Supraleitendes Gravimeter - Institut für Geophysik - Universität ...

Ein
Supraleitendes Gravimeter
für das
Geowissenschaftliche Gemeinschaftsobservatorium
der Universitäten Karlsruhe und Stuttgart
(BFO)
Inhalt
1. Formaler Antrag
2. Wissenschaftliche Begründung
3. Wissenschaftliche Lebensläufe
4. Betriebs- und Nutzungskonzept
5. Angebot vom Hersteller
6. Empfehlungsschreiben
7. Sonderdrucke
Schiltach, August 2007

Supraleitendes Gravimeter (OSG CT40) in Walferdange, Luxemburg.
Dieses Gerät ist vergleichbar mit dem hier beantragten Gravimeter.

Bundesland: Baden-Württemberg
DFGVordruck
Antrag für Forschungsgroßgeräte
nach Art. 91 b GG
Bitte für jedes Großgerät einen eigenen Antrag vorlegen
Hochschule: Universitäten Karlsruhe und Stuttgart
Hochschulort: Karlsruhe und Stuttgart
1. Firmenneutrale Standardbezeichnung des Gerätes
Supraleitendes Gravimeter
2. Art der Beschaffung
Zutreffendes bitte ankreuzen
2.1 Gerät mit Kosten bis 5 Mio. EUR: Neubeschaffung x
2.2 Gerät als Bestandteil eines Forschungsbaus *
2.2.1 Bezeichnung des Bauvorhabens
2.3 Fach oder Arbeitsrichtung in der Forschung, für die das Gerät weit überwiegend eingesetzt werden soll
Geodäsie und Geophysik
Bitte detaillierte Angaben gemäß Hinweisen zum Antrag für Forschungsgroßgeräte als Anlage beifügen
3. Zweckbestimmung und Nutzung des Gerätes
3.1 Hochschuleinrichtung, von der das Gerät betrieben werden soll (Institut, Klinik, Fachbereich, zentrale Einricht.):
Geowissenschaftliches Gemeinschaftsobservatorium der Universitäten Karlsruhe und Stuttgart (BFO)
3.2 Leiter der Arbeitsgruppe (federführend), die das Gerät überwiegend nutzen soll, und seine Dienstanschrift
Titel, Amtsbezeichnung Vorname Name
Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c Bernhard Heck
Postleitzahl Ort Straße
76131 Karlsruhe Englerstrasse 7
Institut, soweit nicht wie 3.1 Telefon (mit Vorwahl)
Geodätisches Institut, Universität Karlsruhe 0721 608 3674
* Falls ein Einsatz für Lehre/Ausbildung und oder Krankenversorgung vorgesehen ist, bitte eine Begründung entsprechend Antrag für
Großgeräte für die Forschung, Ausbildung/Lehre und Krankenversorgung beifügen.

3.3 Von welchen Einrichtungen derselben oder einer anderen Hochschule bzw. welchen außeruniversitären
Einrichtungen soll das Gerät ggf. mitbenutzt werden (Institut, Klinik, Fachbereich, zentrale Einrichtung,
Sonderforschungsbereich u.ä.)?
Nutzungsanteil
1.entfällt %
2. %
3. %
... %
3.4 Leiter der in Betracht kommenden Arbeitsgruppen
zu 1. entfällt
zu 2.
zu 3.
...
Titel, Amtbezeichnung Vorname Name
4. Kurzfassung der Begründung (maximal 15 Zeilen)
Von der Beschaffung eines Supraleitenden Gravimeters (SG) erwarten wir wesentiche Fortschritte bei: (1) der
Untersuchung der heterogenen und kugelsymmmetrisch gemittelten Dichtestruktur des Erdmantels basierend
auf der Analyse von Eigenschwingungen der Erde, (2) der Validierung von zeitvariablen Schwerefeldmodellen
aus Daten der Satellitenmission GRACE, (3) der Suche nach der Translationsmode des Inneren Kerns und (im
Falle eines erfolgreichen Nachweises) eine Abschätzung des Dichtesprungs an der Grenze zwischen Innerem
und Äusserem Kern, (4) dem Nachweis und der Bestätigung rezenter Deformationen im Rheingraben in der
Schwere, (5) der Schätzung der Mantelviskosität bei einer Periode von 14 Monaten basierend auf der
Beobachtung des Chandler Wobbles in der Schwere, (6) der Quantifizierung der Kopplungsstärke zwischen
Mantel und Kern anhand der Beobachtung des Nearly Diurnal Free Wobble, und (7) der Identifikation der
physikalischen Prozesse, die zum Eigenrauschen der SG beitragen. Am BFO wurden schon wiederholt Signale
entdeckt, die in den Daten anderen Observatorien erst nach ihrer Entdeckung am BFO nachgewiesen werden
konnten. Deswegen sind wir zuversichtlich, dass von einem SG am BFO ganz wesentliche neue Forschungsimpulse
in den Gebieten der Geodynamik und Seismologie ausgehen werden. Mit dem Federgravimeter ET-19,
das mit DFG-Mitteln 1976 beschafft wurde, konnte am BFO über 25 Jahre Spitzenforschung geleistet werden.
Ein SG am BFO wird für weitere 25 Jahre Spitzenforschung mit Schweredaten ermöglichen.
5. Geräte- / Kostenaufstellung
5.1 Hauptgerät (Wechselkurs vom 1.8.2007: 1.3695 $/EUR) EUR 448.690,00
Hersteller: GWR Instruments Inc., San Diego, U.S.A.
Typ: Supraleitendes Gravimeter, Baureihe OSG
5.2 Komponenten oder Zubehör EUR
entfällt
Zwischensumme 5.2
5.3 Zusatzkosten, soweit nicht im Pauschalangebot enthalten (Transport, Montage,
Inbetriebnahme und Schulung)
5.4 abzüglich Rabatte
5.5 Mehrwertsteuer (19% Einfuhrumsatzsteuer) 85.251,00
5.6 ggf. Zoll
5.7 Gesamtbetrag des Antrags 533.941,00

Monat Jahr
5.8 Vorgesehener Zeitpunkt für Bestellung 12 2007
5.9 Vorgesehene Inbetriebnahme 09 2008
6. Wahl des Gerätes
Welche Geräte wurden in Betracht gezogen? (bitte Vergleichsangebote beifügen und die Leistungsklasse sowie
Geräte- und Firmenwahl auf einem separaten Beiblatt begründen)
Lieferant, Hersteller und Typ Angebote vom Preis EUR
GWR hat Monopol; es gibt keine weiteren Hersteller. 19. März 2007 448.690,00
7. Voraussetzungen für den Betrieb des Gerätes
(Bitte ausführliche Angaben gemäß Beiblatt zum Betriebs- und Nutzungskonzept)
7.1 Ist die Finanzierung der Folgekosten aus dem jährlichen Etat der unter 3.1 genannten
Hochschuleinrichtungen gesichert? (ggf. Angabe von Kapitel/Titel)
Universität Karlsruhe: Kap. 1417 / Titel 54701; Universität Stuttgart: Kap. 1418 / Titel 54671
Wenn nicht, welche andere Finanzierung ist vorgesehen?
7.2 Angaben zum Standort des Gerätes zum Zeitpunkt der vorgesehenen Inbetriebnahme
(Gebäude, Geschoss, Raumnummer):
Das SG soll in der Pendelkammer des BFO Stollens, also hinter der Druckschleuse, installiert werden.
Postanschrift: BFO, Heubach 206, D-77709 Wolfach
7.3 Wie viele Personen sind zur Sicherstellung der qualifizierten Bedienung (einschl. Wartung) des
Gerätes vorhanden?
8. Zusammenhang mit weiteren Großgeräteanträgen
8.1 Zu welchen weiteren (auch geplanten) Großgeräteanträgen steht die vorliegende Anmeldung in sachlichem
Zusammenhang (ggf. Geschäftszeichen der DFG)?
entfällt
8.2 Wurde bereits ein Antrag (ggf. Teilfinanzierung) zur Beschaffung eines solchen Gerätes gestellt? (ggf. wann
und bei welcher Institution)?
Forschungsschwerpunktprogramm B.-W. (2001): abgelehnt, weil Antrag nicht in Projektförderstruktur passt.
9. Anlagenverzeichnis
Begründung gemäß Hinweisen zum Antrag für Forschungsgroßgeräte (auch für alle unter 3.4 genannten
Mitnutzer)
Wissenschaftlicher Werdegang der im Antrag genannten Nutzer x
Betriebs- und Nutzungskonzept x
Firmenangebote (nach den wesentlichen Komponenten preislich aufgeschlüsselt) x
Datenträger mit aktueller Antragsversion im pdf-Format. x
Bitte für den Antrag einschl. Beiblättern eine Datei sowie für jedes Firmenangebot eine Datei beifügen. Bei
einer Abweichung von der Postfassung ist der Datenträger maßgeblich.
Für die vorstehenden Angaben zeichnet verantwortlich: Prof. Bernhard Heck, GIK, Universität Karlsruhe
Datum, Unterschrift
3
x
x
ja

Nachfolgende Angaben sind von der Hochschule oder dem Land einzutragen (ggf. Anlage):
10. Finanzierung
10.1 Fälligkeit der Gesamtkosten: Jahr 2008
EUR 533.941,00
10.2 Erklärung der Hochschule oder des Landes zur Mitfinanzierung gemäß Art. 91 b GG.
Wann stehen die Mittel zu Verfügung?
Für diese Angaben zeichnet verantwortlich:
Datum, Unterschrift
11. Bemerkungen:
a. des Fachbereichs:
b. der Hochschule
c. des Landes

