst komplexen Struktur der physikalischen Zustände und Prozesse im Erdkörper. In der Regel muß eine außerordentlich große Zahl von Meßdaten ausgewertet werden, aus denen physikalische Modelle zu konzipieren sind, die mit den Befunden anderer Wissenschaftszweige verglichen und in Einklang gebracht werden müssen. Erst das in sich widerspruchsfreie Gesamtbild aus möglichst vielen unabhängig voneinander beobachteten Einzelerscheinungen kann als ein Baustein für das schrittweise zu formende Erkenntnisbild angesehen werden. Damit ergeben sich für die Physik des Erdkörpers sehr enge Beziehungen zu anderen Wissenschaften. Geologie und Geophysik ergänzen sich in fruchtbarer Weise. So kann der Geologe seine Vorstellungen vom Bau eines tektonischen Komplexes erst dann schlüssig beweisen, wenn ihm die Resultate geophysikalischer Messungen vorliegen. Andererseits kann der Geophysiker erst dann zu einer richtigen Deutung seiner Meßergebnisse kommen, wenn ihm die Erfahrungen der Geologen über die möglichen Gesteine und Lagerungen im Untergrund zur Verfügung stehen. Nicht nur bei den kleineren Aufgaben des Geophysikers von mehr lokaler Bedeutung, sondern auch, und in besonderem Maße, bei den Großprojekten ist die Zusammenarbeit mit dem Geologen von entscheidender Wichtigkeit. [PG]

Literatur: [1] BERCKHEMER, H. (1990): Grundlagen der Geophysik. – Darmstadt. [2] KERTZ, W. (1999): Geschichte der Geophysk. [3] LILLIE, R.J. (1999): Whole Earth Geophysics. An Introductory Textbook for Geologists and Geophysicists. – London. [4] SLEEP, N.H. and FUJITA, K. (1997): Principles of Geophysics. – London. [5] STROBACH, K. (1991): Unser Planet Erde. – Stuttgart.

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