Geophysik

Magnetik

Geomagnetisches Koordinatensystem

Aeromagnetikkarte

Interpretation (Flughöhe)

Datenerfassung, Messgeräte

Wie sieht die Anomalie eines bestimmten Störkörpers aus? Wie wenn größer? Wie wenn Störkörper tiefer?

nebeneinander eine positive und eine negative Anomalie

der Abstand der Anomalien hängt von der geographischen Breite ab

die Halbwertsbreiten der Anomalien geben Auskunft über die Tiefe

größeres Magnetfeld => große Amplitude der Anomalien

Abhängigkeit von r bei Kugel und bei Zylinder?

Unterschiede zur Gravimetrie?

es gibt keine magnetischen Monopole und keine gravitativen Dipole

die Anomalie eines magnetischen Störkörpers sieht wie die Ableitung der Anomalie eines gravitativen Störkörpers aus

Was ist Reduktion auf den Pol?

Annahme induzierte Magnetisierung -> Umrechnung in Anomalie über dem Pol -> Anomalie direkt über Störkörper

Wovon hängt die Ausbreitung von EM Wellen ab?

Werden Feldlinien gebrochen?

Ja Brechungsgesetz:
?

Curie-Tiefe auf Kontinenten und Ozeanen

Geothermische Tiefenstufe in Ozeanböden

Curie Gesetz

, die Suszeptibilität ist umgekehrt proportional zur Temperatur

Erdmagnetfeld

Gestalt

Dipolfeld

Säkularvariationen = zeitliche Änderungen des Erdmagnetfelds

Krustenfeld

, außerdem Anomalien

Anomalien gibt es nur in der Kruste, weil im Erdinneren die Temperaturen über der Curie-Temperatur liegen

Feld im Abstand 10 Erdradien

Dipolcharakter dominiert

Gibt es magnetische Quellen im Mantel?

nein, da wegen der Curie-Temperatur die Gesteine dort keine Remanenzen tragen

Schockfront

Van Allen-Gürtel

2 Gürtel, Ionengürtel (innen) und Elektronengürtel (außen)

in diesen Gürteln sind geladene Teilchen im Erdmagnetfeld gefangen und bewegen sich entlang der Feldlinien

Kugelfunktionsentwicklung des Erdmagnetfeldes

Dipolterm, Nichtdipolanteile (zeitliche Stabilität?)

Woher kommen die Nichtdipolanteile?

Kern-Mantel-Grenze

Zusammenhang zwischen Anomalie und Quellentiefe

Durch welchen Term werden die Krustenanomalien beschrieben?

Bestimmung der Koeffizienten

Satelliten (Problem: Ionosphäre auf der Tagseite: Ströme erzeugen Störfelder)

Wie hoch fliegen solche Satelliten?

Warum nicht geostationäre Bahn?

So kann man mit einem Satelliten viele Punkte messen

Funktionsweise Messgeräte

Protonenmagnetometer

Charakteristische Frequenz im Erdmagnetfeld (0.5 Oe)?

kHz-Bereich

Förstersonde

Vor- und Nachteile?

Curie-Temperatur? Physikalische Erklärung?

thermische Bewegung zerstört die Ausrichtung der magnetischen Partikel

Sättigungsmagnetisierung?

Blockungstemperatur?

superparamagnetische Partikel: remanente Magnetisierung nur möglich, wenn Temperatur unter der Blockungstemperatur liegt

TRM, VRM, DRM, NRM, CRM, PRM, IRM, Paläointensitäten?

TRM = thermische remanente Magnetisierung

DRM = detritische remanente Magnetisierung

VRM = viskose remanente Magnetisierung

CRM = chemische remanente Magnetisierung

PRM = piezo-remanente Magnetisierung

IRM = isothermale remanente Magnetisierung (z.B. Blitzschlag)

NRM = natürliche remanente Magnetisierung, Summe der vorigen Magnetisierungen

Wie hat sich das Paläofeld im Laufe der Erdgeschichte verändert?

Zeit konstanter Paläointensität?

Was sind relative Paläointensitäten?

Iapetus: Nachweis Paläomagnetik, woher Informationen über Ozeanbreite, Werte der Inklination?

Die paläomagnetischen Untersuchungen ergaben, dass die Pole im Verlauf der Erdgeschichte gewandert sind. Da gleichaltrige Gesteine aus den verschiedenen Kontinenten jeweils einen kontinenteigenen, systematisch voneinander abweichenden Verlauf der Polwanderung ergaben, wird daraus gefolgert, dass sich Kontinente relativ zueinander bewegt haben.

Alter durch Leitfosilien und geologische Abfolge.

Tan(Inklination) = 2 tan(Geographischen Breite)

Arten von Magnetismus, Suszeptibilität, Hopkinson-Peak?

Feldtheorie

Magnetisches Potential eines Dipols

Herleitungen

Divergenz

Quadrupole

div(B)=0, Lösung dieser Diffgleichung

Laplace Gleichung

Potenzial , Vektorfeld

keine Quellen => =>

Magnetische Minerale in Basalt

TiM

ternäres System , ,

Bevorzugte Zusammensetzung des TiM im Basalt

Magnetische Eigenschaften

Änderung der Curietemperatur und Sättigungsmagnetisierung von Ulvöspinell zum Magnetit

Änderung der Curietemperatur und Sättigungsmagnetisierung von Ilmenit bis Hämatit (Mischreihe)

Magnetische Minerale in Serpentinit

Metamorphosegrad

Grünschieferfazies (niedriger Druck, niedrige Temperatur)

Wie kann man im Versuch zwischen Magnetit und Hämatit unterscheiden?

Hysterese

IRM

Magnetit = = antiferromagnetisch, Hämatit = = ferrimagnetisch

Schwefelkies

Magnetit

Maghemitisierung

Magnetische Anomalien

Ursachen, Messungen

Ozeanböden

Streifenmuster

Ternäres System TiO2, Fe2O3, FeO mit Mischreihen, Magnetisierung mit Formeln, Sättigungsmagnetisierung und Curietemperaturen?

Mischreihen

Änderung der magnetischen Eigenschaften

Sättigungsmagnetisierung

Welche Arten der remanenten Magnetisierung gibt es?

Wie trennt man diese?

Was passiert bei einer Feldumkehr?

Dynamotheorie

Feld wird schwächer, Multipol-Charakter wächst, Dipol-Charakter entsteht an anderer Stelle neu, Feld wird wieder stärker

Wie heißen die magnetischen Epochen?

Bruhnes, Gauß, Gilbert ...

Gravimetrie

Potential der Erde

Internationale Schwereformel

Bouguer Isolinienplan

Interpretation (Tiefenlage des Störköpers aus Halbwertsbreite)

Punktmasse: Tiefe = 2/3 der Halbwertsbreite

Massenlinie (2D): Tiefe = ½ der Halbwertsbreite

Welches Referenzfeld?

Internationale Schwereformel (inkl. Korrekturen)

Zusammenhang zwischen Isostasie und Schwereanomalien

Korrekturen bei Gravimetrie

Gang der Messgeräte und Gezeiten

geographische Breite, nach der internationalen Schwereformel

Topographie: Berge und Täler herausrechnen (sowohl Berge als auch Täler vermindern den Schwerewert; bei einem Tal befindet sich auf beiden Seiten oberhalb Masse, die das Erdfeld kompensiert; bei einem Berg fehlt auf beiden Seiten darunter Masse;

Höhe => jetzt hat man Freiluftanomalie

Plattenkorrektur, d.h. auf einheitliches Bezugs-Höhenniveau (man rechnet Masseplatten heraus) => jetzt hat man Bouguer-Anomalie

Regionalfeld: z.B. Gebirge in der Nähe rauskorrigieren

Kugelfunktionsentwicklung des Schwerefeldes

Bestimmung der Koeffizienten

Satelliten

Cavendish-Waage!

Werden Feldlinien des Schwerefeldes gebrochen?

Nein!

Schwerefeld im Erdinneren, Tiefenverteilung, was wäre bei homogener Erde?

Wie sieht das Feld im Außenraum aus? Würde ein anderer Tiefengradient etwas am Außenfeld ändern?

Nein

Schwereanomalie über Subduktionszone? Wie sieht sie aus?

Schwereanomalie ist stets die z-Komponente des Gravitationsfeldes der Störmasse

Massenüberschuss im Untergrund bewirkt eine positive Schwereanomalie und eine Anhebung des Geoids.

Schwereanomalie der Alpen

negativ -> Isostasie

Rolle des abschmelzenden Eises bei der Hebung der Alpen

Schneegrenze durchschnittlich bei 2800 m; Volumenabnahme = Ablation →geringe Rolle, da Plattenrandtektonik der dominierende Effekt ist.

Mittelozeanische Rücken: Bouguer Anomalie

Wie sieht diese im Bereich von Orogenen aus? Wie im Ozean?

Welche Reduktionen fallen weg?

Freiluftanomalie → isostatische Korrektur

Wie groß ist die Fliehkraft am Äquator

0,3% der Normalschwere

Ursache für Plattenbewegung?

Probleme bei der Aerogravimetrie

Eötvös-Effekt

Wenn man das Gravimeter auf der Erdoberfläche bewegt, entspricht das einer Bewegung auf einem Kreisbogen, d.h. Fliehkraft tritt auf; der Fehler ist maximal bei Bewegung auf dem Äquator, weil bei Bewegung auf einem Großkreis die Fliehkraft antiparallel zur Schwerkraft ist, außerdem addiert sich dort die Bewegungsgeschwindigkeit zur Erdrotation.

Seismologie

Wellengleichung

allgemein

Dämpfungsterm (wovon abhängig)?

(Dichte, Permeabilität)

Wo werden seismische Wellen in der Erde besonders gedämpft?

Größenordnung von in Gesteinen, Luft, Zusammenhang mit der Suszeptibilität

Lösung der Wellengleichung

→ Kompressionsmodul von Wasser und Luft ausrechnen

Können unterschiedlich sein?

Ja → Anisotropie → Peridotite, Doppelbrechung in Calcit

Poisson'sche Zahl

Dilatanz (als Methode der Erdbebenvorhersage)

Fermatsche Prinzip, Snelliussche Brechungsgesetz

Was gibt es für Oberflächenwellen?

Rayleigh

Love

Umwandlung zwischen den beiden möglich?

nein

Wodurch entstehen sie?

Geschwindigkeitsdispersion

an einer Grenzfläche oder mit Geschwindigkeitsgradient kommt es zu Dispersion; große Wellenlängen reichen in größere Tiefen und „sehen“ dort höhere seismische Geschwindigkeiten

Wozu kann man sie verwenden?

Tiefensondierung durch Ausnutzung der Dispersion

Wozu kann man den seismischen Parameter benutzen?

Strahlenverlauf

Was bedeutet PKIKP, PS, PP, PcP?

Was sind Wechselwellen? Wann kommen sie vor?

P-S-Konversion etc.

Kann beim Auftreffen auf eine ebene Grenzfläche aus einer P-Welle eine SH-Welle werden?

Nein; aus einer P-Welle kann nur eine SH-Welle werden; bei Anisotropie kann es jedoch zu einer Drehung der Polarisation kommen

Schattenzone

Erdbebenverteilung – Wo, wie, warum?

Epizentrum – Hypozentrum

Epizentrum an der Oberfläche senkrecht über Hypozentrum

Bestimmung des Hypozentrums

Herdflächenlösung

Welche Beach-Balls gibt es? Wofür stehen sie?

Wo kommt in Mitteleuropa dieser Beach-Ball vor:

Grabenstrukturen: Rheintalgraben

Tsunamis? Welche Herdflächenlösung? Wie schnell sind Tsunamiwellen?

Double-Couple, Scherbruchmodell?

Maximale Scherspannungen?

Eingabeparameter?

Magnituden, Intensitäten, Bestimmung

Richter usw.

Seismisches Moment. Wie definiert?

Einheit eines Drehmoments

Frequenzgehalt eines Erdbebens

Unterscheidung Kernsprengung und Erdbeben?

p-Wellen Einsatz immer Kompression

p/s Amplitudenverhältnis bei Beben klein, bei Sprengung groß

ML(Beben)/ML(Sprengung) groß

Herdtiefe und Herdgebiet (bekannte Kernsprengungsgebiete: Nevada, Nowaja Semlja, Semipalatinsk, Mururoa, Fangataufa, Lop Nor)

Masse und Dichte der Erde der Erde

Dichteverlauf in der Erde

Koeffizienten in der Entwicklung des Schwerefeldes im Außenraum sind alles Funktionen des Dichteverlaufs im Erdinneren.

Inversion der Gravitationsfelder ist vieldeutig →man hilft sich mit seismischen Geschwindigkeiten

Trägheitsmoment ist kleiner als für ugel homogener Dichte → Dichtezunahme nach innen

Dichteänderung durch Auflastdruck, Temperatur, Stoffzusammensetzung

Dichte im obersten Erdmantel: (600°C, 1GPa)

Kern-Mantel-Grenze: Dichtesprung

statische Grundgleichung:

Wie kommt man darauf?

Seismologie (hauptsächlich)
Es ist unmöglich aus vs und vp, K, ϱ und G einzeln zu berechnen. Man braucht zusätzliche Größen wie die mittlere Dichte: 5,52 g/cm³.