Wissenschaftliche Begründung

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen
1. Wissenschaftliche Ausrichtung der Arbeitsgruppe
Prolog
Das Geowissenschaftliche Gemeinschaftsobservatorium
(Black Forest Observatory, BFO) ist ein Untertageobservatorium
und wird von den Universitäten Karlsruhe und
Stuttgart seit 1971 gemeinschaftlich betrieben. Von beiden
Universitäten sind jeweils die Institute für Geophysik und
Geodäsie beteiligt. Die personelle Ausstattung des BFO besteht
aus drei fest angestellten Mitarbeitern die vor Ort tätig
sind: zwei Wissenschaftern und einem Techniker. Mit dem
Ziel Daten höchster Qualität und Verfügbarkeit zu erheben
werden u.a. folgende geophysikalische Sensoren betrieben:
Gravimeter, Seismometer, Neigungsmesser, Extensometer,
Schlauchwaage, Magnetometer, Barometer und permanent
GPS. Zu den herausragenden Merkmalen des BFO zählt die
Druckschleuse, die zum einen die Sensoren vor dem direkten
Einfluss schneller Druckschwankungen abschirmt und
zum anderen dazu beiträgt, dass die Temperaturschwankungen
und die Luftzirkulation in der Umgebung der Sensoren
minimal sind. Die Installation im kompetenten Schwarzwaldgranit
führt zu einer besonders guten Ankopplung der
Sensoren an die feste Erde und gleichzeitig zu einer geringen
Einkopplung von meteorlogischen Störsignalen. Ein
weiteres Merkmal des BFO ist das weitgehende Fehlen
von hydrologischen Signalen wie z.B. Grundwasserspiegelschwankungen.
Eine ausführliche Darstellung des BFO findet
sich in Emter et al. (1998 und 1999, siehe Anlagen).
1a. Darstellung der Arbeitsrichtung der Gruppe
sowie bisherige Ergebnisse
Die Arbeitsgruppe befasst sich mit zwei grossen Themenbereichen.
Der erste Bereich ist die kontinuierliche Beobachtung
von Schwereänderungen und Deformationen bei
langen Perioden und deren Interpretation hinsichtlich der
Struktur und Dynamik der Erde. Der zweite Bereich umfasst
die Verbesserung der Qualität von Messverfahren sowie die
Erprobung neuer Messverfahren und die Untersuchung von
Störeinflüssen.
Im Einzelnen sind dies folgende Themen: (1) Elastischgravitative
Eigenschwingungen der Erde (welche vor allem
durch starke Erdbeben angeregt werden) und die Suche
nach bisher nicht beobachteten Signalen, (2) Rotationseigenschwingungen,
(3) Gezeiten und (4) Störeinflüsse sowie
rein instrumentelle Untersuchungen.
Antrag für die Beschaffung eines Supraleitenden Gravimeters für das BFO
1
Die wichtigsten Arbeiten zu diesen 4 Forschungsbereichen
haben folgende Aspekte untersucht.
(1) Elastisch-gravitative Eigenschwingungen und Suche
nach bisher nicht beobachteten Signalen Die
elastisch-gravitativen Eigenschwingungen der Erde werden
vor allem durch starke Erdbeben angeregt. In der Arbeit von
Widmer et al. (1992) wurden Moden mit besonders starker
spektraler Aufspaltung untersucht und daraus neue Modelle
für die heterogene Struktur von Innerem und Äusserem
Erdkern abgeleitet. Der erste und wiederholte Nachweis der
torsionalen Grundmode 0T2 bei 0.38 mHz gelang Widmer
et al., (1992b) und der erste Nachweis von Coriolis Kopplung
zwischen sphäroidalen und toroidalen Moden bei Frequenzen
unterhalb von 1 mHz erstmals in der Arbeit von
Zürn et al., (2000). Ferreira et al. 2006 haben gezeigt, dass
mit Schlauchwaagen die tieffrequenten Eigenschwingungen
ebenfalls mit gutem Signal-Stör-Verhältnis registriert werden
können. Die erfolgreiche Anwendung des Modenkonzepts
hin zu höheren Frequenzen gelang in den Arbeiten von
Widmer-Schnidrig (2002) und Laske und Widmer-Schnidrig
(2007) durch die ersten systematischen Beobachtungen von
Sphäroidalmoden bis 20 mHz. Dabei gelang es sowohl die
entarteten Frequenzen zu schätzen als auch ihre spektrale
Feinstrukur hinsichtlich Mantelheterogenitäten zu interpretieren.
Dass die Eigenschwingungen der Erde nicht nur von Erdbeben
sondern auch von Vulkaneruptionen angeregt werden
können, wurde zuerst anhand der Schwereregistrierungen
des BFO im Falle der paroxysmalen Ausbrüche des El
Chichón, 1982, und des Mount Pinatubo, 1991, entdeckt
und anschließend in den Daten global verteilter Observatorien
systematisch nachgewiesen (Widmer und Zürn, 1992).
Ein sehr kleines Eigenschwingungssignal, dessen Anregung
noch kontrovers diskutiert wird, sind die permanent
angeregten Hintergrundeigenschwingungen im Band 2 - 7
mHz. In der Arbeit von Kurrle und Widmer-Schnidrig (2006)
konnte die Saisonalität das Signals bestätigt und die Hypothese
einer atmosphärischen oder ozeanischen Anregung
untermauert werden.
Die Arbeitsgruppe sucht in Datensätzen der Schwerevariationen
(BFO u. a.) nach den theoretisch vorhergesagten
Schwerewellen im äusseren Erdkern und der Translations-
Schwingung des inneren Erdkerns, deren Beobachtung u.
a. Aussagen über die Dichte im tiefen Erdinnern zulassen
würde. Diese Suche verlief bisher ergebnislos, dafür

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 2
konnten Behauptungen anderer Autoren, diese entdeckt zu
haben (u. a. mit supraleitenden Gravimetern), stichhaltig
zurückgewiesen werden (Zürn et al., 1987; Zürn und Rydelek,
1994; Zürn, 1994; Jensen et al., 1995).
(2) Rotationseigenschwingungen. Die zwei wichtigsten
Kreiseleigenschwingungen der Erde sind der Chandler
Wobble (CW) und der Nearly Diurnal Free Wobble (NDFW).
In der Arbeit von Richter et al. (1995) wurde die komplexe
Amplitude des CW geschätzt und in der Arbeit von Neuberg
et al. (1987) gelang erstmals eine genaue Schätzung der
Resonanzparameter des NDFW basierend auf Schweredaten.
Die von Neuberg et al. (1987) erstmals vorgeschlagene
Analysemethode ist inzwischen zum Standardverfahren geworden.
Aus der Dämpfung des CW kann auf die Anelastizität
des Erdmantels bei einer Periode von 14 Monaten
geschlossen werden. Aus der Frequenz des NDFW haben
Neuberg et al. (1987) auf eine zusätzliche Abplattung der
Kern-Mantel Grenze von 400 m geschlossen.
(3) Gezeitenforschung. Neben der NDFW-Resonanz
werden anhand von Gezeitenregistrierungen die räumliche
und zeitliche Variation der Gezeitenamplituden untersucht
(Rydelek et al., 1991 Zürn, 1994). Erstere sind in
Schweredaten noch nicht identifizierbar, da die notwendigen
Ozeanauflastkorrekturen bisher nicht präzise genug bekannt
sind. Dies wird in absehbarer Zukunft jedoch der Fall
sein (Bos et al. 2000). In diesem Zusammenhang ist auch
die Beobachtung nichtlinearer Auflastgezeiten von Interesse,
die in Daten einer Schlauchwaage in Luxemburg (näher
an der Nordsee als BFO) gelungen ist (D’Oreye und Zürn
2006).
Es wird erwartet, dass Neigungs- und Straingezeiten in ihren
Amplituden zeitlich variabel sein müssten, da diese durch lokale
Gesteinseigenschaften beeinflusst werden. Dies könnte
durch Spannungseffekte in der Vorbereitungsphase starker
Erdbeben oder durch poroelastische Effekte verursacht
werden. Neigungsgezeiten zeigten vor den Erdbeben in der
Türkei 1999 keine klaren Signale (Westerhaus und Zschau,
2001; Westerhaus und Welle, 2002).
Gezeitenmessungen des Pegels oder Wasserdrucks in
Brunnen und Bohrungen werden dazu verwendet, hydrogeologische
Parameter abzuleiten. An Daten des Hot-Dry-
Rock Projekts bei Soultz-sous-Foret im Elsass konnte dies
erreicht werden. Die Daten waren dort von solcher Qualität,
dass die Erdkernresonanz (NDFW) nachgewiesen werden
konnte (Zaske et al. 2000).
(4) Störeinflüsse und instrumentelle Untersuchungen.
Die kleinsten, geophysikalisch interpretierbaren Signale,
die an den ruhigsten Observatorien aufgezeichnet werden
können, liegen für die Schwere bei 10 −12 g und für Neigung
und Dehnung bei 10 −11 . Die Gravitationswirkung atmosphärischer
Luftmassen begrenzt die Auflösung von Gravimetern
und Vertikalseismometern bei Frequenzen unterhalb
2 mHz. Eine Korrektur basierend auf dem lokal registierten
Luftdruck ist aber möglich (Zürn und Widmer, 1995).
Die Auflast atmosphärischer Luftmassen erzeugt Neigungen,
die die Auflösung von Horizontalseismometern und
Neigungsmessern begrenzen. Auch hier kann eine Korrektur
basierend auf dem lokalen Luftdruck die Auflösung steigern
(Zürn et al, 2007).
Weitere Genauigkeitssteigerungen sind unter Verwendung
meteorologischer Modelle (z.B. ECMWF, NCEP), welches
die Verteilung regionaler Luftmassen berücksichtigt, möglich
(Boy et al., 2002; Neumeyer et al., 2004). Für die Berechnung
der Gravitationswirkung der atmosphärischen Massen
bietet sich eine Zerlegung in Tesseroide an (Heck und Seitz,
2006).
Temperaturkompensierte Tragfedern in Breitbandseismometern
besitzen zwangsläufig eine magnetische Empfindlichkeit.
Das führt besonders während magnetischen
Stürmen zu Signalstörungen. Liegen Registrierungen der
Magnetfeldvariationen vor, so können erstere vollständig
aus den seismischen Daten entfernt werden (Forbriger,
2007).
Neigungs- und Deformationsmessungen werden bevorzugt
in Untertagekavernen durchgeführt. Dabei tritt aber der sog.
Hohlraumeffekt auf, welcher aus einer durch den Hohlraum
verursachten Strain-Tilt Kopplung besteht und zu einer massiven
Verfälschung der Signalamplituden führen kann (King
et al., 1976).
Das Rauschverhalten eines temporär am BFO installierten
supraleitenden Gravimeters wurde von Richter et al. (1995)
untersucht.
Eine druckdichte Abschirmung für das weitverbreitete
Streckeisen STS-2 Breitbandseismometer wurde für optimale
Ergebnisse bei langen Perioden vorgestellt (Wielandt und
Widmer-Schnidrig, 2002).
Eine vollständige Literaturliste zu allen im Antrag erwähnten
Arbeiten ist am Ende beigefügt.
1b. Wichtigste Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe
aus den letzten 5 Jahren, insbesondere
solche, die in Bezug zum angemeldeten
Gerät stehen.
Veröffentlichungen mit Bezug zum Supraleitenden
Gravimeter

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 3
Ferreira, A. M. G., d’Oreye, N. F., Woodhouse, J. H. and
Zürn, W. (2006). Comparison of fluid tiltmeter data with
long period seismograms: Surface waves and Earth’s
free oscillations. J. Geophys. Res., 111, B11307, doi:
10.1029/2006JB004311, 17 p.
Forbriger, Th. (2007). Reducing magnetic field induced noise in
broad-band seismic recordings. Geophys. J. Int. 169, 240–
258.
Gruber C, D Tsoulis, N Sneeuw (2005). CHAMP accelerometer
calibration by means of the equation of motion and an apriori
gravity model. ZfV, 130, (2):92–98.
Heck, B. and Seitz, K. (2006). A comparison of the tesseroid,
prism and point-mass approaches for mass reductions
in gravity field modeling. J. Geod.,81, 121–136, DOI:
10.1007/s00190-006-0094-0.
Kurrle, D. and Widmer-Schnidrig, R. (2006). Spatiotemporal
features of the Earth’s background oscillations observed
in central Europe. Geophys. Res. Lett. 33, L24304,
doi:10.1029/2006GL028429.
Laske, G. and Widmer-Schnidrig, R. (2007). Theory & Observations:
Normal Modes & Surface Wave Measurements. Treatise
on Geophysics, Vol. 1: Seismology and structure of the
Earth, B. Romanowicz and A. Dziewonski, Editors. Elsevier,
in press.
D’Oreye, N., Zürn, W. (2005). Very high resolution long-baseline
water-tube tiltmeter to record small signals from Earth free
oscillations up to secular tilts Rev. Sci. Instr., 76, 2, pp.
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D’Oreye, N., Zürn, W. (2006). Quarter-Diurnal tides observed with
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pp 12–17, Springer Verlag
Sneeuw N, Ch Gerlach, L Földváry, Th Gruber, Th Peters, R Rummel,
D ˇSvehla (2004). One year of time-variable CHAMPonly
gravity field models using kinematic orbits. in: F Sanso
(ed.) A Window on the Future of Geodesy, IAG symposium
128, pp 288–293, Springer Verlag
Sneeuw, N. (2003). Space-Wise, Time-Wise, Torus and
Rosborough Representations in Gravity Field Modelling,
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10.1023/A:1026165612224
Widmer-Schnidrig, R. (2002). Application of regionalized multiplet
stripping to retrieval of aspherical structure constraints,
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Widmer-Schnidrig, R. (2003). What can Superconducting Gravimeters
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Wielandt, E. and Widmer-Schnidrig, R. (2002). Seismic sensing
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at seismic frequencies. Cah. Centre Europ. Geodyn.
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Zürn, W. and Wielandt, E. (2007). On the minimum of vertical
seismic noise near 3 mHz. Geophys. J. Int. 168: 647–658.
Übrige Publikationen
Forbriger, T. (2003). Inversion of shallow-seismic wavefields: I.
Wavefield transformation. Geophys. J. Int., 153, 719-734.
Forbriger, T. (2003). Inversion of shallow-seismic wavefields: II.
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Forbriger, T. (2003). Dynamics of the Hammer Blow. In: Symposium
in Memoriam of Prof. Gerhard Müller, J. Deutsche (ed.).
Deutsche Geophysikalische Gesellschaft, ISSN-Nr. 0934-
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Forbriger, T. and Friedrich, W. (2005). A proposal for a consistent
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Kugler, S., Bohlen, T., Forbriger, T., Bussat, S., and Klein G.
(2007). Scholte-wave tomography for shallow-water marine
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Polom, U., Stange, S., Bram, K., Brüstle, W. and Forbriger, T.
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Lerchenberg (Baden-Württemberg). Geologisches
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Ritter, J.R.R., Balan, S.F., Bonjer, K.P., Diehl, T., Forbriger, T.,
Mărmureanu, G., Wenzel, F. and Wirth, W. (2005). Broadband
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Sneeuw N, J Flury, R Rummel (2005). Science requirements
on future missions and simulated mission scenarios. Earth,
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Widmer-Schnidrig, R. (2005). Installation und Isolation von STS-2
Seismometern - Plädoyer für den Einsatz von Gabbroplatte/Kochtopf
Abschirmung beim GRF upgrade. Technischer
Bericht für die Arbeitsgruppe Seismologie.
Zürn, W., Exß, J., Steffen, H., Kroner, C., Jahr, T., Westerhaus,
M. (2007). On Reduction of Long Period Horizontal Seismic
Noise Using Local Barometric Pressure. accepted by Geophys.
J. Int.

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 4
2. Darstellung der geplanten oder laufenden Forschungsprojekte, Begründung
der Notwendigkeit des beantragten Gerätes
Zwei Besonderheiten dieses Antrags sollen hier vorweg
erläutert werden.
(1) Als geodynamisches Observatorium sind für das
BFO Langzeitdauerbeobachtungen von zentraler Bedeutung.
Hier werden Fragestellungen verfolgt, die nicht mit
dem zeitweiligen Einsatz anderer Großgeräte vergleichbar
sind. Um das Studium von Variationen des Schwerefeldes
mit Daten höchster Qualität weiterhin (für 10 - 20 Jahre) fortsetzen
zu können, wird hier die Beschaffung eines SG modernster
Bauart beantragt. Damit könnte das BFO weiterhin
und langfristig Spitzenforschung auf diesem Gebiet betreiben
und seine weltweit anerkannt hohe Qualität für geodynamische
Messungen erhalten und sogar zu längeren Perioden
ausdehnen.
(2) Warum ist es sinnvoll trotz der in Mitteleuropa vergleichsweise
hohen Dichte von Supraleitenden Gravimetern
ein weiteres SG am BFO zu betreiben? Gegenwärtig
werden schon in Strasbourg (Frankreich, 68km Entfernung
zum BFO), Walferdange (Luxemburg, 229km), Bad Homburg
(Hessen, 232km), Membach (Belgien, 325km), Wettzell
(Bayern, 353km), Moxa (Thüringen, 366km), Medicina
(Italien, 481km), Pecny (Tschechien, 510km), Wien (Österreich,
598km) SGs betrieben. Trotz der relativ hohen Dichte
von GGP Stationen in Europa denken wir, dass eine Installation
eines supraleitenden Gravimeters am BFO sinnvoll
ist und den von GGP formulierten Forschungsansätzen
und -zielen weitere Impulse geben kann. Das Organisationskommitte
des GGP sieht das ebenso und hat das BFO
als Standort für ein supraleitendes Gravimeter empfohlen
(siehe Anlagen). Diese Position wurde auch von Professor
Crossley (University Saint Louis, U.S.A.), seinerzeit Präsident
des GGP, in seinem Plenarvortrag vor der Deutschen
Geophysikalischen Gesellschaft im Februar 2003 bekräftigt.
Die Argumente dafür sollen im Folgenden etwas näher ausgeführt
werden.
Vorteile des Standorts BFO: Bei qualitativ hochwertigen
Messinstrumenten wird die Detektionsschwelle für geophysikalisch
nutzbare Signale nicht nur durch die individuellen
Geräteeigenschaften bestimmt, sondern vor allem auch
durch den Standort, die Art der Geräteaufstellung und die
Abschirmung gegen Störeinflüsse aus der Umgebung. Eine
maßgebliche Strrgröße ist die durch meteorologischhydrologische
und zivilisatorische Störquellen hervorgerufene
Bodenunruhe, die sich als allgemeines ” Rauschen“ in
den Messdaten niederschlägt. Ein geringes Rauschen geht
einher mit einer höheren Verlässlichkeit der Messergebnisse
und ist die Voraussetzung für die Entdeckung und Beschreibung
noch unbekannter oder noch nicht ausreichend
untersuchter Phänomene.
Für das BFO als Standort für genaueste seismische und
Schweremessungen sprechen seit jeher die große Distanz
zu industriellen Störquellen, zu größeren Straßen und zu
Flüssen. Unter einer 170 m mächtigen Überdeckung aus
Buntsandstein und Granit und durch eine Druckschleuse
sind die Instrumente von meteorologischen Störquellen
weitgehend abgeschirmt. Sorgfältig ausgeführte Verbesserungen
der Aufstellungsbedingungen, insbesondere die
Installation einer Druckschleuse, haben in den vergangenen
Jahrzehnten die Datenqualität und -verfügbarkeit immer
weiter verbessert.
Die am BFO erhobenen Daten gehen an nationale und internationale
Datenzentren und stehen on-line Wissenschaftlern
aus aller Welt zur Verfügung. Ein von der Harvard University
in Boston, USA, laufend aktualisiertes und im Internet
veröffentlichtes Qualitätsranking für insgesamt 166 global
verteilte seismische Breitband-Stationen belegt, dass
das BFO in punkto Datenqualität und -verfügbarkeit stets
unter den besten Stationen weltweit zu finden ist. Das BFO
steht meistens auf einem der ersten 4 Ränge und damit
weit vor den in globale seismische Netzwerke integrierten
GGP-Stationen. Auf Grund der weltweit anerkannten Qualität
des Standortes wird das BFO immer wieder als Teststandort
für neu entwickelte Instrumente genutzt, z.B. für ein
Breitband-Laser-Seismometer für den japanischen Gravitationswellendetektor
oder, ganz aktuell, für ein neu entwickeltes
Breitband-Seismometer der Firma Nanometrics.
Das Qualitätsranking der Harvard University betrifft den
seismologisch interessanten Periodenbereich von einigen
Sekunden bis zu einigen Minuten. Die supraleitenden Gravimeter
entfalten ihre Stärke bei längeren Perioden von Tagen
bis zu einigen Jahren. In diesem Periodenband werden
nahezu alle bisher in Betrieb genommenen Standorte
von supraleitenden Gravimetern durch Schweresignale infolge
von Variationen des lokalen Grundwasserspiegels um
teilweise mehrere Meter massiv beeinträchtigt. Auch hier
sind die Voraussetzungen am BFO deutlich günstiger: die
170 m mächtige Gesteinsüberdeckung sorgt für einen ausreichenden
Abstand zwischen dem Gravimeter und dem
Oberflächenwasser. Messungen des Kluftwasserstandes im
BFO-Stollen weisen Variationen im mm-Bereich nach; damit
hat diese Störquelle am BFO eine um den Faktor 100
bis 1000 kleinere Amplitude als an anderen GGP-Stationen.
Wir erwarten daher eine Signalqualität, die an keinem der
bisher vorhandenen Standorte erreicht werden kann. Diese
Erwartung wird belegt durch eine temporäre Installation
des supraleitenden Gravimeters SG102 im Jahr 1994 am
BFO. Die Installation lieferte die zweithöchste Datenqualität,
die damals mit supraleitenden Gravimetern erzielt wurde.
Darüber hinaus konnten im Vergleich mit den anderen am
BFO betriebenen Messinstrumenten einige damals vorhan-