Gravimetrie

Geothermik

Eigenschwingungen der Erde

Erdgezeiten

Erdmagnetismus

Trägheitsmoment : Erde <-> Kugel

Nutation

Wie bestimmt man das Trägheitsmoment?

Geschwindigkeits-Tiefenverlauf in der Erdkruste / gesamte Erde?

Welche Magnitude hat ein Erdbeben, das von einem 100 kg schweren Klotz, der aus 10m Höhe fällt verursacht wird?

-2/3

Wieviel Energie steckt in einem Beben mit M=8.5?

Unterschied von 2 Magnituden = 1000-fache Energie

Was ist seismische Tomographie?

Anisotropie? Woher?

Wo gibt es in der Erde viel Anisotropie?

Gebirge: Stress, Dehnung der Gesteine => gestreckte Kristalle, in eine Richtung müssen weniger Korngrenzen überwunden werden => schnellere Geschwindigkeit

Einfluss von Mikrorissen auf vp und vs?

Klüfte enthalten Stoffe mit langsameren seismischen Geschwindigkeiten

Entstehung von Geschwindigkeitsmodellen?

Subduktionszonen. Wo liegt die Seismizität?

Hauptsächlich in den ersten 300km, umso tiefer, je weiter von der Küste entfernt

Wadati-Benioff-Zone

Welche Diskontinuitäten gibt es in der Erde?

v.a.: Conrad-Diskontinuität, Moho, 440 km, 670 km, Kern-Mantel-Grenze

Was ändert sich? Wie misst man das?

Wie bestimmt man Viskosität der Erde?

Eigenschwingungen

isostatische Hebung

Clairant-Theorem (Abplattung)

Eigenschwingungen der Erde

Anregungsmöglichkeiten

schwere Erdbeben: Chile 1960, Sumatra 2004

Atombombe

großer Meteorit

verschiedene Moden, Periodendauer

Erdbeben: toroidal (abhängig von Herdmechanismus)
Atomsprengungen, Meteoriteneinschlag: sphäroidal

Seismik

Welche Wellen breiten sich im Wasser aus?

Longitudinalwellen

Hydrophon erklären

zwei entgegengesetzt angeordnete Druckaufnehmer (= Membranen) => Anordnung kompensiert Strömung (da diese auf beiden Druckaufnehmern entgegengesetzte Signale produziert, die sich aufheben)

Seismische Geschwindigkeiten im Wasser

,

Ursachen für Bodenunruhe, welcher Periodenbereich?

Untersuchung seismischer Signale, was wird gemacht?

Wie sehen ungefilterte Daten aus? Unterschied Erdbeben - Sprengung

Seismometertheorie

Seismographengleichung: Welche Kräfte treten auf?

Wie wird ein Seismometer optimiert? Was würde bei einem ungedämpften bzw. stark gedämpften System passieren?

Wie wird ein Seismometer gedämpft? Woher weiß man, wann es optimal gedämpft ist? Wie stellt man die optimale Dämpfung ein?

Schütteltisch

Einfluss des Untergrundes?

Wie stellt man Grundwasserhorizont fest?

Georadar: extrem hohe Frequenzen → niedrige Eindringtiefe, aber viel Information

Definition der Moho?

2 Definitionen: seismisch und petrologisch

1909 entdeckt

Grenze zwischen Kruste und Mantel

zwischen 10 und 70km tief (Mitteleuropa 30 km (Paläozoikum), Kanada, Afrika, Australien (präkambrischer Schild) 40-45 km; Alpen, Kaukasus, Himalaya (tertiäre-quartäre Kollisionszonen) 50-70 km)

p-Wellen Geschwindigkeit steigt von 6,8-7,3 auf 7,9-8,2 km/s an

p- und s-Wellengeschwindigkeiten im Erdinneren

vs im inneren Kern nur durch indirekte Abschätzungen; Entdeckung 1936 durch Lehmann durch PKIKP-Wellen

D'': steiler Geschwindigkeitsanstieg von 2,5-3%; 250-265 km über KMG (2890km), s-Wellensplitting in vSH, vSV, tritt nicht global auf. Thermische Grenzschicht, chem. Heterogenitäten, Phasenumwandlungen

Aufteilung der Bebentypen nach der Lage an den Plattengrenzen

Lokalbeben (< 10°), Kruste, p-, s-Wellen

Regionalbeben (10°-103°), Mantel

Teleseismische Beben (103°-140°), keine direkte p-Phase, Schattenzone

Die meisten Erdbebenherde (2/3) liegen innerhalb der Erdkruste bis 40km, teilweise bis 60km Tiefe. Sie werden als normal tiefe Beben bezeichnet.

Tiefe (>300km) und mitteltiefe (60-300km, z.B. Ägäis, Tyrrhenisches Meer, Karpaten) Beben sind an Subduktionszonen gebunden (Benioffzonen), Abtauchen der Hypozentren. Tiefbeben werden bis 720km Tiefe geortet

Wellengleichung für Kugelwellen

1/r

Dämpfung einer Welle durch Absorption

Wellengleichung mit e-Funktion erweitern

Durch was wird die Dämpfung in Gesteinen beeinflusst?

Porenraum und Porenflüssigkeit, Streuprozesse

Gütefaktor Q, Größenordnung

Reflexionskoeffizient

Was ist ein Wadati-Diagramm?

Diagramm, in dem die Zeitdifferenz zwischen P- und S-Ersteinsätzen über die Zeit des P-Einsatzes eingezeichnet wird; es ergibt sich eine Gerade, deren extrapolierte Nullstelle die Herdzeit angibt.

Refraktionsseismik

Formel für Interceptzeiten

geneigter Reflektor

Was gibt es für Laufzeitkurven?

reduzierte LZK: die Scheingeschwindigkeit wird von allen Spuren abgezogen

Warum?

Paßt mehr auf Papier

Warum fehlt manchmal ein Stück?

Low-Velocity-Zonen

Woher kommen Low-Velocity-Zonen in der Erdkruste?

aufgeschmolzene Bereiche (Intrusionen, Plumes)

an Reibungs- und/oder Spannungszonen

für Aufschmelzung notwendige Temperatur?

Was ist CMP?

common midpoint: Reflektor ist in der Mitte zwischen Quelle und Empfänger

Statische und dynamische Korekturen?

Reflexionsseismik

- Verfahren

vRMST

Was ist Stapelgeschwindigkeit?

Anisotropie – warum kann vRMS ungleich v aus Ersteinsatz sein?

Herdlokalisation

Sehnenverfahren + Herdtiefe

Abschätzung der Entfernung über

Wie macht man das bei Teleseismik?

Modellrechnungen, Arrays

Gesteine

Wie bricht ein Gestein bei Druckbelastung?

45°-Hypothese: Bruchfläche verläuft im 45°-Winkel zur Richtung der Kraft

Rheologisches Verhalten von Gesteinen → rheologische Körper

Hook'sches Gesetz

: die Federkraft ist proportional zur Auslenkung

Welche Körper gibt es?

Hook'scher Körper, Newton'scher Körper, Maxwell'scher Körper, Kelvin'schen Körper, Saint-Venant-Körper, Bingham, Burger

Differentialgleichungen der verschiedenen Körper

Deformationsverhalten eines Maxwell'schen Körpers

Finden Phasenumwandlungen spontan statt? Geologische Evidenz?

Ja, beim Überschreiten von kritischen Drücken oder Temperaturen kommt es zur Phasenumwandlung von Mineralien

Atomanordnung wird bestimmt durch die Bindungskräfte und Größe der Ionen. Bei verändertem Druck kann eine andere Anordnung energetisch günstiger sein. Dies bedingt veränderte Abstoßungskräfte und damit veränderte elastische Eigenschaften und so andere seismische Geschwindigkeiten.

440km: (150kbar, 1300+-150°C) Olivin → Spinell
670km: Spinell → Perowskit und Oxidphasen (MgO, FeO, SiO2)

Gutenbergzone: Grenze Oberkruste-Unterkruste, unter Kontinenten tiefer, ausgeprägte Zone verringerter Geschwindigkeit 60-250km, stärker für s-Wellen als für p-Wellen (Schattenzone bei 20°)

Möglichkeiten Spannungen zu messen?

Deformation eines Bohrlochs

Entstehung von Graphit im Grundgebirge?

Prozess der Inkohlung: Sumpfwald-Vegetation → Torf →(-H2O) Weichbraunkohle →(-H2O+p) Matt und Glanzbraunkohle →(+p+T-CO2-CH4) Steinkohle →(-CO2-CH4) Anthrazit (90% C) → Graphit

Mit steigendem Inkkohlungsgrad steigt die Härte, der Glanz, der Brennwert und der Kohlenstoffgehalt

Graphit entsteht außerhalb des Diagenese-Bereichs bei Maximal 300°C

Hiltsche Regel: +100m Tiefe = -2% flüchtige Bestandteile

Ursachen für Kohlenstoff im Erdinneren

Kernfusion in roten Riesen

ab 8 Sonnenmassen ist Fusion zu schweren Elementen (bis Eisen) möglich, Temperaturen dabei ca. 1 Mrd °C

H→(ab 107K, Sonne)He→+→Be→+→C

Elastische Konstanten, wie hängen sie zusammen, wie sind sie definiert?

Bestimmung der Viskosität von Gesteinen (Labor & im Erdinneren)

Magnetische Eigenschaften von Olivin?

Geoelektrik

Typen der Leitfähigkeit?

elektrolytisch in der Kruste

Halbleiter im Mantel

metallisch im Kern

Mit welchen Gleichungen kann man die Halbleitung beschreiben

Ohmsches Gesetz

Abhängigkeit von der Temperatur?

Kalte Metalle leiten besser als warme (da bei Wärme die Atomrümpfe die Elektronenbewegung behindern)

Kalte Halbleiter leiten schlechter als warme (da bei Wärme mehr Elektronen im Leitungsband sind) => Zusammenhang analog zur Arrhenius-Gleichung

Ionenleitung weitestgehend temperaturunabhängig (Anzahl der gelösten Ionen ist temperaturunabhängig)

Wie sieht eine Leitfähigkeitskurve bei Gestein z.B. Basalt aus?

Allgemeines Ohmsches Gesetz

spezifischer Widerstand von Wasser

abhängig von Elektrolytgehalt, von der Art der Ionen, Mobilität

Abhängigkeit der Mobilität von der Temperatur?

Signal- und Phasenverschiebung bei Vorhandensein eines Leiters → Induktionsgesetz

Wie kommt es zu einer Anisotropie der Leitfähigkeit in Gesteinen?

Porosität

Elektrische Leitfähigkeit von Gesteinen?

partielle Schmelzen

Graphit (Entstehung?)

Elektrolyte

Wie kann man statische und induzierte elektrische Felder von einander unterscheiden?

durch ihr zeitliches Verhalten

Feldtheorie

Elektrisches Feld

Eletrisches Potential,Abhängigkeit von r

Elektrischer Fluss

Gaußscher Satz

Laplace-Gleichung

(: Strömungspotenzial)

div(E) = 0

Maxwell'sche Gleichungen

Spiegelladungsmethode (Ladung unter der Erdoberfläche)

Mehrpunktverfahren

Wenner (gleiche Abstände der Elektroden)

Schlumberger (Abstand der Sonden klein gegen den Gesamtabstand)

Dipol-Dipol

4-Punkt-Verfahren

Geometrieterme

Abhängigkeit der Tiefenaussage von der geometrischen Anordnung?

Eigenpotentiale (Was? Wie? Warum?)

Welcher Prozess liefert größtes Eigenpotential?

chemisches Eigenpotential

Wie entsteht es?

Wie misst man es?

Wie sieht die Anomalie aus? Größenordnung?

Was für Minerale sind wichtig?

Graphit, Eisensulfide (2 wertiges Eisen)

Kann man etwas über Lage und Größe aussagen?

Nernst-Potential

(Konzentrationen , )

Diffusionspotential

gravim. Potentiale

Leitfähigkeitsverlauf in der Erde?

Halbleitung in Gestein: Die Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur und damit mit der Tiefe.

An der Oberfläche gibt es wassergefüllte Klüfte im Gestein.

Erdmantel: Schmelze mit freien Ionen => auch Ionenleitung

Kern: aus Metall => Elektronenleitung

Eigenpotential von Lagerstätten (welche, wo am größten)?

Suszeptibilitätsmessungen (Wie verhält sich umgebendes Medium, was misst man bei verschiedenen Medien)?

Magnetotellurik

Skin Effekt

Was wird gemessen?

Messanordnung?

Ziel?

Geothermik

Wärmeflusses

Definition

(d.h. proportional zum örtlichen Temperaturgradient )

Globaler Wert

1,5 HFU (1 HFU = 41,8 mW/m2)

qz-Verlauf Profil MOR – Kontinent

Ozeanboden: großer Wärmefluss, da dünne Lithosphärenplatte; Kontinent: dick, geringer Wärmefluss

je näher am MOR, desto höher der Wärmefluss, weil Kruste neu entstanden ist => noch nicht abgekühlt

qz-Verlauf Profil Alpen – Variskisches Grundgebirge

Alpen: dicke Lithosphäre => geringer Wärmefluss

variskisches Grundgebirge: Radionuklide => großer Wärmefluss

Wie mißt man q (Labor und insitu)? Im Ozean?