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 5
dene Mängel dieses inzwischen veralteten Gerätetyps aufzeigt
werden.
2a+b. Detaillierte Darstellung der aktuellen
Forschungsprojekte (ggf. Fördereinrichtung)
mit denen die Notwendigkeit des Geräts begründet
wird; Stand der Forschung in Kurzform
in seiner unmittelbaren Beziehung zu diesen
konkreten Projekten. Zusammenstellung
der geplanten Vorhaben (Ziel der Vorhaben,
ggf. Fördereinrichtung) in denen das Gerät
eingesetzt werden soll.
Das Gerät soll kontinuierlich Daten liefern. Viele Fragen
können erst nach 2-3 Jahren untersucht werden. Deshalb
wird die Aufteilung in 2a und 2b hinfällig.
Unsere laufenden und geplanten Forschungsarbeiten in Verbindung
mit dem Supraleitenden Gravimeter fallen in fünf
Themenbereiche:
I Dichtevariationen im Erdinneren – Analyse der von
stärksten Erdbeben erzeugten Eigenschwingungssignale
mit Frequenzen unterhalb 1 mHz zur Schätzung
der lateralen Dichtevariation im Erdmantel.
II Validierung zeitvariabler Schwerefeldmodelle.
III Untersuchung von Signalen mit unbekannter Quelle
und Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen
unterhalb von 1 mHz: Kern-Oszillationen, Slichter-
Triplett, stille Erdbeben und tektonische Signale.
IV Rotationseigenschwingungen: Chandler Wobble und
NDFW
V Rauschuntersuchungen: Eigenrauschen des SG und
Störsignale aus der unmittelbaren Umgebung des
SG.
I Räumliche Dichtevariation im Erdinneren
Ia. Untersuchung von lateralen Dichtevariationen im
Erdmantel anhand der Aufspaltung von Sphäroidalmoden
unterhalb von 1 mHz
Fragestellung: Kann die heterogene Dichteverteilung anhand
der Aufspaltung der niederfrequenten ( f < 1mHz)
Sphäroidalmoden unabhängig von den seismischen Geschwindigkeiten
geschätzt werden? Ist die Aufspaltung dieser
Moden kompatibel mit bisherigen heterogenen seismischen
Mantelmodellen? Damit eng verknüpft ist letztlich
auch die Frage, ob die seismischen Heterogenitäten im unteren
Mantel ihre Ursache in einer thermischen oder chemischen
Anomalie haben.
Hintergrund: Bei einer kurzzeitigen Auslenkung aus dem
Gleichgewichtszustand führen elastische Rückstellkräfte zu
den Eigenschwingungen. Bei den Sphäroidalmoden unterhalb
1 mHz trägt jedoch auch die Selbstgravitation wesentlich
zu den Rückstellkräften bei (Dahlen und Tromp, 1998).
Damit bietet sich die Gelegenheit aus der Analyse des Splittings
dieser Moden nicht nur auf die heterogene elastische
Struktur, sondern auch auf die heterogene Dichteverteilung
zu schliessen.
Stand der Forschung: Während vor 2005 in der Literatur
kontrovers über die Möglichkeit diskutiert worden ist,
ob aus dem Modensplitting die 3D-Dichteverteilung unabhängig
von der 3D-Geschwindigkeitsverteilung geschätzt
werden kann (z.B. Ishii und Tromp, 1999; Masters et al.,
2002; Kuo und Romanowicz, 2002) hat sich seit dem Sumatrabeben
(26.12.2004) der Magnitude Mw 9.2 die Datenlage
wesentlich geändert. Verursacht durch seine Stärke und
seine extrem lange Bruchdauer, hat dieses Beben die tieffrequentesten
seismischen Moden ungewöhnlich stark angeregt.
In Kooperation mit dem EOST (Lambotte et al., 2006; Lambotte
2007) wurde anhand der Daten des Sumatrabebens
die spektrale Feinstruktur dieser Moden gezielt untersucht.
Die Registrierungen des Sumatrabebens haben klar gezeigt,
dass Supraleitende Gravimeter herkömmlichen Breitbandseismometern
für die Beobachtung dieser Moden überlegen
sind (Rosat et al., 2005, Lambotte et al. 2006).
Ib. Rotationssplitting
Fragestellung: Gelingt es anhand von Schätzungen des
Rotationssplittings (Zeemansplitting) einen Beitrag zur Bestimmung
der radialsymmetrischen Dichteverteilung in der
Erde zu leisten?
Hintergrund: Alle Abweichungen des Erdkörpers von einer
idealisierten, kugelsymmetrischen Form führen zu einer
Aufhebung der Entartung der Eigenfrequenzen: dem
so genanntem Splitting. Bei den tiefsten Frequenzen dominiert
die Erdrotation über andere Heterogenitäten und
führt zum so genannten Zeemansplitting. Der Zeeman-
Splittingparameter von Sphäroidalmoden steht in einem linearen
Integralzusammenhang mit der 1D-Dichteverteilung
in der Erde (Dahlen und Tromp, 1998; Widmer-Schnidrig,
2003).

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 6
Stand der Forschung: Die Spektren des 2004 Sumatrabebens
bieten sich für eine Untersuchung dieses Signals
an, weil einerseits das Zeemansplitting nur bei Moden unterhalb
2 mHz in den Daten nachgewiesen werden kann und
weil anderseits die Moden in diesem Frequenzband nur von
den größten Beben messbar angeregt werden. Die radiale
Dichteverteilung im Erdinnern wurde bisher ausschließlich
anhand von entarteten Eigenfrequenzen sowie Masse
und Trägheitsmoment der Erde geschätzt. Bei den Eigenfrequenzen,
die den Großteil an Dichteinformation enthalten,
besteht jedoch die Schwierigkeit, dass sie nicht nur von
der Dichte sondern gleichzeitig von fünf anisotropen Moduln
abhängen. In dieser Hinsicht hat die Beobachtung des Zeemansplittings
einen Vorteil gegenüber den Eigenfrequenzen:
dieses hängt ausschliesslich von der Dichteverteilung
ab.
Eine Doktorarbeit (S. Lambotte, 2007), die sich der spektralen
Feinstruktur dieser Moden widmet, wurde von einem
Mitarbeiter des BFO mitbetreut. Das Zeemansplitting wird
in dieser Arbeit aber nur tangiert. Es zeigt sich aber, dass
im untersuchten Frequenzband die Daten der ruhigsten
SGs den ruhigsten Breitbandseismometern (STS-1) deutlich
überlegen sind. Ein SG am Standort BFO könnte hier
noch zu einer wesentlichen Verbesserung der Datengrundlage
für weitere Studien führen.
Ic. Coriolis-Kopplung unterhalb 1 mHz
Fragestellung: Gelingt es anhand von Schätzungen der
Coriolis-Kopplung einen Beitrag zur Bestimmung der 1D-
Dichteverteilung in der Erde zu leisten?
Hintergrund: In den Spektren des Sumatrabebens konnten
erneut torsionale Moden in den Vertikalkomponenten
nachgewiesen werden - ein klares Indiz für Coriolis Kopplung
(Masters et al., 1983; Zürn et al., 2000). Die Kopplungsstärke
steht in einem linearen Integralzusammenhang mit
der 1D-Dichtestruktur der Erde und kann anhand der Amplitude
in den Spektren geschätzt werden (Dahlen und Tromp,
1998).
Stand der Forschung: Bisher ist noch in keiner Studie
versucht worden, dieses Signal auszuwerten, weil
die Kopplungsstärke auch vom Frequenzabstand zwischen
den Kopplungspartnern abhängt. Den Frequenzabstand
der Moden zu kennen erfordert jedoch ein gutes 1D-
Referenzmodell. Während die Coriolis-Kopplung im Frequenzband
2-3 mHz Moden betrifft, die nur bis in den oberen
Mantel eindringen, handelt es sich bei der Coriolis-Kopplung
unterhalb von 1 mHz um Moden, die den gesamten Mantel
erfassen. Da die mittlere Struktur in der Übergangszone
und im unteren Mantel gegenüber dem oberen Mantel vergleichsweise
gut bekannt ist (wegen der insgesamt geringeren
Heterogenität), sind die vorhergesagten Multiplettfrequenzen
mit einer entsprechend kleineren Unsicherheit behaftet
als bei Moden oberhalb von 2 mHz. Wird nun eine Diskrepanz
zwischen vorhergesagter und beobachteter Kopplungsstärke
gefunden, so muss untersucht werden, welche
Modellperturbation die Daten besser zu erklären vermag:
Eine Änderung des seismischen Geschwindigkeitsmodells
ändert die Kopplungsstärke über den Modenabstand, wogegen
eine Änderung des Dichtemodells unmittelbar zu einer
Änderung der Kopplungsstärke führt.
Coriolis-Kopplung unterhalb von 1 mHz wurde zuerst in den
Daten des Federgravimeters ET-19 am BFO und in den SG-
Daten von Strasbourg und Boulder nachgewiesen (e.g. Zürn
et al., 2000). Es ist zu erwarten, dass ein SG am BFO die
Datenlage bei künftigen Beben wesentlich verbessert.
II Validierung zeitvariabler Schwerefeldmodelle
Fragestellung: Lässt sich die Qualität der monatlichen
GRACE-Schwerefeldmodelle durch unabhängige Beobachtungen
validieren?
Hintergrund: Die Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery
and Climate Experiment) beobachtet seit 2002
das Erdschwerefeld. Die hohe Messgenauigkeit erlaubt die
Auflösung von zeitvariablen Schwerefeldsignalen, typischerweise
in monatlichen ” snapshots“ , mit einer räumlichen
Auflösung von etwa 1000 km. Das Erdschwerefeld ist ein
Spiegel der Massenverteilung im Erdkörper. Zeitliche Variationen
stellen also Massenverlagerungen im System Erde,
hauptsächlich in einer relativ dünnen Oberflächenschicht,
dar. Aus diesem Grund werden die GRACE-Ergebnisse
in vielen Nachbardisziplinen wie Hydrologie, Ozeanographie
oder Klimaforschung mit Begeisterung angenommen;
GRACE ist in gewisser Weise ein Bindeglied der interdisziplinärer
Geoforschung.
Stand der Forschung: Das Problem besteht einerseits
darin, dass GRACE nur die räumliche Grobstruktur der Zeitvariationen
erfasst, andererseits die Kurzzeitvariationen unterhalb
der Monatsauflösung (u.a. Gezeiten, Atmosphäre)
in die Monatslösungen hinein projiziert werden (aliasing).
Kombiniert mit den charakteristischen Sensoreigenschaften
und der Bahnkonfiguration der beiden GRACE-Satelliten ergeben
sich Schwerefeldlösungen mit nicht-trivialen stochastischen
Eigenschaften.
Weil diese Art von ” gravitationeller Fernerkundung“ eine
völlig neue Observable im geodätisch-geophysikalischen