Wo spielt Konvektion in der Kruste eine Rolle? Wie wird der Temperaturgradient durch Grundwasserzirkulation verändert?

Für die Erde spielt oberflächennah die Wärmeleitung die wesentliche Rolle. Allerdings kann es durch zirkulierende Wässer in der Kruste zu einem gewissen konvektiven Anteil kommen (z.B. Mittelozeanische Rücken).

Gradient 20-30°C

bei KTB höher als erwartet

Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifischer Wärme und Dichte? → aus Wärmeleitungsgleichung

: spezifische Wärme; : Wärmekapazität; : Dichte

Wärmeleitungsgleichung

Temperaturbestimmung im Erdinneren

über dort vorkommende Gesteinsphasen; diese sind über seismische Geschwindigkeiten bestimmbar

Warum gibt es keine Beule über MOR?

Seafloorspreading: das neu gebildete Krustenmaterial schiebt sich nach außen

Wie kommt Konvektion zustande?

Rayleighzahl

< 2000 → keine Konvektion

Regionale Geologie

Woher weiß man, dass sich das Kristallin des bay. Waldes gehoben hat?

dort findet man metamorphes Gestein, das in großer Tiefe entstanden ist

Warum Überschiebung Moldanubikum auf Saxoturingikum

Verschiedene Theorien:

Angliederung von Terranes

Subduktion des Iapetus im Devon und Karbon, langandauernde Kollision

Geodynamik

Plattentektonik

Was passiert bei Kontinent-Kontinent-Kollision?

Gebirgsbildung

Subduktionszonen, ridge push, slab pull

Ostpazifischer Rücken, Pazifik - Atlantik

Kräfte für den Antrieb von Platten und deren Ursachen?

Konvektion → Seafloorspreading
passives Mitschleppen durch Strömungen der unterliegenden Asthenosphäre (viskose Kopplung)

slab pull / ridge push

laterale Dichteunterschiede durch therm. Ausdehnung

stoffliche Dichteunterschiede

Messung der Driftgeschwindigkeiten der Platten & Terrane

Quasare (über VLBI mit Radioteleskopen, z.B. Wettzell)

Satelliten, GPS

Paläomagnetik -> Obergrenze für Driftgeschwindigkeiten

durchschnittliche Wachstumsgeschwindigkeiten: Nordatlantik 2cm/a, Südatlantik 3cm/a, Indischer Ozean 6cm/a, Ostpazifische Schwelle 10-12cm/a

Warum gibt es Transform-Faults?

Mittelozeanische Rücken werden zerschert durch transform faults

Sie entstehen, wenn gegensinnige Bewegungen auftreten

das Gestein reißt nicht auf der gesamten Länge des Rückens, sondern abschnittsweise

Abhängig von den unterschiedlichen Spreadingraten

Wie tief gehen diese Brüche? Nat. Grenze?

400-600°C = 15km, da ab dort zu viskos

Warum Beben in 600-700 km Tiefe?

An Subduktionszonen (kalter Slab = spröde)

Konvektion

Woher kommt die Energie (welche Anteile haben die einzelnen Komponenten)?

radiogene Wärme (U, Th, K) v.a. in der Erdkruste (Anreicherung der Radionuklide)

latente Wärme = Kristallisationswärme: äußerer Kern friert aus, innerer Kern wächst dadurch

potentielle Energie (Absinken schwerer Materialien)

Oxidation

Reibung: Tektonik, Gezeitenreibung

Wo gibt es Aufschmelzung in der Erde?

Überall wo Konvektion Materie nach oben drückt → Plattenränder, Subduktionszonen, Hot Spots, Plutone

Ozean – Ozean: basisch bis intermediäre Laven (Basalte, Andesite)

Ozean – Kontinent: sauere (aufgeschmolzene kontinentaler Kruste, subduzierter Platte oder Verunreinigung durch Sedimente) bis intermediäre Laven und Intrusivgesteine

Kontinent – Kontinent → Magmenintrusionen

Wie kann man Plumes feststellen?

Plume (engl.) = Rauchfahne

sehr tief im Mantel sitzend und über lange Zeit ortsfeste Magmenquelle → Hotspot

Oberfläche: Vulkanismus (Hawaii), Geysire (Yellowstone)

Topographie (Aufwölbung), Echolot (um unterseeische Aufwölbung zu sehen)

Seismische Tomographie

Sonstiges

Fennoskandischer Schild

Wie groß ist die Hebungsrate?

Nach Eiszeit bis zu 1 cm pro Jahr (Epirogenese = Hebung ohne nennenswerte Deformation)

Was passiert im Untergrund?

Prinzip der Isostasie, Kruste schwimmt auf, da leichter als mit Eis

Funktioniert, da Mantel über lange Zeiträume viskos

Der isostatische Ausgleich erfolgt nicht lokal direkt unter der Auflast, sondern regional unter Mitwirkung der eingewölbten Lithosphärenplatte

Was ist die älteste geophysikalische Disziplin?

Seismologie: Seismoskop des Zang-Heng in China

Erdmagnetismus: Kompass in China seit ca. 2000 Jahren

Figur der Erde, Geoid?

Gleichgewichtsfigur

1. Näherung: Nicht rotierende, flüssigkeitsähnliche Erde homogener Dichte → Gleichgewichtsfigur: Kugel → Abweichung 2  von wahrer Erdgestalt

2. Näherung (Huygens'sche Näherung): Rotierende, flüssigkeitsähnliche Erde homogener Dichte → Gleichgewichtsfigur: an den Polen abgeplattetes Rotationsellipsoid; Abplattung:

3. Näherung: Rotierende, flüssigkeitsähnliche Erde mit Dichtezunahme nach der Tiefe, entsprechend der wahren Tiefendichteverteilung → Gleichgewichtsfigur: Rotationsspäroid → Abplattung nach dem Theorem von Clairaut:
mit G als Gravitationskonstante.

4. Näherung: Das Referenzellipsoid (als mathematisch einfache Bezugsfläche um Form des Geoid und Höhenangaben zu beschreiben)
a=6378km, c=6357km, f=1:298

Im geophysikalischem Sinne ist das Referenzellipsoid eine Äquipotentialfläche mit dem Wert

Normalschwereformel:

Ursachen der Abplattung

Gleichgewicht zwischen Zentripetalkraft und gravitativem Zusammenhalt der Erde

Abplattung ist geringer als man im hydrostatischen Gleichgewicht erwarten würde (Huygens'sche Näherung)
Erklärung: Einstellung des hydrostatischen Gleichgewichts dauert länger als Gezeitenbremsung

Wert für Schwere am Pol und Äquator

Äquator: 9,78 m/s2; Pol: 9,82 m/s2

Geoid-Undulationen?

Abweichungen vom Geoid (< 100m), Halbwertsbreiten einige 1000 km

Welche verschiedenen Höhen gibt es?

Geoidhöhe (Höhe über dem Geoid)
Annahme: konstante Schwere im betrachteten Bereich (nahe des Geoids Erdoberfläche)

Ellipsoidhöhe

Höhe über Erdmittelpunkt (Satellitenverfahren)

Wie wird die Schwere auf der Erdoberfläche bestimmt um das Geoid festzulegen?

Schweremessung mit Gravimetern

Warum ist die Erde kein Würfel?

Kugel energetisch günstiger, Erosion, abgeschlossene Systeme streben stabiles Gleichgewicht an → Minimum von Epot

Präzession und Nutation der Erde

Präzession: die verlängerte Rotationsachse wandert um den Himmelspol, dementsprechend verschiebt sich ein erdbezogenes Koordinatensystem insgesamt gegenüber dem Ekliptiksystem

Nutation (=Breitenschwankung): Der Rotationspol beschreibt eine zyklische Bahn auf der Erdoberfläche, ein Beobachter an einem festen Ort schließt daraus auf eine Veränderung der Breite des Ortes.

Präzession: Der Drehimpulsvektor bewegt sich im Raum.
Nutation:
Der Polkegel (Achse = Figurenachse = geometrische Achse der Rotationssymmetrie des Kreisels) rollt auf dem Spurkegel (Achse=Drehimpulsvektor) ab. Die Berührlinie der beiden Kegel ist die Rotationsachse. Bei der Erde fallen Rotationsachse und Figurenachse fast zusammen (am Pol ~ 10 m Abstand)
Zeichnung siehe Stöcker S. 113

Ursachen

Die Rotation der Erde ist nur nahezu kraftfrei, da Sonne und Mond Drehmomente ausüben → Präzession der Erdachse → verschiedene Sterne übernehmen die Rolle des Polarsterns als Drehpunkt des Sternenhimmels

Rotationsgeschwindigkeit

Änderungen

säkulare Verlangsamung / Gezeitenreibung (1 ms/100 Jahr), bei Erdentstehung durch Akkretion und Differentiation schneller

unregelmäßige Änderungen (+- 30 s in Jahrzehnten, Jahrhunderten) durch: Orogenese, Hebung + Senkung großer Küstenabschnitte, Inlandseis, (→Veränderung des Trägheitsmoments) Materiestrom im Erdkern mit Änderung der magnetohydrodynamischen Kopplung, Sonnenstürme (+2 ms/Tag)

Periodische Änderungen; Jahres-, Chandler Periode (+- 0,03s)

Messung durch Fixsterne, Laserkreisel

Wie bestimmt man die Rotationsgeschwindigkeit der Erde vor ein paar Mio. Jahren?

Korallenwachstum (Jahresringe)

Wieso nimmt man an, dass der Erdkern aus Fe-Ni besteht?

Druck und Temperatur bestimmt den Zustand der Materie

Die Dichte des Erdkerns ist deutlich höher als die der Silikate, aber signifikant niedriger als die von Eisen → FeNi mit 15% S, Si, O

Hinweis auf Fe-Ni sind auch 5% der Meteorite

Aufgrund der chem. Affinität und der kosmischen Elementhäufigkeit nimmt man an, dass im Erdkern 10% Schwefel an Eisen legiert mit Nickel gebunden ist.

Die Masse der Erde und damit des Kerns ergibt sich aus der Gravitation, das Trägheitsmoment (und damit die radiale Massenverteilung) aus astronomischen Beobachtungen.

Warum schon seit ein paar Milliarden Jahren?

Die gravitative Abscheidung der schweren eisenreichen Schmelze und Formierung des Kerns hat wahrscheinlich bereits in der Akkretionsphase stattgefunden und war nach den ersten 100 Mio. Jahren beendet.

Die Paläomagnetik zeigt, dass es vor mindestens 3,5 Mrd. Jahren bereits ein Feld gab.

Nach Modellrechnungen begann das Ausfrieren erst vor 2-3 Mrd Jahren

Flugzeugmessungen

Radiometrie

Magnetik → Protonenmagnetometer, Förstersonde

elektrische Leitfähigkeit → Induktionsspulen

Gravimetrie

Bohrlochverfahren

Dichtemessung: Gamma-Gamma-Log, Gravimetrie, Neutronenverfahren

Porosität: Neutronen-Log

Elektrische Leitfähigkeit: Laterolog

seismische Geschwindigkeiten: sonic-log

verschiedene Kombinationen

Kosmologie

Alter des Sonnensystems? Woher weiß man das?

Urknall vor 15-20 Mrd. Jahren (Rotverschiebung von Sternenlicht aus dem Rand des Universums)

Sonnensystem- und Erdalter: ca. 4,6 Mrd. Jahren

terrestrisch - jovianisch

Entstehung der Erde/Planeten

Staubwolke in unserem Sonnensystem

homogen/heterogen

Akkretionsmodell: Planetisimale lagern sich bis zur Planetengröße an. Die Gasplaneten bildeten sich früher, die inneren Planeten sind fest, da es so warm ist, dass die Gase verfüchtigen, diese sammelten sich in den äußeren Gasplaneten.

Die Zusammensetzung / Verhältnis der Nichtgaselemente ist ähnlich dem der C1-Chondrite

Modell des Saturns

besitzt ein sehr starkes Magnetfeld (Dipolmoment 105-mal stärker als das der Erde) → aus Radioastronomie

Kern im Saturn?

Wahrscheinlich haben auch Io und Ganymed eigene Magnetfelder

Titus-Bode-Regel

Abstände der Planeten folgen einer mathematischen Reihe (0,3,6,12,24,..)+4, Erde = 10 (stimmt bei Neptun und Pluto nicht, zwischen Mars und Jupiter fehlt ein Planet)

C1-Chondrit, Unterschied zu Steinmeteoriten

Dichte in der Sonnenmitte/Erdmitte?

Geopotential?

Entwicklung nach Kugelfunktionen

Was bedeuten die Terme?

Zonale Beiträge

tesserale Beiträge

sektorielle Beiträge

Love Zahlen?

Aufbau der Ionosphäre

Ladungstrennung (Ionisation durch Photoeffekt)

Barometrische Höhenformel:

Stromsysteme

Maxwell-Gleichungen:

Nachweis von leitenden Schichten

Reflexion von EM-Wellen

Einfluss auf z-Komponente des Erdmagnetfeldes

Variationen, Pulsationen

Schuhmann-Resonanzen

Eindringtiefe ins Erdinnere

Skintiefe

andere Periodizitäten

Sonnenfleckenzyklus (zwei Perioden: 11 Jahre = Schwalbe-Zyklus, 80 Jahre = Gleissberg-Zyklus)

Wie kann man zeigen, dass die Erde schon seit mehr als ein paar Millionen Jahren einen Fe, Ni Kern hat?

Alter der Kruste, Magnetfeld

Wie scharf ist die Kernmantelgrenze?

unscharf; die D''-Schicht ist etwa 200 km dick

Warum springt vp an dieser?

Dichteunterschied zwischen Silikatmantel und Metallkern

Phasenübergang fest–flüssig

Wie sehen die Äquipotentialflächen eines Quaders aus?

Aufbau der Erde

Kruste, Mantel, D'', äußerer u. innerer Kern

Asthenosphäre, Lithosphäre

Gamma-Spektroskopie

Elemente: U-238, U-235, Th-232, K-40 sowie deren Tochterkerne

Compton-Effekt, Fotoeffekt, Paarbildung im Szintillator

Zerfallsbreiten

Welche Gesteine in großen Tiefen? Wo findet man sie?

Peridotite, wie z.B. der Olivin sind Eisenmagnesiumsilikate nach der Formel (Mg,Fe)2SiO4

Als Xenolithe in schnell aufsteigenden Magmen

Mineralstruktur aus seismischer Geschwindigkeit

Geologie

Geodynamik

Aufbau der Erde, Schalenstruktur, Konvektion, Temperaturgradient; Tiefenangaben!

Schalenstruktur: Kruste (bis zur Moho, in ca. 5–65 km Tiefe), oberer Mantel (bis 670 km Tiefe), unterer Mantel (bis zur D'' in 2900 km Tiefe), äußerer Kern (bis in 5000 km Tiefe; aus Nickel/Eisen; flüssig); innerer Kern (Nickel/Eisen, fest)

Temperaturgradient

beträgt 30 °C pro km

Entstehung der Erde, Bildung von Planeten

rotierende Gaswolke, aus Wirbeln entstehen Planetesimale, die sich durch Akkretion immer weiter verdichten; die leichten Elemente haben sich wegen großer Geschwindigkeit bei hohen Temperaturen (= hohe kinetische Energie) in der Nähe der Sonne von den inneren Planeten verflüchtigt und in den äußeren Planeten angesammelt

Endogene und exogene Dynamik?

endogen = aus dem Erdinneren, d.h. Plattentektonik, Konvektion, Wärmestrom; exogen = von außen, speziell von der Sonne kommend, d.h. Wettereinflüsse, Erosion

Wie hat man festgestellt, dass die Erde einen flüssigen Kern hat?

mit seismischen Methoden (keine S-Wellen im äußeren Kern)

Ursache des festen inneren Erdkerns?

Druck im Kern zu hoch für flüssige Phase (Druck steigt dort schneller als Temperatur)

Warum ist der Temperaturgradient nicht bis zum Kern konstant?

Lithosphäre–Asthenosphäre: Übergang von Wärmeleitung zu Konvektion; Schmelztemperatur der Gesteine wird überschritten; radioaktive Elemente sind in der Kruste angereichert;

Unterschied Lithosphäre–Asthenosphäre–Kruste?

Kruste: bis zur Moho

Lithosphäre: Kruste + der feste Anteil des oberen Mantels

Asthenosphäre: der duktile Teil des oberen Mantels (seismisch: low velocity zone), auf dem die Lithosphärenplatten gleiten

Vergleich Konvektionsmodell (Konvektionszellen) – Mantelplumes-Modell

Konvektionszellen: über den gesamten Erdmantel verteilt, Aufstiegs- und Absinkbereiche zwischen zwei Konvektionszellen können lang gestreckt sein

Mantelplume: regional begrenzter Aufstiegsbereich (beginnt vermutlich in der D''-Schicht an der Kern-Mantel-Grenze), Absinkbewegung dagegen großräumig verteilt

Konvektion, Rayleighzahl

laminares Fließen bei Rayleighzahl < ca. 2000

Plattentektonik, Antriebskräfte

ridge push: sich aufspreizende mittelozeanische Rücken drücken die Lithosphärenplatten auseinander

slab pull: absinkende Lithosphärenplatten an den Subduktionszonen ziehen die restlichen Platten mit

hinge rollback: der steil absinkende Slab zieht nicht nur die Platte nach sich, auch die Abknickstelle verlagert sich von der Subduktionszone weg

Wie kam es zur Theorie der Plattentektonik? Geologische Hinweise dafür?

Passform von Afrika und Südamerika (Wegener, inspiriert von Bewegung von Eisschollen)

Fossilienfunde in Afrika und Südamerika

Deckenüberschiebung in den Alpen (Ampferer)

Erforschung der Ozeane: magnetisches Streifenmuster symmetrisch zu den MOR

Tiefseegräben

Gebirge, Rifts

Rolle der kinetischen Energie bei Plattentektonik?

Vernachlässigbar, da quadratisch eingehende Geschwindigkeit sehr klein ist (z.B. Afrika: bei einer Masse von 18E21 kg und Geschwindigkeit von 6,342E-10 m/s ergibt sich eine Energie von 3,6 kJ).

Paläomagnetik und Plattentektonik

magnetisches Streifenmuster am Ozeanboden

Richtung der Gesteinsmagnetisierung: Inklination => Paläobreiten (tan(I)=2*tan(phi)), Deklination + Randbedingungen => Nordrichtung

Bildungsmechanismus von ozeanischer Lithosphäre

MOR, seafloor spreading

Dicke der Lithosphäre am MOR

wo Magma austritt, beträgt die Dicke 0, ansonsten ist wegen der erhöhten Temperatur (= geringere Dichte) die Lithosphäre rund um den MOR dicker als im restlichen Ozean

Bildungsmechanismus von Tiefseegräben

an Subduktionszone zwischen absinkender Platte und Akkretionskeil

Subduktion: Gründe, Gebirgsbildung (welche Kräfte wirken), Vulkanismus etc.

Gründe: Gewichtsunterschied bei konvergierender Bewegung

Kräfte: konvergente Bewegung (=> Faltung) und Isostasie

Vulkanismus im Back-Arc-Bereich

Querschnitt einer Subduktionszone

ridge push, slab pull, hinge rollback

ridge push: Bildung von Kruste am MOR drückt die Platten auseinander

slab pull: abtauchende Platte an Subduktionszone zieht den Rest der Platte nach

hinge rollback: Knickstelle der abtauchenden Platte verlagert sich weg von der Subduktionszone

Beschreibung eines aktiven Kontinentalrands

Fold-Thrust-Belt: Großgeometrie, orogener Keil

Gründe für Kompression oder Extension an aktiven Kontinentalrändern

Eintauchwinkel der subduzierten Platte: flacher Winkel => starke mechanische Koppelung, Kompression, Gebirgsbildung; steiler Winkel mit hinge rollback => Zugbelastung auf überschiebende Platte, Extension;

Unterschied steil–flach einfallende Subduktionszone, von was ist der Abtauchwinkel abhängig?

s. letzte Frage

Rifts; aktives/passives Rifting; Basin-and-Range-Provinz; Rio-Grande-Rift;

aktives Rifting = temperaturgesteuert (d.h. bewegt sich von selbst auseinander); passives Rifting = spannungsgesteuert (d.h. wird auseinandergezogen)

Basin-and-Range: großflächiges Rifting;

Pull-Apart-Strukturen

parallelogrammförmige Strukturen bei Transformstörungen an Stellen mit seitlichen Versetzungen

Bildung von Sedimentbecken

Ausdünnung der Kruste, dadurch isostatisches Absinken (weniger Auftrieb), daraufhin Sedimentfüllung (Wasser schwemmt Sedimente immer in die tiefsten Bereiche) => Zusatzgewicht, weiteres Absinken

Randmeer

entweder durch Extension im Backarc-Bereich einer Subduktionszone oder hinter einem akkretionierten Terrane

Sedimente in Tiefseegräben

Wie entsteht das Erdmagnetfeld?

im Erdkern durch Dynamo-Effekte (da Temperatur zu hoch für eine remanente Magnetisierung des Gesteins); vgl. „self-exciting dynamo“: rotierende Scheibe auf einer Achse in einem externen Magnetfeld parallel zur Achse => durch Lorentzkraft Ladungstrennung auf der Scheibe (innen–außen) => Stromkreis herstellen zwischen Achse und Außenrand der Scheibe mit Spule um die Achse => Strom fließt durch Spule und erhält damit das Magnetfeld aufrecht

Erdbebenwellen?

Definition der Moho, petrologisch und seismisch

seismisch: Diskontinuität in der Wellengeschwindigkeit

petrologisch: oben ist das Gestein sauer (felsisch), unten basisch (mafisch)

Beckenüberschiebung

Molasse: Was ist das? Wie tief? Wie entstanden? Verlauf der Moho?

Molasse = grobkörnige paralisch-fluviatile Sedimente, die ein Vorlandbecken vor einem Gebirge ausfüllen

Entstehung des Beckens: durch isostatische Absenkung des Landes durch das Gewicht des Gebirges

Lithosphärenprofil von der Donau bis zu den nördlichen Kalkalpen?

Alpenbau, alpine Decken, Querprofil?

Transgression, Regression

Anstieg bzw. Absenkung des Meeresspiegels; regional durch Hebung/Senkung von Land, global durch Eiszeiten/Warmzeiten;

Spannungs- und Deformationsmechanismen

elastisches Durchbiegen der Lithosphäre

durch Auflast, z.B. Vulkan, Sedimente

Rheologie ozeanischer und kontinentaler Lithosphäre

ozeanische Kruste ist dünner und daher leichter verformbar

superplastisches Fließen

Fließen von Festgestein durch Bewegung an den Korngrenzen

Absenkung in Dehnungszonen

isostatisch

Was ist das Tauernfenster?

dort kommt das kristalline Gestein der europäischen Platte, welches unter dem Kalk der afrikanischen Platte liegt, an die Oberfläche => man kann dieses ansonsten verdeckte Gestein wie durch ein Fenster sehen

Warum gibt es Gebirge-Geosynklinale?

Falten

Überschiebung

Rampenantiklinale

Rampenantiklinale (fold-bend folds): bei einer Faltenbildung an einer Verwerfung schiebt sich die Schicht bei der Faltung rampenförmig übereinander, d.h. Kombination aus Falte und Aufschiebung

Faltentypen

aktive Falten: Spannung ist parallel zur faltenden Lage, z.B. bei Gebirgsbildung

passive Falten: Spannung ist orthogonal zur faltenden Lage, z.B. wenn sich eine Schicht durch Schwerkraft dem Untergrund anpasst

parallele Falten

parallele Falten: keine Dickenänderung der Schichten, d.h. Dehnung im Außenbogen, Kompression im Innenbogen

Biegegleitfaltung

Biegegleitfalten: es gibt Verschiebung zwischen den Schichten, um die Dehnung/Kompression zu vermeiden

Stauchung im Kern

Knickfalten (Ziehharmonika-, Chevronfalten): Spezialfall der Biegegleitfalten; die nötige Verschiebung ist zu groß, so dass es im Scharnier der großen Falte zu einer Faltung der inneren Lage kommt (Stauchung im Kern)

Scherfaltung

Scherfaltung: geschertes Gestein (simple shear) bildet Falten (beide Schichten dringen ineinander ein und werden dadurch jeweils in die Richtung der anderen Schicht geschert => durch die Richtungsumkehr entstehen Falten, die Schenkel werden ausgedünnt

Verformungsmechanismen:

spröder Bruch: Kohäsion geht flächig verloren, Atombindungen werden gelöst, v.a. bei niedriger Temperatur, schneller Verformung und geringem Umschließungsdruck

granulares Fließen: feste Partikel gleiten an den Korngrenzen und bewegen sich damit, ohne sich selber zu verformen oder zerstört zu werden

kataklastisches Fließen: manchmal ist es energetisch günstiger, Neubrüche zu schaffen, statt alte Brüche zu reaktivieren, d.h. das Material fließt, indem es laufend neu zerbricht

Korngrenzgleiten = superplastisches Fließen: Mineralkörner fließen in Festgestein, dabei ist die Deformation korngrößenabhängig (je kleiner, desto leichter fließt es)

Drucklösung: unter Belastung wird Material gelöst und an anderen belastungsärmeren Stellen wieder eingelagert

Bei zunehmendem Außendruck bricht Material nicht mehr in einer glatten Bruchfläche, sondern verformt sich zunehmend plastisch.

Vulkanismus

Mechanismen zur Magmenbildung

Druckentlastung, Temperaturerhöhung, Fluide

Kristallisation und Keimbildung, Unterschied Plutonit–Vulkanit

bei Plutoniten erfolgt die Abkühlung sehr langsam, daher größere Kristalle

Alkalibasalte: Warum Bildung bei geringer Aufschmelzung?