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 7
Messrepertoire darstellt, ist eine unabhängige Qualitätsüberprüfung
von herausragender Bedeutung. In der
geodätischen Literatur wird häufig über Validierung durch
etwa hydrologische oder ozeanographische Modelle berichtet.
Methodisch ist eine solche modellbasierte Validierung
aber nicht unbedenklich. Ein direkter Vergleich mit terrestrischer
Gravimetrie wäre vorzuziehen. Supraleitende Gravimetrie
ist wegen a) der Sensitivität, b) der Kontinuität
der Messreihen und c) der Langzeitstabilität für diese Aufgabe
prädestiniert. Neumeyer et al. (2006) und Doi et al.
(2006) haben erste vorsichtige Ergebnisse vorgelegt. Von
der ersten Gruppe wurden Daten von 8 ausgewählten GGP-
Stationen mit GRACE-Monatslösungen verglichen. Daraus
konnte festgestellt werden, dass die beiden Messmethoden
innerhalb der eigenen (geschätzten) Fehlerbudgets mit einander
übereinstimmen.
Auch wenn supraleitende Gravimetrie grundsätzlich eine
Punktbeobachtung darstellt, also eher komplementär zu den
Raumskalen von GRACE ist, verspricht dieses Validierungskonzept
Erfolg. Zum einen spiegeln die SG-Beobachtungen
im GRACE-Frequenzband räumliche Schwerefeldsignale
wider, die sehr wohl mit den räumlichen Skalen der GRACE-
Lösung überlappen. Anderseits können durch Hinzunahme
der Daten von weiteren Messstationen (GGP) größere
Raumstrukturen erfasst werden. Aufgrund von Vorstudien
wird erwartet, dass durch das erwartete Fehlen von nennenswerten
lokalen hydrologischen Signalen am BFO, die
bei den meisten anderen SG-Messstationen der limitierende
Faktor sind, das BFO in diesem Bereich künftig wichtige
Beiträge leisten wird.
III Untersuchung von Signalen mit unbekannter Quelle
und Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen
IIIa Hintergrundeigenschwingungen
Fragestellung: Welche Prozesse sind für die permanente
Anregung der Hintergrundeigenschwingungen verantwortlich?
Stand der Forschung: Die Hintergrundeigenschwingungen
(engl. Hum) bestehen aus permanent angeregten
sphäroidalen Fundamentalmoden im Band 2-7 mHz. Ihre
Entdeckung geht auf Daten des supraleitenden Gravimeters
der Antarktisstation Syowa zurück (Nawa et al., 1998).
Während inzwischen der Hum in den Daten von Federgravimetern
und Breitbandseismometern an über 100 Stationen
nachgewiesen werden konnte (Suda et al. 1998; Kurrle und
Widmer-Schnidrig, 2006), ist der Mechanismus, der zu ihrer
Anregung führt, weiterhin nicht zweifelsfrei identifiziert
(eg. Kobayashi und Nishida, 1998, Rhie and Romanowicz,
2006). Eines der Probleme bei der Untersuchung der Hum-
Signale besteht darin, dass der Signalpegel des Hums nur
unwesentlich über dem Pegel des Eigenrauschens der besten
Sensoren liegt und folglich nur mit viel Statistik vom Rauschen
getrennt werden kann. Glücklicherweise gehören die
Moden aus dem Humband zu den bestuntersuchten Moden.
Das bedeutet u.a. dass der Einfluss der heterogenen Struktur
der Erde auf diese Moden sehr genau bekannt ist. Beim
Versuch der Lokalisierung der Quellen des Hums ergibt sich
damit die Möglichkeit ein Verfahren zu entwickeln, das die
Ausbreitungseigenschaften der Humsignale in einer heterogenen
Erde berücksichtigt. Ein DFG-Projekt zu diesem Thema
wird von Dieter Kurrle (IfG Stuttgart) bearbeitet (siehe
Tabelle in Abschnitt 2c).
Am BFO wurde der Hum inzwischen in Federgravimeterund
Seismometerdaten (STS-1 und STS-2) nachgewiesen
und aufgrund der Standortvorteile des BFO erwarten wir im
Humband einen großen Störabstand in den SG-Daten. Das
BFO ist nach unserer Kenntnis das einzige Observatorium,
an dem der Hum gleich in drei unterschiedlichen Sensoren
nachgewiesen werden kann (Widmer-Schnidrig, 2003) und
wir sind damit besonders gut in der Lage zwischen Sensorrauschen
und Humsignal zu trennen.
IIIb Lokale Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und
fester Erde bei Frequenzen unterhalb 1 mHz
Fragestellung: Können ausgewählte atmosphärische
Wellenphänomene dazu verwendet werden unsere Vorstellungen
zur Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und
fester Erde zu testen und zu verfeinern?
Hintergrund: In den Luftdruckdaten am BFO werden sporadisch
schmalbandige, sinusähnliche Wellenzüge beobachtet,
welche nur wenige Perioden andauern. Von diesen
Signalen mit einer Amplitude von typischerweise weniger als
10 Pa kennen wir weder die Ausbreitungsrichtung noch deren
Geschwindigkeit.
Das Besondere an diesen Signalen ist, dass sie nicht nur im
Barometer sondern auch auf allen anderen Sensoren am
BFO zu sehen sind: Gravimeter, Seismometer, Extensometer
und Neigungsmesser. Wegen seiner quasi monochromatischen
Form bietet sich dieses Signal für eine einfache physikalische
Modellierung an.
Stand der Forschung: Um die Ausbreitungseigenschaften
des atmosphärischen Signals zu charakterisieren ist der
Aufbau eines kleinen Mikrobarographen-Arrays geplant. Eine
erste Modellierung dieser Wellen wurde von Neumann
und Zürn (1999) vorgenommen. Ein Finite Elemente Modell
für den BFO-Stollen, die Messkammern und die Gelände-

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 8
topographie wurden von Steffen erstellt um die Antwort auf
Luftdruckfronten zu modellieren (Steffen et al., 2006; Zürn et
al., 2007). Durch die Kombination dieser zwei Arbeiten soll
eine weitere Verfeinerung unserer Modelle für die Wechselwirkung
zwischen Atmosphäre, Topographie und den Sensoren
erzielt werden.
IIIc Slichter Triplett und Kernmoden
Fragestellung: Welche Frequenz hat die Slichter Mode?
Was kann daraus über den Dichtesprung an der Grenze zwischen
Innerem und Äusserem Kern abgeleitet werden?
Hintergrund: Seit langem gesucht werden theoretisch
vorhergesagte Schwerevariationen, die einerseits durch
Trägheitsoszillationen im flüssigen Erdkern (bei Perioden
von wenigen bis 24 Stunden), andererseits durch die mögliche
Translationsschwingung des inneren Kerns (Slichter-
Triplett) bei Perioden um 5 Stunden verursacht werden. Behauptungen
in der Literatur, das Slichter-Triplett sei gefunden,
wurden widerlegt (Jensen et al., 1995).
Stand der Forschung: Diese Signale können nur mit Gravimetern
entdeckt werden. Ihre Eigenfrequenz, Dämpfung
und Anregungsfunktionen würden ein völlig neues Licht auf
das tiefe Erdinnere werfen. Es ist fraglich, ob selbst die allerstärksten
Erdbeben diese Schwingungen so stark anregen,
dass sie mit den SG beobachtet werden können. Es
gibt aber durchaus die Möglichkeit einer ständigen Anregung
durch turbulente Strömungen im flüssigen äußeren
Erdkern. Andererseits hat seit 1964 erst ein Erdbeben stattgefunden
(Sumatra 2004), dessen Energie mit der der Ereignisse
in Chile 1960 und Alaska 1964 vergleichbar gewesen
wäre, so dass Hoffnung besteht, die Schwingung bei
den allerstärksten Beben beobachten zu können. Die theoretischen
Werte für die drei Eigenfrequenzen des Slichter-
Tripletts werden kontrovers diskutiert, sie hängen stark vom
Unterschied der mittleren Dichte des inneren Kerns und der
Dichte im untersten äußeren Kern ab (Rogister, 2003).
Im Frequenzband des Slichter-Tripletts erwarten wir durch
das Supraleitende Gravimeter eine große Steigerung der
Empfindlichkeit gegenüber den gegenwärtig am BFO betriebenen
Sensoren. In Anbetracht der Tatsache, dass in der
Vergangenheit am BFO schon wiederholt Signale entdeckt
wurden, die anderswo im Rauschen verborgen blieben oder
erst nach ihrer Entdeckung am BFO ebenfalls nachgewiesen
werden konnten, wie z. B. das Pinatubo-Signal (Widmer
und Zürn, 1992) oder die Coriolis-Kopplung unterhalb 1 mHz
(Zürn et al., 2000), besteht die berechtigte Hoffnung, dass
durch die Beschaffung eines SG auch in Zukunft am BFO
neue Phänomene entdeckt werden können.
IIId Stille Erdbeben im Rheingraben
Fragestellung: Können langperiodische transiente Signale
gefunden werden, die eindeutig aus dem Erdinneren
stammen (keine instrumentellen oder atmosphärischen
Störungen) und keiner bereits bekannten Ursache zugeordnet
werden können? Potentielle Kandidaten wären langsame
Erdbeben auf der Rheingrabenverwerfung.
Hintergrund: Mit dem Pinatubo-Signal hat das BFO seine
Leistungsfähigkeit bewiesen, transiente langperiodische Signale
zu detektieren, die anderen Stationen verborgen bleiben.
Die Leistungsfähigkeit des BFO in dieser Hinsicht beruht
insbesondere auf der Redundanz durch den Betrieb
mehrerer Sensoren. Signale, die nur auf der Registrierung
eines Sensors enthalten sind, sind vermutlich instrumentelle
Störungen. Die Registrierung eines Signals mit mehreren
Sensoren gleichzeitig ist ein Indiz für eine Signalquelle in
der Erde oder in der Atmosphäre. Dass ein Signal nicht lokal
im Umgebungsgestein des Stollens erzeugt wurde, kann
nur durch den Vergleich mit anderen Stationen (z.B. J9 im
Elsass) nachgewiesen werden. Die Suche in den Registrierungen
anderer Stationen ist aber leichter, wenn das Signal
bereits am BFO detektiert wurde. BFO ist vermutlich die einzige
Station, die langperiodisch so empfindlich ist, dass sie
in der Lage sein könnte langsame Erdbeben im Rheingraben
zu detektieren.
Stand der Forschung: Imanishi et al. (2004) behaupten in
diesem Zusammenhang mit mehreren SGs in Japan nachgewiesen
zu haben, dass ein durch ein Beben verursachter
bleibender Versatz in der Schwere auch noch in grosser
Entfernung detektiert werden kann. Es bestehen jedoch
Zweifel, denn solche Versätze werden regelmässig bei einer
Übersteuerung des Gravimeters, wie z.B. beim Durchgang
der direkten Rayleighwelle, verursacht. Diese Zweifel
würden bei stillen Erdbeben nicht auftreten, da diese starken
Signale per Definition nicht erzeugt werden.
Mit dem alten Datensatz soll ein Detektor entwickelt werden,
den wir dann auf die SG-Daten anwenden.
Durch die Beschaffung eines Doppelkugelgeräts können instrumentelle
Störungen von stillen Beben diskriminiert werden.
IIIe Tektonische Bewegungen im Oberrheingraben
Fragestellung: Wirken sich die tektonischen Bewegungen
im Oberrheingraben auf Strain, Tilt- und Schweremessungen
am BFO aus?