Basalt-Chemismus, wo und warum

Basalt = Teilschmelze aus dem an inkompatiblen Elementen verarmten Mantel

Vorkommen: Inselbogenvulkanismus, MOR, Hot Spots

Solidus-Liquidus-Kurven erläutern

Solidus: unterhalb dieser Kurve (Druck/Temperatur) ist das gesamte Material fest

Liquidus: oberhalb dieser Kurve ist das gesamte Material flüssig; zwischen beiden Kurven = Teilschmelzen sind vorhanden

durch Fluide kann der Verlauf der Kurven beeinflusst werden, z.B. durch Wasser: während wasserarme Basaltschmelze unter Druck fest wird, enthält Granit viel Wasser, welches ein Netzwerkwandler ist, d.h. Granit wird unter Druck flüssig – umgekehrt wird Granitschmelze alleine durch die Druckentlastung beim Aufstieg fest

Bildungsmechanismus von Tholeiit aus Pyrolith?

Differenziation

Wer hat Pyrolith erfunden?

Ringwood 1962: Tholeiit entsteht aus wenig differenzierter Magma; weil sich die Magma zwischen Erdmantel und Oberfläche verändern kann, wurde postuliert, dass der Erdmantel aus Pyrolith besteht, aus dem die anderen Magmen durch Differenziation hervor gehen.

Gestein

Zusammensetzung von Mantelmaterial Mg/Si

v.a. Olivin = (MgFe)2SiO4;

Verformung von Gesteinen, spröde und duktil

abhängig von Temperatur, Umgebungsdruck, Geschwindigkeit der Krafteinwirkung, kompetentes/inkompetentes Material

Wie tief ist Feldspat stabil?

Lithosphäre: Aufbau, Zusammensetzung, Dicke

Warum schmilzt die Asthenosphäre bei Druckausgleich auf der Erdoberfläche?

hoher Druck bedeutet i.A. hoher Schmelzpunkt; bei Druckerniedrigung sinkt der Schmelzpunkt, d.h. unter hohem Druck festes Gestein schmilzt

Bodenbildung

Gestein erodiert; wenn es nicht abtransportiert wird und verrottetes Pflanzenmaterial dabei ist, entsteht Boden daraus;

Flachwasser- und Tiefwasserablagerungen, Bildung von Kalkstein, CCD, ACD, Foraminiferen

CCD (calcite compensation depth): bei niedriger Temperatur und hohem Wasserdruck (d.h. in großer Tiefe) löst sich CO2 gut in Wasser, d.h. Calcit (CaCO3) wird laufend zu CO2 abgebaut, welches durch Lösung verschwindet => Calcit kann nicht bestehen; in geringerer Tiefe wird es dagegen nicht abgebaut, daher können sich dort kalkhaltige Sedimente bilden

ACD (aragonite compensation depth): Aragonit ist chemisch wie Calcit, hat aber eine andere (instabilere) Struktur, d.h. es löst sich leichter, darum liegt die ACD oberhalb der CCD

Beeinflussung des CO2-Haushalts durch Auflösung der Kalke? Mengenverhältnis des Kohlendioxid in Carbonaten und in der Atmosphäre?

biogene Sedimente auf der Kontinentalkruste, Ophiolite

Aufbau ozeanischer Kruste

siehe Ophiolite: gehobene ozeanische Kruste, die sich heute an Land befindet (nicht zu verwechseln mit gehobenen Meeressedimenten; bei Ophioliten handelt es sich um basaltische ozeanische Kruste)

Aufbau der Kruste: Ultrabasite, Gabbro, MORB (Sheeted Dikes und Pillows), Sedimente

Bedingungen, damit sich Kohle bilden kann

kompetente und inkompetente Lagen

kompetent = duktil; inkompetent = spröde;

strain hardening – strain softening

Definition von Serpentinit

Eklogitbildung (Subduktionszone)

Anreicherung der Elemente in der Erde

radioaktive Elemente und REE (seltene Erden) sind in der Kruste angereichert, Silizium in Kruste und Mantel, Eisen und Nickel im Kern;

Wärme: Wärmequelle, Aufbau des Erdkerns, radioaktive Elemente, Kristallisationswärme

Schwarzschiefer

enthält bituminöse Ablagerungen (biogen), entstanden in euxinischem Milieu, z.B. Posidonienschiefer

Dropsid? Anorthit? Olivin? Fayalit? Pyrolit? Forsterit? Harzburgit? Lherzolit? etc.

Was passiert bei chemischer Verwitterung?

z.B. durch Humus-Säure

Ooid-Entstehung

Ooide entstehen im hochenergetischen Brandungsbereich, wachsen kugelförmig, Material: Kalk oder auch Eisen; Gestein daraus: Oolith

nicht zu verwechseln mit Onkoiden (wachsen durch Bakterien rund um einen Wachstumskern zu unregelmäßigen Formen)

Dolomit-Bildung; Mächtigkeit; Ursache dafür

Entstehung im Flachwasser

Mächtigkeit 1000 m durch Absenkung

Mineral-Neubildung

Methoden der Altersbestimmung: K-Ar, Biostratigraphie

Tiefwasserströme

es gibt ein weltweites System von Tiefwasserströmen, z.B. sinkt der Golfstrom im Nordmeer ab

Unterschied Amphibolit–Amphibol

Amphibol: Mineral; Amphibolit: Gestein, das aus Amphibol besteht

Schichtung in Flachwasserkalken, Schichtlücken

Schichtlücken entstehen, wenn entweder über einen Zeitraum nichts abgelagert wurde oder wenn diese Ablagerungen erodiert wurden

Sedimentationsrate ca. 1 mm pro 1000 Jahre

Definition Leitfossil, Faziesfossilien

Leitfossil: Fossil, das nur in einem begrenztem Zeitraum vorkommt; dadurch kann man das Alter des Gesteins sehr genau eingrenzen.

Streckeisendiagramm, Granit einzeichnen

Meteoritentypen, Impacts, Chondrite

Meteoriten

Eisenmeteoriten, Stein-Eisen-Meteoriten, Steinmeteoriten; Chondrite sind Steinmeteorite, die die gleiche Zusammensetzung wie das Sonnensystem bei der Entstehung haben;

Metamorphose

Metamorphose: Druck, Temperatur; in welcher Tiefe herrscht ein Druck von 20 kbar?

Bei einer Dichte von 3,0 g/cm3 ergibt sich ein Druck von 3,0*1000*9,81=0,29 bar pro Meter, d.h. 20 kbar in ca. 60 km Tiefe

Metamorphose: Amhibolitfazies, Hochdruckmetamorphose, Anatexis, Migmatite

Anatexis = Teilaufschmelzung

Migmatit: nach Anatexis, d.h. teils metamorph und teils magmatisch;

Grenze der Metamorphose zur Diagenese und zur Palingenese?

Diagenese: Temperatur und Druck niedrig (Analcim-Albit-Reaktion)

Andesit – Sillimanit – Disthen, Umwandlung

dies sind alles chemisch identische Aluminiumsilikate, deren Struktur von Temperatur und Druck abhängig ist, d.h. Umwandlung bei Temperatur- und Druckänderungen

Wo sind metamorphe Gesteine aufgeschlossen?

in Gebirgen

Mylonit-Bildung, Verformungsmechanismen

Mylonit: entsteht bei Dynamometamorphose

Atmosphäre und Klima

Uratmosphäre: Zusammensetzung, Bildung, Änderung

Zusammensetzung: CO2; Bildung: aus Vulkanausbrüchen; Änderung: Photosynthese => CO2 zu Sauerstoff (Sauerstoff auch zu Metalloxiden) => Stickstoff ist inertes Restgas;

Meeresspiegelschwankungen

lokal: Hebung/Senkung des Landes; global: Eiszeiten

Mechanismen von Klima-Änderungen?

astronomische Zyklen

Eiszeiten: warum (Theorien)?

Schwankungen in der Erdbahn: Präzession der Erdachse (Periode 25700 Jahre = Milankovich-Zyklus), Nutation, Änderung der Bahnexzentrizität, Präzession der Erdbahn (d.h. Veränderung von Frühlingspunkt/Erdachsenneigung zur Sonne und Perihel/Aphel relativ zueinander; heute: Nordwinter fällt in etwa mit Perihel zusammen)

regionale eiszeitliche Ablagerungen

Gletscherschliffe, Warven, Findlinge, Moränen, Talformen, Os, Sander, Toteislöcher

Toteisloch: Eis kann sich Jahrtausende unter Schutt halten, nachdem es geschmolzen ist, bleibt ein Loch zwischen den Sedimenten zurück

Talformen: Gletscher = U-Tal, Fluss = V-Tal etc.

Sander = Schmelzwasserablagerungen

Os/Esker: Ablagerungen von Schmelzwasserflüssen unter dem Eis, dammförmige Strukturen

Kame: zwischen Toteisblöcken durchgesacktes Material, ergibt kegelförmige Hügel

Drumlin: glazial überformte alte Grundmoräne, es entstehen tropfenförmige Hügel;

Klimainformationen aus Gesteinen

organische Ablagerungen: z.B. Pollen (Eiszeiten: Silberwurz)

O-18-Anteil (hoch => Eiszeit, da Wasser mit O-16 leichter verdunstet und damit als Eis ausgelagert wird, d.h. O-18 wird im Ozean angereichert)

Stratigraphie: Korallen, Eisbohrkerne, Sedimente, Magmatite, Foraminiferen

Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen: U-238, U-235, K-40 (für Basalt), Th-230 (für Korallen), Rb-87 (für Granit);

Sedimente verschiedener Klimazonen: nival, Moränen, Gletscherbildungen

ozeanische Zirkulation

Zirkulation im Schwarzen Meer und im Atlantik?

Schwarzes Meer: Faulschlammbildung, euxinisch; Atlantik: sauerstoffreiche Tiefenströme

Milankovitch-Zyklus

Verlust von Material in der oberen Atmosphäre

H und He sind leicht => bei hoher Temperatur (= kinetische Energie) erreichen diese Gase höhere Geschwindigkeiten als schwerere Gase => manche Teilchen erreichen die Fluchtgeschwindigkeit, können die Erde verlassen

Sonstiges

Vergleich Erde – andere Planeten

plastische Verformung von Gestein

Was ist der Unterschied zwischen plastischem und viskosem Verhalten?

Geologie von Elba, Einteilung, Toscaniden, Liguriden

Gesteinsfolge, die bei einer Bohrung in München zum Vorschein käme

Molasse, Jura, Kreide, Trias

Erdbeben in China

Grundwasser: Leiter, Nichtleiter

Erdölgeologie:

Muttergesteine

Sedimente mit biogenen Einschlüssen (z.B. Schwarzschiefer)

Speichergesteine

Gesteine mit durchgängigen Poren, in denen das Öl gespeichert werden kann

Wo findet man Erdöl?

Erdölfallen: Antiklinalen, Verwerfungen, an Intrusivkörpern wie Salzstöcken; an früheren Kontinentalschelfen

Faziesbezeichnung in anaerobem Milieu

Wann ist Wasser am dichtesten? Wann gefriert Meerwasser? Gefriert salzhaltiges Wasser früher oder später als Süßwasser? Lösen sich Gase besser in kaltem oder warmem Wasser?

Wasser ist bei 4 °C am dichtesten; Meerwasser gefriert erst unter 0 °C (je nach Salinität);

Was für eine Wassertemperatur herrscht am Ozeanboden?

es ist nicht 4 °C, weil Salzwasser kein Dichteminimum hat, sondern kann einen beliebigen Wert annehmen

Wie groß ist der Wärmestrom aus dem Erdboden? Ozean, Land?

Wie hoch, glauben Sie, werden Sandkörner bei einem Sturm gehoben?

Bis ca. 50 cm Höhe.

Landschaftsformen in einem humiden/ariden Gebiet

arid: Wüste, Wüstenlack, rote Gesteine (oxidiert, Fe-III), Windkanter

humid: Sumpf/Moor, See, Fluss, Erosionsformen (Täler, Wellenrippeln/Kreuzschichtung etc.)

Orogentypen: Inselbogen-Typ, Kordilleren-Typ, Kollision

Beurteilung eines Handstücks

etwas zu einer beliebigen geologischen Exkursion sagen

Erosionsrate?

im Gebirge ist ca. 1 mm pro Jahr

Tektonik erhöht durch Klüftung die Oberfläche von Gestein, dadurch wird die Verwitterung erhöht; die Freisetzung von Ca-Ionen führt dazu, dass Säuren abgepuffert und Kohlendioxid gebunden werden kann; selbstregulierender Prozess: wärmer => mehr Verwitterung => weniger CO2; seit 70 Ma wird es auf der Erde kälter, evtl. durch Bindung von CO2 im Gestein;

Strain

homogener Strain: eine Kugel wird zu einem Ellipsoid (Strainellipsoid: durch seine Form kann der Strain charakterisiert werden), parallele Geraden bleiben parallele Geraden

inhomogener Strain: die Straintrajektorien sind gekrümmt, d.h. es kommt zu Scherzonen und Scherfaltung

Hydrofrakturierung

Eine Porendruckerhöhung führt zu Zugspannung, dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der Porenräume, woraufhin der Druck wieder abnimmt und der Riss stoppt; deshalb geschieht Hydrofrakturierung oft gepulst.