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 9
Hintergrund: Im Bereich der östlichen Randverwerfungen
des Oberrheingrabens wurden bisher vier Nivellementkampagnen
durchgeführt: 1925-27; 1959; 1959-1962; 1982-
1984. Eine weitere Kampagne, die die wichtigsten Störungen
kreuzen soll, ist für die nächsten Jahre geplant. Damit
werden präzise Informationen über kumulative Höhenänderungen
über einen Zeitraum von ca. 80 Jahren vorliegen.
Schon mit dem vorhandenen Datensatz über einen Zeitraum
von 57 Jahren konnten an der Hauptrandverwerfung
im Bereich Freiburg und an einigen anderen Segmenten des
Verwerfungssystems signifikante vertikale Bewegungsraten
der Grössenordnung von 0.3 mm/Jahr nachgewiesen werden
(Rozsa et al., 2005).
Um tektonische Hebungen am BFO instrumentell nachzuweisen
wurden seit 2001 fünf absolute Schweremessungen
durchgeführt. Ergänzend wird seit 2006 GPS mit geodätischer
Qualität registriert. Ein SG am BFO vermag die bisherigen
Messungen in idealer Weise zu ergänzen: Mit seiner
geringen Drift und hohem zeitlichen Auflösungsvermögen
können Schweresignale, die nicht von den Absolutmessungen
erfasst werden (wegen zu geringer Abtastrate) aufgelöst
werden.
Ein SG ist für solche Studien besonders geeignet, wegen
der geringen Instrumentendrift und wegen dem geringen
Rauschpegel.
IV Rotationseigenschwingungen
IVa Chandler Wobble
Fragestellung: Möglichst genaue Messung der komplexen
Amplitude des Chandler-Wobble in der Schwere im Hinblick
auf die Bestimmung der Rheologie des Erdmantels bei
14 Monaten Periode.
Hintergrund: Die wichtigste Rotations-Eigenschwingung
der Erde ist der sog. Chandler-Wobble (CW) mit einer
Periode von 14 Monaten. Diese Kreiselreaktion tritt dann
auf, wenn die Rotationsachse der abgeplatteten Erde von
der Figurenachse abweicht. Die in diesem Fall auftretenden
Rückstellmomente versuchen den symmetrischen Zustand
wieder herzustellen und führen zum CW. Der CW
wird überlagert von einem Wobble mit der Periode von genau
einem Jahr, der durch jahreszeitliche Massenbewegungen
in der Atmo- und Hydrosphäre erzwungen wird.
Beide Schwingungen bilden zusammen mit darunterliegenden
breitbandigen Anregungen durch Atmo- und Hydrosphäre
die sog. Polbewegung, die seit Beginn des letzten
Jahrhunderts mit astronomischen und geodätischen Methoden
beobachtet wird. Aus diesen Aufzeichnungen kann die
Periode und Dämpfung des CW bestimmt werden (Plag,
1997, Gross, 2005). Die Drehmomente stammen von atmosphärisch-ozeanischen
Prozessen.
Stand der Forschung: Durch die Veränderung der Lage
der Rotationsachse gegenüber einer Station ändert sich die
Zentrifugalkraft und damit scheinbar die Schwere mit Amplituden
von 4 - 8 Milliardstel g. Dieses Signal kann mit supraleitenden
Gravimetern beobachtet werden (z. B. Richter und
Zürn, 1988). Die veränderte Zentrifugalkraft ruft zusätzlich
eine Veränderung der elastischen Deformation der Erde hervor,
deren Beitrag zum Gesamtsignal etwa 16% beträgt. Die
Aufgabe der Gravimetrie ist es nun, diesen Beitrag so genau
zu messen, dass die Rheologie des Erdmantels bei dieser
tiefen Frequenz besser als bisher bestimmt werden kann.
Schwereänderungen durch atmosphärische und hydrologische
Vorgänge sowie die notorische Instrumentendrift erschweren
bisher die Messung dieses Signals mit der erforderlichen
Genauigkeit.
Wir rechnen mit besonders guten Ergebnissen, weil am
BFO keine nennenswerten hydrologischen Signale zu erwarten
sind. Auch wurde schon mit dem Vermessen eines
Mikroschwerenetzes im Stollen begonnen um Massenbewegungen
in der unmittelbaren Umgebung des Absolutschweresockels
in der Heinrichkluft (insbesondere in uns nicht
mehr zugänglichen Schächten) aufzudecken, falls sie denn
existieren sollten.
IVb NDFW
Fragestellung: Möglichst genaue Schätzung der komplexen
Resonanzparameter des NDFW um die Kopplung von
Mantel und Kern durch axialsymmetrische Struktur an der
Kern-Mantel Grenze zu quantifizieren.
Hintergrund: Wenn die Rotationsachsen von Erdmantel
und -kern voneinander abweichen, tritt eine zweite Rotationseigenschwingung
auf, deren Periode mitten im ganztägigen
Gezeitenband liegt, weswegen sie ” Nearly Diurnal Free
Wobble“ (NDFW) genannt wird. Zum NDFW gehört im
raumfesten System die ” Freie Kern-Nutation“ (FCN) mit einer
Periode von 432 Sterntagen. Diese Eigenschwingung
äußert sich als resonante Reaktion der Erde auf die Gezeitenkräfte
derjenigen Partialtiden, deren Frequenzen in der
Nähe der Eigenfrequenz liegen und diese Schwingung anregen
können. Aus diesem Resonanzverhalten können nach
einer Gezeitenanalyse Eigenschaften wie Frequenz, Dämpfung
und Stärke der Eigenschwingung abgeleitet werden (z.
B. Zürn at al., 1986). Diese Art von Analyse gehört seit 20
Jahren zu den Standardverfahren der Gezeitenforschung,
wobei die besten Messungen z. Zt. von der Very Long Baseline
Interferometry (VLBI) geliefert werden.

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 10
Stand der Forschung: Das interessanteste Ergebnis der
Untersuchungen zum NDFW ist eine Erhöhung der Frequenz
um 6% gegenüber Vorhersagen für realistische Erdmodelle,
die z. Zt. auf eine Erhöhung der Abplattung der
Kern-Mantel-Grenze um etwa 400 m zurückgeführt wird.
Diese Auflösung im globalen Sinn kann mit erdbebenseismologischen
Methoden nicht erreicht werden. Die verschiedenen
Messungen und Messverfahren liefern noch kontroverse
Ergebnisse für die Dämpfungsfaktoren des NDFW.
Um hier weiterzukommen muss die Qualität der Messungen,
vor allem der Schweregezeiten, weiter erhöht werden.
Schwierigkeiten bei der Ermittlung der NDFW-Parameter
entstehen durch die notwendigen Korrekturen für ozeanische
und atmosphärische Beiträge zu den Schweregezeiten.
Schon seit Anfang der 80er Jahre hatten die Mitarbeiter des
BFO in Zusammenarbeit mit Dr. Bernd Richter (BKG) einige
Erfahrungen mit Daten der SGs gewonnen und diese analysiert.
Zürn et al. (1986) sowie Neuberg et al. (1987) waren
die ersten, die mit Hilfe solcher Schweredaten mit Erfolg
versucht haben, die Parameter des NDFW aus Gezeitenergebnissen
zu ermitteln und sie auch zu interpretieren (Neuberg
et al., 1990). Eine kombinierte Analyse von Strain- und
Schweregezeiten mit Daten des BFO wurde von Polzer et
al. (1996) durchgeführt.
Ziel: Verbesserung der am BFO bestimmten NDFW-
Parameter über möglichst lange Zeitreihen ungestörter
Gezeitenschwere-Messungen und deren Analyse.
V Rauschuntersuchungen: Eigenrauschen des SG und
Störsignale aus der unmittelbaren Umgebung des SG.
Va Studium des Eigenrauschens des SG
Fragestellung: Was sind die Ursachen des Eigenrauschens
des SG?
Stand der Forschung: Die SGs erreichen im Band oberhalb
von 1 mHz nicht die Qualität der besten Breitbandseismometer,
d. h. es gibt dort unerklärtes instrumentelles
Rauschen. Da diese Geräte unterhalb von 1 mHz das
non-plus-ultra der vertikalen Seismometrie darstellen, ist es
sinnvoll, der physikalischen Ursache dieses Rauschens auf
die Spur zu kommen, um dagegen angehen zu können.
Möglichkeiten sind: Brownsche Molekularbewegung (Richter
et al., 1995), Konvektion im siedenden Heliumbad, Einkopplung
von Horizontalbeschleunigungen/ Neigungen und
elektronisches Rauschen (Richard Warburton, GWR, pers.
Mitteilung, 2007).
Dieser Frage soll an Hand von Experimenten zusammen
mit dem Hersteller an dem zu beschaffenden 2-Kugelgerät
nachgegangen werden. Um die verschiedenen Rauschprozesse
trennen zu können soll das Gerät erstmalig mit zwei
unterschiedlich schweren Kugeln bestückt werden.
Von einem Fortschritt in diesem Bereich würden die Supraleitenden
Gravimeter generell profitieren, weil die Geräte in
Zusammenarbeit mit dem Hersteller GWR noch verbessert
werden sollen.

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 11
2c. Bisherigen Förderung von Drittmittelprojekten
in den letzten fünf Jahren
Die Qualität des BFO ist in Geodäsie- und Geophysikkreisen
bekannt und die externe Reputation drückt sich
nicht nur in der Projektförderung (Tabelle 1) sondern in der
Durchführung von Gastexperimenten aus. Deswegen werden
diese hier aufgelistet (Tabelle 2).
Die Qualität begründet sich u.a. mit der effizienten Abschirmung
vor atmosphärischen Störsignalen durch die Druckschleuse
und der hohen Temperaturstabilität hinter der
Schleuse. Zusätzlich führt die hohe Festigkeit des Schwarzwaldgranits
einerseits zu einer guten Ankopplung an die Erde
und gleichzeitig zu einer vergleichsweisen geringen Einkopplung
atmosphärischer Störsignale. Die weitgehend fehlenden
hydrologischen Einflüsse durch Grundwasserpegelschwankungen
tragen besonders bei langen Perioden zur
Qualität des BFO bei.
2d Begründung der Notwendigkeit der Beschaffung
des Geräts, seiner Leistungsklasse
und Ausstattung mit Zubehör (Auslastung
der vorhandenen Geräte, Bereitstellung weiterer
Messmethoden, Erprobung neuer Messmethoden;
sonstige Gründe)
Ein Supraleitendes Gravimeter wird aus folgenden Gründen
benötigt:
(i) Bandbreitenerweiterung zu längeren Perioden. Erniedrigung
der Drift um den Faktor ∼1000 gegenüber bisherigen
Federgravimetern. Driftraten von 2µGal/a werden von den
besten SG erreicht.
(ii) Steigerung der Empfindlichkeit unterhalb 1 mHz.
(iii) Es gibt kein anderes Gerät dieser Klasse.
Diese Punkte sind im einzelnen in der Beschreibung der Forschungsprojekte
erklärt.
2e. Angabe der Mitglieder der Arbeitsgruppe,
die das Gerät nutzen werden
Prof. Dr. B. Heck, GIK, Universität Karlsruhe
Prof. N. Sneeuw, GI, Universität Stuttgart
P. Duffner, GIK, Universität Karlsruhe
Dr. Th. Forbriger, GPI, Universität Karlsruhe
Dr. M. Westerhaus, GIK, Universität Karlsruhe
Dr. R. Widmer-Schnidrig, IfG, Universität Stuttgart
Dr. W. Zürn, BFO, i.R.
2f Tabellarische Aufstellung weiterer Nutzer
Besonderheit: Daten werden via Datenzentren der internationalen
Forschergemeinschaft zugänglich gemacht mit der
Folge, dass uns die Identität vieler Nutzer verborgen bleibt.
Internationale Datenzentren:
IRIS Data Management Center of the Incorporated
Research Institutions for Seismology
(IRIS/DMC), Seattle, U.S.A.
http://www.iris.edu
GGP Global Geodynamic Project Information System
and Data Center (GGPISDC), Potsdam.
http://ggp.gfz-potsdam.de
2g. Nutzung des Geräts in gemeinsamen
Forschungsvorhaben mit sonstigen Einrichtungen
(MPG, FhG, Helmholtz-Gemeinschaft,
Leibnitz-Gemeinschaft, etc. )
GFZ Geoforschungszentrum Potsdam
GWR GWR Instruments, San Diego
MOX Geodynamisches Observatorium Moxa,
Institut für Geowissenschaften, Friedrich-
Schiller-Universität Jena
EOST Ecole et Observatoire des Sciences de la
Terre, Strasbourg
NIED National Institute for Earthquake and
Disaster, Japan
ROB Royal Observatory of Belgium
IfE Institut für Erdmessung, Universität Hannover
ECGS European Center for Geodynamics and Seismology,
Luxemburg
BKG Bundesamt für Kartographie und Geodäsie,
Frankfurt
2h. Geplante Gesamtnutzungszeit des Geräts
für die Arbeitsgruppe während der ersten 12
Monate nach Inbetriebnahme (in Stunden)
Das Gerät wird kontinuierlich betrieben.

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 12
FörderGeschäfts- Tabelle 1: Drittmitelprojekte der letzten 5 Jahre
Titel
einrichtungzeichen (Antragsteller)
DFG HE 1433/11- Geokinematische Analysen in einem regionalen GPS-Netz mit
1/3
stochastischen Modellansätzen.
(Heck)
DFG HE 1433/16-1 Erweiterung des stochastischen Modells von GPS-
BMBF/DFG 03F0421 C
Beobachtungen durch Modellierung physikalischer Korrelationen
(Heck)
Geotechnologienprogamm, Thema 2: Observation of the System
Earth from Space, Project: GOCE-Gravitationsfeld Analyse
Deutschland II – GOCE-Grant II, 01.09.2005–31.08.2008
(Sneeuw, Baur)
DFG SN 13/1-1 Mass Transport and Mass Distribution in the Earth Sys-
SPP1257
tem, Project: The global continental water balance using
GRACE spaceborne gravimetry and highresolution consistent
geodetic-hydrometeorological data analysis, 2006–2008
(Sneeuw, Keller, Bárdossy, Riegger, Kunstmann)
DFG SFB 461 A1 Starkbeben: Seismische Tiefensondierung über der Vrancea-
Subduktionszone
(Ritter, Forbriger)
DFG WE 2628/1,2 Quellen und Übertragungsmechanismen des seismischen
DFG WI 1549/3
Rauschens im Frequenzbereich von 0.01 bis 10 mHz
(Zürn, Westerhaus, Klinge)
Untersuchungen zur Identifikation möglicher Anregungsmechanismen
des seismischen Rauschens zwischen Hum und
Meeresmikroseismik: 7-30 mHz
(Widmer-Schnidrig)
Tabelle 2: Gastexperimente am BFO
Partner Sensor, Projekt (Jahr)
Fördersumme
326.000e
125.600e
(24 Monate BATIIa +
Sach-/ Reisemittel)
(24 Monate BAT IIa +
4.050e weitere Mittel
in meinem Teil
des Projektes)
249.900e
114.500e
100.690e
IFAG Frankfurt Vergleichsmessung eines Supraleitenden Gravimeters (SG-102) mit Federgravimeter und
Breitbandseismometer (1994)
GFZ Potsdam Eichung und Rauschverhalten von GFZ-Neigungsmesser für KTB Bohrlöcher (1997, 2001)
Fundamentalstation Tiltmeterevaluation für Ringlaser (1998)
Wettzell
IRIS/IDA
Buoyancy-Tests an Breitbandseismometer (1998)
San Diego, U.S.A.
TAMA (Japan) Breitband-Laser-Seismometer für Japanischen Gravitationswellendetektor (2001)
EOST Strasbourg Rauschverhalten und Eichung von Mikrobarometern (2003),
Vergleich von 10 STS-2 Seismometern (2004)
Streckeisen AG Rauschverhalten des STS-3 Prototyp Breitbandseismometers (2006)
Schweiz
Nanometrics Inc. Rauschverhalten der Trillium-240 und Trillium-120 Breitbandseismometer.
Ontarion, Canada Untersuchung zur magnetischen Empfindlichkeit (2006, 2007)
IPGP Paris Rauschverhalten und Eichung des Breitbandseismometers welches in ESA Mission zum Planeten
Mars eingesetzt werden soll. Für dieses Projekt liegt ein Antrag der ESA vor und ein
Mitarbeiter des BFO ist Mitantragsteller.

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 13
Tabelle 3: Am BFO installierte geophysikalische Messgeräte
Sensoren: Art und Funktion Ort Art der Beschaffung prozentuale
Nutzung
ET-19 LaCoste-Romberg Gezeitengravimeter BFO DFG 100%
ET-11 LaCoste-Romberg Gezeitengravimeter BFO Dauerleihgabe UCLA 100%
STS-1 3-Komponenten Breitbandseismometer BFO Berufungsmittel Prof. 100%
STS-2 3-Komponenten Breitbandseismometer BFO
Wielandt, IfG Stuttgart
DFG 100%
Askania Bohrlochpendel BFO DFG 100%
Horsfall Schlauchwaage BFO Haushalt BFO 100%
Invardraht Extensometerarray BFO Haushalt BFO 100%
Overhauser Magnetometer BFO Haushalt BFO 100%
3-Komponenten Fluxgatemagnetometer BFO Haushalt BFO 100%
Trimble GPS Empfänger BFO GIK 100%
2 Paroscientific Mikrobarometer BFO Haushalt BFO 100%
Weitere Meteorologiesensoren BFO Haushalt BFO 100%
Mess-Infrastruktur
Stollensystem mit exklusiven Nutzungsrechten BFO Gestattungsvertrag Fürst 100%
für wissenschaftliche Zwecke
von Fürstenberg
Druckschleuse BFO Haushalt BFO 100%
Hochgenaue Observatoriumsuhr BFO Haushalt BFO 100%
Notstromagregat mit 8 kW Leistung BFO VW-Stiftung 100%
LWL-basiertes LAN im Stollen BFO Haushalt BFO 100%
3. Vorhandene Geräte
Angabe aller für die wissenschaftlichen Arbeiten wesentlichen Geräte, die der Gruppe bisher zur Verfügung stehen
und zu denen sie Zugang hat (Tabellarische Aufstellung der Geräte: Art und Funktion, Ort, Art der Beschaffung,
prozentuale Nutzung).
Alle am BFO installierten Geräte (Tabelle 3) registrieren im Dauerbetrieb. Die in der zweiten Tabellenhälfte aufgelisteten
Geräte stehen dem BFO für kurzzeitige Messungen zur Verfügung.
Externe Geräte, zu denen das BFO für episodische Messungen Zugang hat:
Externe Messgeräte Ort
Feldgravimeter GIK, Universität Karlsruhe,
GIS, Universität Stuttgart,
Universität Jena,
Universität Berlin
Kreiselkompass GIK, Universität Karlsruhe
Präzisionsnivellier GIK, Universität Karlsruhe
Totalstation GIK, Universität Karlsruhe
FG-5 Absolutgravimeter EOST, Strasbourg,
BKG, Frankfurt,
IfE, Universität Hannover