Unterschied Bruchfestigkeit in Theorie und Praxis

In der Praxis hat Gestein eine deutlich geringere Festigkeit gegenüber Spannungen, als die Atombindungen ermöglichen würden. Grund dafür ist die Konzentration von Spannungsspitzen an Hohlräumen und Bruchflächen – je größer der Bruch, desto höher die Stresskonzentration.

Scherungen

pure shear = Spannung entlang der Achsen, Winkel bleiben erhalten (Längen nicht)

simple shear = nicht-koaxiale Spannung, Längen bleiben erhalten (Winkel nicht)

schergefaltetes Gestein: wie Kartenstapel => an den Faltenkernen sind Fossilien erhalten, weil dort keine Scherung auftritt

totaler Strain = longitudinaler Strain + angularer Strain + Volumenstrain

Boudinage

Kompetenzkontraste => Ausdünnung/Verdickung kompetenter Lagen (Boudinage)

Isostasie

Hohe Berge sind nur möglich mit tiefen Tälern, weil dadurch Masse entfernt wird => Berge können bei gleichem Gewicht der Landschaft höher aufsteigen.

Korallenriffe und Seamounts

Korallen wachsen ringförmig auf absinkenden Seamounts, weil sie neben einer bestimmten Tiefe (Sonnenlicht!) auch eine bestimmte Strömung und Nährstoffe brauchen => das Innere des Riffs wächst nicht mit Korallen zu, sondern kann ungestört absinken; auch Lagunen wachsen nicht mit Korallen zu, z.B. wegen zu hoher Salinität

Dichten (g/cm3):

Meerwasser: 1,025

Eis: 0,92

Salz 2,2

Lockersedimente: 1,2 – 2,4

Sedimentgestein: 2,4 – 2,6

Karbonate: 2,6 – 2,7

Kalke 2,75

Dolomite 2,8

Granitoide: 2,7 – 2,8

Basalt: 2,9 – 3,0

basische Gesteine: 3,1

kontinentale Kruste: 2,8

ozeanische Kruste: 3,0

oberer Mantel: 3,2 – 3,3

Mantel gesamt: 3,3

Erde gesamt: 5,5

Rayleigh-Zahl

Mohrscher Spannungskreis

Milankovitch-Zyklus

strain hardening/softening

Meteorologie

Druck

Was ist Luftdruck?

Druck = Kraft pro Fläche; Kraft ist die Gewichtskraft der Atmosphäre, d.h. der Druck durch das Eigengewicht der Luft

Luftdruckmessung

Flüssigkeitsbarometer

Gewichtskraft einer Flüssigkeitssäule steht im Gleichgewicht mit dem Gewicht der Atmosphäre, die auf die selbe Fläche angreift

Dosenbarometer

Verformungskraft einer teilweise evakuierten Dose steht im Gleichgewicht mit dem Luftdruck

Siedethermometer

Der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist abhängig vom Luftdruck; die Messung der Siedetemperatur liefert damit den Luftdruck.

Notwendige Korrekturen beim Quecksilberbarometer?

Temperatur => Ausdehnung des Quecksilbers, Verringerung der Dichte; Höhe;

Hydrostatisches Gleichgewicht

Was ist es?

Gleichgewicht zwischen Gewichtskraft und Auftriebskraft

Unter welchen Annahmen gilt es?

wenn keine Beschleunigung wirkt, d.h. Luft ruhend

Barometrische Höhenformel?

mit der Skalenhöhe (in der Troposphäre ca. 7350 m)

Schwerkraft

Breitenabhängigkeit der Erdbeschleunigung?

Am Pol ist die Erdbeschleunigung am stärksten (ca. 9,82 m/s2), am Äquator am geringsten (ca. 9,78 m/s2).

Geopotenzielle Höhe?

Geopotenzial: ; geopotenzielle Höhe = Geopotenzial dividiert durch Erdbeschleunigung, ergibt Gravitationspotenzialflächen

Abhängigkeit des Luftdrucks von der Erdbeschleunigung?

Reduktion auf des Luftdrucks auf NN

in die barometrische Höhenformel die Höhe und die virtuelle Temperatur einsetzen (virtuelle Temperatur, statt die Gaskonstante anzupassen)

Schichtdickenlinien bei einem Tiefdruckgebiet

Wofür Messung des Luftdrucks?

Zur Erstellung einer Bodenwetterkarte, auf der man dann Hochs und Tiefs erkennen kann.

Was kann man aus den Isobaren herauslesen?

wo ein Tief/Hoch ist, Schichtdicken, Windgeschwindigkeiten (aus Isobarenabstand)

Temperatur und Wärme

Temperaturmessung

Temperaturdefinitionen

Was ist Temperatur?

die mittlere kinetische Energie von Atomen/Molekülen

Was ist die Äquivalenttemperatur?

Die Temperatur, die sich einstellt, wenn das gesamte Wasser auskondensiert ist (d.h. die Luft erwärmt sich durch die latente Wärme).

Was ist die virtuelle Temperatur?

Temperatur von trockener Luft, die die gleiche Dichte wie die interessierende feuchte Luft hat

Wofür benutzt man die virtuelle Temperatur?

Um mit der Gaskonstante für trockene Luft rechnen zu können.

potenzielle Temperatur

feuchtpotenzielle Temperatur: Temperatur eines Luftpakets, das feuchtadiabatisch auf 1000 hPa gebracht wird

pseudopotenzielle Temperatur: Temperatur eines Luftpakets, bei dem die Feuchtigkeit zuerst vollständig auskondensiert und das anschließend trockenadiabatisch auf 1000 hPa gebracht wird

Temperaturgradienten: trocken, feucht?

trocken: 1 K/100 m; feucht: 0,6 K/100 m

Temperaturempfinden

Was ist die Abkühlungsgröße?

Sie beschreibt das Empfinden von Wärme und Kälte durch einen Wärmestrom vom Körper weg; ein Wärmeverlust von 700 W/m2 empfindet man als kalt, einen Wärmeverlust von 100 W/m2 als warm.

Wie kann man sie vergrößern/verkleinern?

vergrößern: Belüftung, Feuchtigkeit => Verdunstung (es wird zusätzlich latente Wärme verbraucht), weniger Isolation (= Kleidung)

Ist das Wärmeempfinden des Menschen gleich der Temperatur?

Nein, es ist gleich der Energiebilanz (Wärmeaufnahme vs. Wärmeabgabe), und diese hängt nicht nur von der Temperaturdifferenz Körper–Umgebung ab.

Wärmeströme

Wie bestimmt man den Bodenwärmestrom? Wie den Strom fühlbarer Wärme?

Warum gelangt fühlbare und latente Wärme nicht in den Weltraum?

Diese Wärmeströme sind materiegebunden; da es keine Massenströme in den Weltraum hinaus gibt, kann diese Wärme nicht dorthin entweichen.

Welcher Wärmestrom überwiegt?

fühlbare Wärme überwiegt

meridionale Transporte, beteiligte Substanzen

Wind, Meeresströmungen

Was ist Umwälzzeit?

Die durchschnittliche Zeit, die ein Teilchen in einer Zirkulation benötigt, bis es einen Umlauf vollendet hat.

Ursachen für die Wärme im Erdinneren?

Vor allem radioaktiver Zerfall (v.a. in der Erdkruste), außerdem latente Wärme (der Erdkern friert aus), gravitatives Absinken schwerer Bestandteile etc.

Vergleich Einstrahlung und Wärmeerzeugung im Erdinneren

Die Einstrahlung dominiert deutlich (ca. 2 Größenordnungen höher).

Bodentemperatur, Temperaturprofil

exponentielle Abnahme der Temperaturschwankungen mit der Bodentiefe, außerdem Phasenverschiebung; in 3 m Tiefe sind die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen um ca. ein halbes Jahr verschoben (d.h. im Winter ist es dort am wärmsten)

Wärmehaushaltsgleichung an der Erdoberfläche?

Energieausgleich

Wind

Corioliskraft

Was ist die Corioliskraft?

Eine Scheinkraft, die Körper in einem rotierenden System ablenkt, wenn sie sich der Drehachse nähern oder sich von dieser entfernen (d.h. wird mit zunehmender geographischer Breite größer). Stärke abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Systems und der Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers:

Hat sie auf Land-/Seewind Einfluss?

Nein, da die zurückgelegte Strecke zu klein ist (die Corioliskraft macht sich nur auf großen Entfernungen bemerkbar).

Thermischer Wind

Definition?

barotrop, baroklin, äquivalent barotrop

Wie dreht er bei Kaltluftadvektion mit der Höhe?

Wieso zyklonal?

Wieso mit Höhe zunehmend geostrophisch?

Geostrophischer Wind

Entstehung?

Gleichgewicht zwischen Druckgradientkraft und Corioliskraft

Was passiert, wenn man Reibung nicht vernachlässigt?

Dann ist die Strömung nicht mehr parallel zu den Isobaren, sondern die Luft strömt in Richtung des geringeren Luftdrucks, das Tief füllt sich auf.

Ekman-Schicht? Prandtl-Schicht?

Jetstream

Was ist Gradientwind?

Warum ist der Betrag des Gradientwind beim Hoch begrenzt, nicht aber beim Tief?

Was ist Kaltluftadvektion?

kalte Luft wird herantransportiert

Was ist eine Front?

eine Luftmassengrenze

Land-/Seewind?

Land hat eine geringere Wärmekapazität als Wasser, darum erwärmt es sich schneller und kühlt schneller ab. Wegen der dadurch entstehenden Temperaturunterschiede zwischen Land und Wasser sinkt die Luft tagsüber über dem Meer ab, strömt zum Land und steigt dort auf; nachts ist es umgekehrt.

Wolken und Feuchte

Wolken

Typen von Wolken?

Vorkommen?

Wolkenbildung: Hebungsmechanismen, Kondensation?

Feuchte

Feuchtemaße?

Dampfdruck e, Sättigungsdampfdruck E, relative Feuchte f, relatives Sättigungsdefizit (1 – f), spezifische Feuchte s, absolute Luftfeuchtigkeit a, Mischungsverhältnis mf

Wovon ist die relative Feuchte abhängig?

Temperatur, Oberflächenform

Brunt-Väisälä-Frequenz

Was?

Schwingungsfrequenz der vertikalen Schwingung von Luftpaketen, z.B. erkennbar an Altocumulus lenticularis

Warum?

Aufstieg von Luft => kühlt ab => sinkt ab => erwärmt sich => steigt auf

Wann stabil?

Funktioniert nur bei stabil geschichteter Atmosphäre; je stabiler, desto höher ist die Frequenz (Periodendauer im Bereich von Sekunden bis Minuten), bei isothermer Atmosphäre (= stabil!) beträgt die Periodendauer etwa 6 Minuten.

Hebungskondensationsniveau

Definition

Man betrachtet ein feuchtes Luftpaket; das HKN ist die Höhe, in der die Feuchtigkeit beginnt, auszukundensieren, d.h. beim Aufstieg dieses Luftpakets bilden sich in dieser Höhe Wolken.

Konstruktion im Tephigramm

Warum verwendet man bei der Konstruktion die Sättigungsmischungsverhältnislinie?

Weiterer Aufstieg eines Luftpakets nach dem Hebungskondensationsniveau?

trockenadiabatisch

Was passiert, wenn überschüssiges Wasser in der Wolke bleibt und nicht als Regen ausfällt?

Arten von Nebel, Entstehung

Strahlungsnebel: Boden kühlt durch Strahlung aus, warme Luft kondensiert über kaltem Boden; Advektionsnebel: warme Luft wird durch Advektion zum kalten Boden transportiert – bei Bodenturbulenz kann die Abkühlung bis in größere Höhen reichen, es bildet sich Hochnebel

Was ist Seerauch?

Nebel über Wasserflächen: kalte Luft über warmem Wasser; die unteren, vom Wasser erwärmten Schichten steigen auf, kühlen schnell ab und kondensieren wieder => die Wasserfläche scheint zu rauchen

Aufstieg von Luft

Wann und warum steigt ein Luftpaket auf?

durch Dichteunterschied: trockenadiabatisches Aufsteigen bis HKN, dann feuchtadiabatisch; erzwungen: orographisches Aufsteigen

Wolkenbildung?

Wenn das Hebungskondensationsniveau erreicht ist.

Stabile/instabile Schichtung?

Stabil: Luft größerer Dichte ist unter Luft kleinerer Dichte; instabil: Luft kleinerer Dichte ist unter Luft größerer Dichte

Schichtung in der Atmosphäre, Gründe?

Troposphäre: instabil geschichtet, da Wärmezufuhr v.a. vom Erdboden (fühlbare Wärme); Stratosphäre: stabil geschichtet, da Wärmezufuhr im oberen Bereich durch Reaktion der Strahlung mit dem Gas (Ozonschicht!); Mesosphäre: Wärmezufuhr von unten (Ozonschicht), daher instabil geschichtet; Thermosphäre: im oberen Bereich absorbieren die dortigen Gasatome Sonnenstrahlung, d.h. stabile Schichtung

Adiabatischer Aufstieg?

Aufstiegsbewegung ohne Energieaustausch mit der Umgebung, d.h. das Luftpaket dehnt sich beim Aufstieg aus (Volumenarbeit) und kühlt dabei ab (Verlust an Wärmeenergie).

Föhn

Entstehung?

Luft wird an einem Gebirge feuchtadiabatisch gehoben, die Kondensation des Wasserdampfs liefert Wärme, das Wasser regnet schließlich ab, weiterer trockenadiabatischer Aufstieg, hinter dem Gebirge trockenadiabatisches Absinken (da keine Verdunstung mehr stattfindet, ist die Luft danach deutlich wärmer als auf der anderen Seite).

Typische Merkmale?

Regen auf der Luvseite des Gebirges, Warmluft auf der Leeseite sowie geringe Luftfeuchtigkeit und sehr gute Fernsicht (da Wasser samt Aerosolen aus der Luft entfernt sind; außerdem kommt es zu einer instabilen Schichtung, durch die das Licht so gebrochen wird, dass man mehr um die Erdkrümmung herum schauen kann)

Höhe der Föhnwellen?

Schwingungsgleichung?

Leewellen-Wolken?

stationäre, orographische Wolken (Luft schwingt nach Strömung über ein Gebirge; dort, wo sie über dem HKN ist, bilden sich linsenförmige Wolken)

Niederschlagsbildung

Niederschlagsbildung (Theorien, Größe der Aerosol- und Niederschlagstropfen)

u.a. Sättigungsdampfdruck über Eis ist niedriger als über unterkühltem Wasser

Wieso gibt es in der Natur max. 101% Luftfeuchtigkeit, statt mehrere 100% wie im Labor?

Weil in der Luft Kondensationskeime vorhanden sind, die die Kondensation erleichtern; nur in sauberer Luft sind hohe Übersättigungen (bezogen auf die ebene Wasserfläche) möglich.

Aerosole:

Was sind Aerosole?

Teilchen in der Größenordnung µm; < 0,2 µm heißen Aitkenteilchen

Wie sind sie zusammen gesetzt?

Größenverteilung, mit welchen Formeln annäherbar?

sehr viele kleine Teilchen, wenige große; von der Masse her dominieren allerdings die großen Teilchen

Wirkung von Aerosolen als Kondensationskeime

Krümmungseffekt

Je stärker die Oberfläche eines Tropfens gekrümmt ist (d.h. je kleiner der Tropfen ist), desto höher ist der Sättigungsdampfdruck über dieser Oberfläche.

Lösungseffekt

Wenn das Aerosolteilchen wasserlöslich ist, senkt es den Sättigungsdampfdruck über dem Wassertropfen. Je besser die Löslichkeit, desto geringer der Sättigungsdampfdruck.

Was ist Feinstaub?

Feine, unsichtbare Staubpartikel, die v.a. bei Verbrennungsvorgängen entstehen (Dieselmotoren).

Warum ist Feinstaub ins Gerede gekommen?

Weil diese gesundheitsschädlichen Partikel so fein sind, dass sie von den Atemwegen nicht mehr herausgefiltert werden können und so bis in die Lungenbläschen vordringen können. Wenn insgesamt viel Staub in der Luft ist, lagern sich die Feinstaubpartikel an den gröberen Partikeln an und werden aus der Luft entfernt, reiner Feinstaub hält sich dagegen länger in der Luft.

Zählt Feinstaub auch zu den Aerosolen?

ja

Unterschiede bei kalten und warmen Wolken

warm: Kondensation an Keimen, Kollision, Koaleszenz; kalt: Koagulation, Adhäsion, Resublimation

Gewitter

Entstehung

Luftelektrizität/luftelektrisches Feld; Schönwetterfeld; Luftaufstieg als Generator, Ladungstrennung; Erde/Wolken als Kondensator; Ionosphäre

Luftmassengewitter (Frontgewitter, squall lines)

Gewitter durch die erzwungene schnelle Hebung von Luft an einer Kaltfront

Was ist ein Wärmegewitter?

Gewitter durch die schnelle Hebung bei starker Erwärmung des Erdbodens

Was bewirkt der Regen bei einem Gewitter?

Zum einen bremsen die fallenden Regentropfen die aufsteigende Luft ab (Turbulenzen), zum anderen kühlt das Wasser den Erdboden ab, wodurch Luft nicht mehr so stark aufsteigt. Daher können nur solche Gewitter längere Zeit „leben“, bei denen Niederschlags- und Luftaufstiegszone getrennt sind.

Klima

Klimavergleiche

Vergleich Jahrestemperatur Hamburg und nördl. Eismeerhafen

Unterschiede Klima Sibirien/Westeuropa (bei gleicher Breite)

Sibirien: kontinentaler, d.h. größere Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter, weniger Niederschlag

Erdbewegung

Wie entstehen Jahreszeiten?

Cosinusgesetz, Exzentrizität der Erdbahn, Eiszeiten

Gründe für die Schwankung der Solarkonstante

Elliptizität der Erdachse (+ Schwankungen der Elliptizität), Variationen in der Sonnenaktivität usw.

Milankovich-Periode, Eiszeiten?

Präzession der Erdachse, Periodendauer 25700 Jahre

ENSO-Mechanismus

El-Niño-Southern-Oscillation: Normalerweise treibt der Passatwind das kalte Wasser des Humboldtstroms (fließt aus der Antarktis kommend parallel zur Küste Südamerikas) nach Australien => dort erhöhter Wasserspiegel, kaltes Wasser führt zu Niederschlägen; bei El Niño ist dieser Vorgang gestört => kaltes Wasser bleibt in Südamerika, erhöhte Regenfälle führen dort zu Überschwemmungen, Dürre in Südostasien; benannt nach dem Christkind, da die Auswirkungen zur Weihnachtszeit (= ein halbes Jahr nach Ausbleiben der Passatwinde) am stärksten sind

Was ist der Treibhauseffekt?

Die Erde empfängt Sonnenstrahlung im solaren Spektralbereich und strahlt diese Energie im terrestrischen Spektralbereich wieder ab. Wäre die Erdoberfläche im reinen Strahlungsgleichgewicht, würde eine globale Durchschnittstemperatur von ca. -15 °C herrschen; die Atmosphärengase absorbieren aber im infraroten Bereich und strahlen einen Teil der Energie zurück auf die Erde (d.h. vermindern die terrestrische Abstrahlung in den Weltraum), diese zusätzliche Einstrahlung erhöht die Durchschnittstemperatur um ca. 30 °C.

Klimazonen

Wodurch werden Klimazonen primär bestimmt?

Vom Einstrahlungswinkel der Sonnenstrahlung.

Wieso keine reine Breitenabhängigkeit?

Gibt es auch eine Einteilung der Klimazonen anhand der vorkommenden Vegetation?

ja, z.B. sind so die Klimazonen in Gebirgen gut erkennbar

Obere Atmosphäre

Stoffzusammensetzung der Atmosphäre

78% Stickstoff, 20% Sauerstoff, 0,9% Argon, 0,03% Kohlendioxid, Edelgase, Wasserdampf

Warum ist die Stratopause in 50 km Höhe und nicht in 20 km (wo das Ozonmaximum ist)?

sie ist am Wendepunkt der Temperaturkurve (z-T-Diagramm)

Ionosphäre, Thermosphäre

Warum sind die Teilchen dort so schnell?

große freie Weglänge

Was misst ein Thermometer dort?

Wegen der geringen Teilchendichte wird wenig Energie auf das Thermometer übertragen, daher zeigt dieses eine geringe Temperatur an. Das Thermometer misst die Gleichgewichtstemperatur zwischen Wärmeleitung (= niedrig, da wenige Teilchen) und Abstrahlung, nicht aber die durchschnittliche kinetische Energie pro Teilchen.

Wie misst man die Temperatur richtig?

z.B. aus der Strahlung (Wiensches Verschiebungsgesetz)

Warum wird ein Satellit dort nicht so heiß?

analog zum Thermometer

Magnetosphäre?

Welche Ionen gibt es über 500 km Höhe?

H-Ionen (Protonen)

Atmosphärenrand

Massenbilanz am oberen Atmosphärenrand?

raus: Wasserstoff, Helium; rein: solare/kosmische Partikelstrahlung, Staub, Meteoriten

Zusammenhang zwischen Fluchtgeschwindigkeit und Masse der Teilchen?

Bei gleicher Temperatur (d.h. gleicher kinetischer Energie) haben Teilchen mit geringer Masse eine höhere Geschwindigkeit

Wie kommt Helium in die Atmosphäre?

radioaktiver Zerfall von Uran und Thorium bildet Alphateilchen, durch Aufnahme von Elektronen entsteht Helium

Reichert sich Helium in der Atmosphäre an?

nein, es verschwindet in den Weltraum

Ozonbildung?

UV-Strahlung spaltet Sauerstoff-Moleküle in einatomige Sauerstoff-Radikale; diese reagieren mit anderen Sauerstoff-Molekülen zu Ozon, welches ein anderes Absorptionsverhalten als Sauerstoff hat und deshalb Energie aus jenen Wellenlängenbereichen absorbieren kann, für die der Sauerstoff transparent ist (Wirkung als Treibhausgas).

Wolken

Gibt es oberhalb der Troposphäre Wolken?

Ja, erstens die leuchtenden Nachtwolken in der Mesosphäre (möglich, da dort instabile Schichtung), zweitens die PSC (polar stratospheric clouds).

Rolle der PSCs?

Diese Wolken bilden sich in der Polarnacht und enthalten Chlor; dieses wird im Frühling schlagartig als atomares Chlor freigesetzt, welches Ozon zerstört – daher das schnelle Wachstum des Ozonlochs im jeweiligen Frühling.

Strahlung

Woher kommt die elektromagnetische Strahlung?

Im solaren Spektralbereich von der Sonne, im terrestrischen Spektralbereich von der Erde bzw. von Wolken (Schwarzkörperstrahlung der jeweiligen Objekte).

Einstrahlung auf die Erde, Atmosphäreneinfluss

Ausstrahlung, Spektralbereich, Mechanismen

Unterschied zwischen Temperaturprofil der Stratosphäre und einer Atmosphäre im Strahlungsgleichgewicht?

In der Stratosphäre herrscht eine stabile Schichtung, die Temperatur nimmt von unten (Tropopause) nach oben (Stratopause) zu. In einer Atmosphäre mit Strahlungsgleichgewicht strahlt jede Schicht gleichmäßig nach oben und unten, da aber die Energiezufuhr ausschließlich von unten erfolgt (Gase absorbieren v.a. im terrestrischen Spektralbereich, der von der Erdoberfläche ausgesandt wird), würde die Temperatur dann von unten nach oben abnehmen.

Wärmebilanzgleichung

; : Strahlungsbilanz; : Verdunstung; : Wärmestrom nach innen; : fühlbare Wärme;

Rolle von Wolken, cloud forcing

Cloud forcing ist der Einfluss der Wolken auf die Energiebilanz am Oberrand der Atmosphäre; Wolken erhöhen die Albedo (im Vergleich zu Clear Sky Climatology), aber erwärmen auch die Erde.

solare Eintrahlung: Menge, Umsetzung

Solarkonstante: 1367 W/m2

Breitenabhängigkeit der Strahlungsbilanz

Kosinus-Gesetz

Strahlungsbilanz am oberen Rand der Atmosphäre?

Gleichgewicht zwischen solarer Einstrahlung und terrestrischer Ausstrahlung

Photonenschicksale in der Atmosphäre

Absorption, Emission, Reflexion, Ionisationsprozesse

Strahlungsbilanz eines Satelliten, Gleichgewichtstemperatur?

6°C

Warum strahlt die Atmosphäre nach unten stärker als nach oben?

unten: Emission und Reflexion terrestrischer Strahlung; oben: nur Emission, keine Reflexion, da von dort keine terrestrische Strahlung kommt

atmosphärische Gegenstrahlung

Strahlung der Atmosphäre (im terrestrischen Spektralbereich)

Solarkonstante: warum ist ¼ das globale Mittel?

Empfangen wird die Sonnenstrahlung mit der Projektion der Erdkugel auf die Strahlungsrichtung = Kreisfläche. Die Erdoberfläche ist jedoch eine Kugeloberfläche und 4-mal so groß wie die Querschnittsfläche der Erde, daher ist das Mittel der Strahlungsleistung nur ein Viertel.

Welche Gase absorbieren?

Alle Gase, aber in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, welche sich auch teilweise überlagern.
UV: Ozon; terrestrisch: Kohlendioxid, Wasserdampf, Ozon, Methan, sonstige Treibhausgase

Fenster der Atmosphäre?

Ein atmosphärisches Fenster ist ein Wellenlängenbereich, in dem die Gase kaum absorbieren. Beispiel: bei solarer Strahlung im optischen Spektralbereich, bei terrestrischer Strahlung bei 10 µm;

Was geschieht alles mit der eingestrahlten Energie?

Temperaturverlauf in der mittleren und höheren Atmosphäre, Gründe dafür

Strahlungsabsorption

Sondierung im terrestrischen Spektralbereich

Strahlungsbilanz

Was ist das?

Summe aller einfallenden und ausgesandten Strahlungsleistungen

Übers Jahr und über die ganze Erde gemittelt?

Die Erde steht im Strahlungsgleichgewicht, daher ist das Gesamtmittel Null.

Vom Pol zum Äquator?

Der Äquator empfängt mehr Strahlungsleistung als er emittiert, beim Pol ist es umgekehrt. Die Differenz wird durch Massetransporte (Wind, Meeresströmungen) vom Äquator zu den Polen transportiert.

Thermodynamik

Hauptsätze

1. Hauptsatz

Energie kann nur umgewandelt, nicht erzeugt werden:

2. Hauptsatz

Wärme ist nicht vollständig in Arbeit umwandelbar, die Entropie nimmt niemals ab:

3. Hauptsatz

Nernstsches Theorem: Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden.

thermodynamische Gleichungen

Sonstiges

Vegetationsindex

Prinzip der Fernerkundung

Strahlungsmessung

Bestimmung von L,V (Sverdrup)

Extinktionsmethode

energetische Verdunstungsformel

Elektrodeneffekt

Wozu Strahlungsschutz beim Assmann-Psychrometer?

Strahlung verfälscht die Messung

Experimentalphysik

Atomphysik

Woher kennt man den Aufbau der Atome?

Rydberg-Atome, Größenmessung

Rydberg-Atom = sehr hoch angeregtes Atom, dessen Radius entsprechend extrem angewachsen ist; das angeregte Elektron sieht nur eine abgeschirmte Kernladung

Moseley-Gesetz

Rydberg-Konstante

Atomuhr

Wie funktioniert sie?

genutzt wird ein Hyperfeinstrukturübergang von Cs-133

Wieso m_F=0 Niveaus?

Atomsekunde, kosmische Sekunde, Schaltsekunde

Zeeman-Effekt

Paschen-Back-Effekt

Woher stammen die Elemente schwerer als Fe-56?

Aus Supernovae-Explosionen. Elemente leichter als Fe-56 können durch Fusion entstehen, weil dieser Vorgang exptherm ist; schwerere Elemente dagegen benötigen Energie, um erzeugt zu werden. Bei einer Supernova kollabiert ein Stern gravitativ (nachdem die Fusion zum Erliegen gekommen ist), dabei werden die Elektronen in den Kern gedrückt, es entsteht ein Neutronenstern. Die schweren Elemente werden also „gravitativ zusammengebacken“.

Unterschied zwischen Sonnen- und Supernovaneutrinos?

Was ist Entropie?

Gasentladung, Leuchtstoffröhre

Heliumspektrum: warum keine S=0 zu S=1-Übergänge?

LS-Kopplung: Verbot von Übergängen Triplett-Singulett

Wieso gibt es keine verbotenen Übergänge mit Delta L ungleich 1 bei Atomen, jedoch bei Kernübergängen?

21-cm-Linie des Wasserstoffatoms

Hyperfeinstrukturübergang im Grundzustand

Schalenmodell für Atome: Rutherford, Bohr, Dirac

Rutherford: Streuversuch => schwere Kerne, die die positive Ladung und Masse versammeln; Bohr: diskrete strahlungsfreie Elektronenbahnen; Dirac: Materiewellen, Orbitale, Aufenthaltswahrscheinlichkeit

Radioaktivität

radioaktiver Zerfall

spontane Kernspaltung und Potenzialtopf

Zerfallsreihen

Thorium, Neptunium, Uran, Actinium

Alpha- und Beta-Zerfall, Massenbetrachtungen

Alphazerfall: Massenverlust (4 u); Betazerfall: kein Massenverlust (Umwandlung zwischen Proton und Neutron)

Warum zerfällt ein freies Neutron, warum nicht im Kern?

Lebensdauer von Protonen?

unendlich

Antineutrino?

Oklo-Reaktor:

Wie hat er funktioniert?

Einsickerndes Regenwasser wirkt als Moderator und ermöglicht die Kernspaltung in der Uranlagerstätte.

Wodurch Regelung?

Nachdem der Reaktor so heiß geworden ist, dass das Wasser verdampft ist, fehlte der Moderator, die Kernspaltung kam zum Erliegen.

Wie wurde er entdeckt?

Auffällig war, dass, umso höher der Gesamt-Uran-Gehalt im Gestein war, desto stärker war das U-235 im Vergleich zu U-238 abgereichert => es war verbraucht worden.

Kerne und Teilchen

Einteilung der Elementarteilchen

Leptonen und Hadronen

Detektoren, Linear- und Zirkularbeschleuniger (Synchronisation?)

schwache Wechselwirkung

kurzreichweitig (wie die starke Wechselwirkung), um den Faktor 1000 schwächer als die starke WW, sehr massereiche Austauschbosonen (W, Z)

leptonische und semileptonische Wechselwirkung

Prozesse ohne Beteiligung von Leptonen

starke Wechselwirkung, Reichweite

Rutherford-Versuch, Streuquerschnitt, Formfaktor

Neutronenstreuung

Neutrinonachweis

Messung der Elementarladung

Milikan-Experiment

Pion: Messung von Ladung, Masse, Spin; Mott-Streuung; Zerfall Pion zu Myon;

Parität, Paritätsverletzung

Funktionsweise eines Kernspintomographen

Proton im Magnetfeld: wirkendes Drehmoment und Energiedifferenzen der Einstellungsmöglichkeiten

Kernmagneton: Größenordnung, Vergleich mit Bohrschem Magneton

Größenordnung 1/1000 des Bohrschen Magnetons

Wechselwirkung Photon-Atom: Photoeffekt, innerer Photoeffekt, Auger-Effekt, Einsteinformel, Compton-Effekt, Paarbildung, Streuung, Rayleigh-Streuung, spontane und erzwungene Emission

Kernfusion

kalte Fusion

Laserfusion

Plasmafusion

Coulomb-Wall

Lawson-Kriterium

Warum funktioniert Fusion H+H auf der Sonne aber nicht auf der Erde?

Die Fusion passiert nur sehr selten, daher ist sie in der Sonne nur möglich, weil dort gigantische Mengen an Wasserstoff vorhanden sind, so dass in der Summe viele Fusionen zusammen kommen; auf der Erde in kleinem Maßstab funktioniert das aber nicht.

Kernspaltung

Warum U-235 statt U-238?

gerade Neutronenzahl => beim Zerfall muss zusätzlich die Paarungsenergie überwunden werden => bei U-238 sind schnelle Neutronen zur Spaltung nötig, allerdings ist bei schnellen Neutronen der Wirkungsquerschnitt geringer als bei thermischen Neutronen

Zerfallsarten

Z-N-Diagramm, magische Zahlen

magische Kerne = Kerne mit abgeschlossenen Protonen- oder Neutronenschalen; doppelt magische Kerne = Protonen- und Neutronenschale ist abgeschlossen

Wie viele stabile Nuklide gibt es?

Es gibt ca. 110 Elemente; wenn jedes davon ca. 3–4 stabile Isotope hat, kommt man auf etwa 350 stabile Nuklide.

Steuerung des Reaktors, verzögerte Neutronen

Ein geringer Anteil der bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen wird nicht sofort (im Nanosekunden-Bereich) frei, sondern erst verzögert (ca. Sekunde). Ein mit prompten Neutronen überkritischer Reaktor ist nicht steuerbar, da die Kettenreaktion zu schnell abläuft; auf die verzögerten Neutronen kann man mit den Steuerstäben (die ein Neutronengift wie Bor enthalten) dagegen gut reagieren => Ziel ist es, den Reaktor für prompte Neutronen unterkritisch zu halten und die Kritikalität durch verzögerte Neutronen herzustellen.

kritische Masse, Wirkungsquerschnitt

Warum sind Atome mit Z > 50 stabil?

Quarks: Farbladung, Quarkeinschluss, Baryonen und Mesonen, wie lässt sich die negative Parität aus der Quarkstruktur erklären?, Eichbosonen

Austauschteilchen

Vektorbosonen: EM = Photonen; starke Wechselwirkung = Gluonen; schwache Wechselwirkung = Z0- und W+--Bosonen; Gravitation = Gravitonen;

Quantenzahlen: Wasserstoffatom im Grundzustand, He- und H-Termschema, Singulett, Triplett, Interkombinationsverbot, Strahlungsübergänge

Deuteron: Bindungsenergie, Spin und Isospin für D, D-Proton und D-Neutron

Isospin = Spin von Proton und Neutron => Isotope haben wegen des Isospins unterschiedliche Kernspins

Feinstruktur und Hyperfeinstruktur; Größenordnung der Aufspaltung

Feinstruktur durch Spin-Bahn-Kopplung, Hyperfeinstruktur durch Spin-Kernspin-Kopplung; Feinstruktur ist ca. 1000-mal größer als Hyperfeinstruktur

Lamb-Shift

Aussendung virtueller Photonen => Energieniveauverschiebung

Stern-Gerlach-Versuch

Warum inhomogenes Feld?

damit die magnetisch unterschiedlich ausgerichteten Atome auseinander gezogen werden

Warum nicht mit einem Elektronenstrahl?

man benötigt eine Präzessionsbewegung; Elektronen würden sich einfach nach dem Feld ausrichten

Warum strahlt ein beschleunigtes Teilchen?

Beschleunigung = Schwingung oder Kreisbewegung (in Projektion = Schwingung) => Hertzscher Dipol

Röntgenquellen

Bremsstrahlung (Abbremsung und Ablenkung von Elektronen im Kernfeld, kontinuierliches Spektrum), Rekombination von kernnahen Elektronenschalen (charakteristische Strahlung, diskrete Energieniveaus), optische Anregung

natürliche Linienbreiten für Röntgenstrahlung

Mößbauer-Effekt

Tröpfchenmodell des Kerns

Dichte des Kerns ist weitgehend konstant, d.h. unabhängig von der Massen- oder Kernladungszahl, genauso wie die Dichte in einem Wassertropfen konstant ist, unabhängig von dessen Größe

Symmetrieterm

Massendefekt

Bindungsenergie und Potenzial der Nukleonen im Kern: Bindungsenergie pro Nukleon, warum haben nicht alle Kerne die maximale Bindungsenergie?

Potenzial bei der Annäherung zweier Kerne

zuerst Coulombpotenzial 1/r2; dann wirken die Kernkräfte => Potenzialtopf

Strahlung: Hohlraumstrahlung, Planck, Rayleigh-Jeans, UV-Katastrophe, Messung der Strahlungsverteilung

Quantenmechanik, Gründe dafür: Photoeffekt, Strahlungsgesetz, Wärmekapazität der Festkörper

Welle-Teilchen-Dualismus

Massenspektrometer; Messung der Massen von instabilen Kernen und Neutronen?

Massenspektrometer verwenden ein elektrisches Feld als Energiefilter und ein Magnetfeld als Impulsfilter

Bethe-Bloch-Formel

Festkörperphysik

Bändermodell: Isolator, Halbleiter, Metall, Supraleitung; Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur; dotierte Halbleiter; pn-Übergang;

Supraleitung:

Sprungtemperatur

Cooper-Paare

Elektronen verbinden sich zu Paaren => sind Bosonen statt Fermionen, können somit alle im Grundzustand sein

Hochtemperatursupraleiter

z.B. YBCO

Solarzelle, Fermi-Energie

Bragg-Reflexion: Röntgenstreuung, elastisch/inelastisch, Absorption/Emission/Reflexion

Wellenausbreitung im Festkörper: diskrete Energien, Gitterstruktur

Geophysik

Kernfusionsmechanismen auf der Sonne: pp- und CNO-Zyklus

pp-Zyklus: Protonen fusionieren nacheinander zu Helium

CNO-Zyklus: Kohlenstoff fusioniert mit Wasserstoff zuerst zu Stickstoff und dann zu Sauerstoff, dieser zerfällt mit einem Alpha-Zerfall (= Helium) wieder zu Kohlenstoff => Kohlenstoff dient als Katalysator

Solarkonstante

Verteilung der Radioaktivität im Erdinneren

Wärmeproduktion: Verhältnis Auskristallisation/Radioaktivität? Wie schnell würde Erde abkühlen ohne Radioaktivität?

Wärmeleitungsgleichung

Konvektion: Rayleighzahl, chaotische Konvektion, Bernarzelle

Warum finden sich die radioaktiven Elemente v.a. im Erdmantel? Uran hat eine extrem hohe Dichte, daher müsste es auf jeden Fall absinken. Was für eine Dichte hat Pechblende? Was ist Pechblende?

Pechblende ist UO2 und hat eine Dichte von ca. 10 g/cm3 (d.h. halb so groß wie von reinem Uran)

radioaktive Atome sind sehr groß und lassen sich darum schlecht in ein Kristallgitter einbauen, d.h. sie finden sich eher in der Schmelze, mit der sie an die Erdoberfläche transportiert werden

Aufbau der Erde; Druck und Temperatur

Phasendiagramm eines Minerals und von Wasser

kosmische Strahlung: Primär- und Sekundärstrahlung; Detektoren;

Warum ist die Erde rund? Viskosität, Äquipotenzialflächen der Gravitation, Kugelflächenfunktionen, Abweichung von der Kugelgestalt

Mondfrequenz

Gezeiten: Richtung des Drehimpulses, Gezeitenreibung, Verlangsamung der Erdrotation, was macht es für einen Unterschied ob sich der Mond gleich oder entgegengesetzt wie die Erde rotiert?

Drehimpulsvektor? Drehimpulserhaltung => Mond entfernt sich von Erde

Messung seismologischer Wellen

Christoph Moder

2005-03-15T15:13:52