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 14
4 Preis und Angebotsvergleich
Da die Firma GWR weltweit der einzige Hersteller von
Supraleitenden Gravimetern ist, können keine Angebote
verglichen werden. Deshalb entfallen die Punkte 4a-4c.
Spezifikation und Leistung: Wir sind im Dialog mit dem
Hersteller um eine Formulierung für unsere gewünschten
spezifischen Geräteeigenschaften zu finden, die so lauten,
dass der Hersteller in seiner Werkstatt überprüfen kann, ob
das Gerät die Anforderungen des Auftraggebers erfüllt. Die
Schwierigkeit dabei ist, dass die seismische Bodenunruhe
in San Diego unvergleichlich grösser ist als am BFO.
Wir haben uns auch schon vor der Antragstellung vergewissert,
dass aktuell ausgelieferte Geräte von GWR (Baureihe:
OSG) weiterhin die gewünschten Qualitätsmerkmale (Baureihe
Compact) besitzen.
Leistungskatalog (siehe auch Abschnitt 2d.)
(1) Drift: Die Instrumentendrift ist kleiner als
2µGal/a.
(2a) Rauschpegel: Die spektrale Leistungsdichte
(PSD) des Instrumentenrauschens an seismisch
ruhigen Tagen ist im Frequenzband 2-7
mHz kleiner als 4 × 10 −18 (m/s 2 ) 2 /Hz
(2b) Die PSD kreuzt das NLNM (Peterson, 1993)
oberhalb von 0.8 mHz.
(3a) Die Frequenz aller parasitären Moden ist
grösser als 10 mHz.
(3b) Die parasitären Moden werden nur durch
menschliche Interaktionen angeregt.
5 Verantwortliche für die Arbeitsgruppe
Name Institution
Prof. B. Heck, Geodätisches Institut, Universität Karlsruhe (GIK)
Prof. F. Wenzel, Geophysikalisches Institut, Universität Karlsruhe (GPI)
Prof. M. Joswig, Institut für Geophysik, Universität Stuttgart (IfG)
Prof. N. Sneeuw, Geodätisches Institut, Universität Stuttgart (GI)
Preis: Das Angebot vom Hersteller (siehe Anlagen) liegt
uns in US$ vor und unterliegt somit Wechselkursschwankungen.
Wir haben nachfolgend den Wechselkurs vom 1.
Aug. 2007 für die Währungskonversion angestzt.
Angebot vom 13. März 2007
Wechselkurs vom 1.8.2007: 1,3695 $/e
(1) Supraleitendes Gravimeter
Kompressor
Steuerungselektronik
Datenerfassung
Ersatz Kaltkopf
weiteres Zubehör
Trainingskurs in San Diego
448.690e
(2) Einfuhrumsatzsteuer (19%) 85.251e
Total 533.941e

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 15
6 Unterschriften und Datum

Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 16
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Wissenschaftliche Lebensläufe
Prof. Bernhard Heck
Prof. Nico Sneeuw
Dr. Thomas Forbriger
Dr. Malte Westerhaus
Dr. Rudolf Widmer-Schnidrig
Dr. Walter Zürn

Curriculum vitae - Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.h.c. Bernhard Heck
Position Professor, Geodetic Institute, University of Karlsruhe
Address Geodetic Institute, University of Karlsruhe, Englerstr. 7, D-76128 Karlsruhe, Germany.
Tel. +49-721-608-3674(Office), E-mail: heck@gik.uni-karlsruhe.de;
Secretary: Mrs. D. Bracko (Tel. +49-721-608-3668, Fax 49-721-608-6808,
e-mail: diana@gik.uni-karlsruhe.de;)
Education and degrees
1974 Diplom-Ingenieur in Geodesy, University of Karlsruhe
1979 Dr.-Ing. in Geodesy from Faculty of Civil Engineering and Geodesy, University of Karlsruhe
1984 Habilitation in Geodesy, University of Karlsruhe
Academic positions
1974 - 1979 Research Assistant at the Geodetic Institute, University of Karlsruhe
1979 – 1985 Associate Professor (Hochschulassistent) at the Geodetic Institute, University of
Karlsruhe
1985 - 1991 Associate Professor (Privatdozent) at the Geodetic Institute, University of Stuttgart;
research stays at Faculteit der Geodesie TU Delft, and Dept. of Geodetic Science and
Surveying, Ohio, State University, Columbus/OH, USA
since 1991 Full Professor (Physical and Satellite Geodesy) at the Geodetic Institute of the
University of Karlsruhe
Research
Physical Geodesy: terrestrial and spaceborne gravity field determination, geodetic boundary value
problems, vertical reference systems, modelling of topographic-isostatic effects.
Satellite Geodesy: GPS positioning (mitigation of errors due to multipath and atmospheric effects,
antenna calibration; determination of precibitable water vapor from GPS signals).
Mathematical Geodesy: textbook on geodetic reference systems; deterministic and stochastic models
in geodetic deformation analysis, time series analysis of permanent GPS data.
Interdisciplinary geodynamic projects: recent crustal movements in the regions of the Upper Rhine
Graben and Antarctic Peninsula.
About 130 scientific papers in refereed journals and Symposia Proceedings
About 160 presentations at scientific meetings
Supervisor of 15 PhD dissertations and 4 habilitations
Responsibilities, awards, memberships
1986 - 1991 Heisenberg Research Scholarship of the German Research Foundation (DFG). 1999 -
2003 President of IAG Section IV – General Theory and Methodology. Since 1996 Study Dean for
Geodesy and Geoinformatics at Karlsruhe University. Director of the Geoscientific Observatory in
Schiltach/Black Forest (BFO) since 1999. Member of the EUCOR-URGENT Scientific Steering
Committee since 2001. Since 2004 Spokesman of the Scientific Advisory Board of the DGK (Deutsche
Geodätische Kommission). 2006 Dr.h.c. at the Budapest University of Technology and Economics.
5 relevant publications
Heck, B.; Seitz, K.: A comparison of the tesseroid, prism and point-mass approaches for mass
reductions in gravity field modelling. Journal of Geodesy, 81 (2007), 121-136
Bischoff, W.; Heck, B.; Howind, J.; Teusch, A.: A procedure for estimating the variance function of
linear models and for checking the appropriateness of estimated variances: a case study of GPS
carrier-phase observations. Journal of Geodesy (2006) 79, 694 – 704
Rozsa, S.; Heck, B.; Mayer, M.; Seitz, K.; Westerhaus, M.; Zippelt, K.: Determination of
Displacements in the Upper Rhine Graben Area from GPS and Leveling Data. Int. J Earth Sci
(Geol. Rundsch.) (2005) 94: 538 - 549
Rozsa, Sz.; Mayer, M.; Westerhaus, M.; Seitz, K.; Heck, B.: Towards the determination of
displacements in the Upper Rhine Graben area using GPS measurements and precise antenna
modelling. Quaternary Science Reviews, 24 (2005), 425 - 438
Adam,. F.; Dede, K.; Heck, B.; Kutterer, H.; Mayer, M.; Seitz, K.; Szucs, L.: GPS deformation
measurements in the geodynamic test network Soskut. Periodica Polytechnica, Ser. Civ. Eng.
Vol. 46, No 2 (2003), 169 – 177

Curriculum Vitae - Prof. Dr.-Ing. Nico Sneeuw
Position Professor, Institute of Geodesy, Universität Stuttgart
Address Institute of Geodesy, Universität Stuttgart, Geschwister-Scholl-Str. 24D, D-70174
Stuttgart, Germany. Tel. +49 / 711-685-83389(Office), E-mail: sneeuw@gis.unistuttgart.de
Secretary: Mrs. A. Vollmer (Tel. +49 / 711-685-83390, Fax 49 / 711-685-83285,
e-mail: gis@gis.uni-stuttgart.de)
Education and degrees
1989 Dr.-Ing. in Geodesy, graduation cum laude, Faculty of Geodetic Engineering,
Delft University of Technology, The Netherlands
2000 PhD cum laude (Dr.-Ing. mit Auszeichnung), Technische Universität München
Academic positions
1990–1993 Research Assistant, Fac. of Geodetic Engineering, Delft University of Technology, NL
1993–2001 Research Associate, Inst. F. Astr. u. Phys. Geodäsie, TU München
2001–2005 Assistant Professor, Dept. of Geomatics Engineering, University of Calgary, Canada
2005–2009 Adjunct Professor, Dept.of Geomatics Engineering, University of Calgary, Canada
2005–present Professor, Head, Institute of Geodesy, Universität Stuttgart
Research
Physical Geodesy, spaceborne gravimetry, gravity field and geoid modelling, vertical datums, microgravimetry,
future gravity field satellite mission design, geodetic-hydrometeorological modelling of
continental water budgets, geodetic-oceanographic ocean monitoring, dynamic satellite geodesy,
formation flying
About 35 scientific papers in refereed journals and symposia proceedings
About 100 presentations at scientific meetings, 15 of which invited
Supervisor of 3 PhD dissertations
Responsibilities, awards, memberships
Associate Dean of programmes Geodäsie & Geoinformatik and GEOENGINE, 09.2006–present
Elected Fellow of the International Association of Geodesy (IAG), 2003
Member of the editorial board of Journal of Geodesy, 2004–present
Member of the editorial board of Studia Geophysica et Geodaetica, 2006–present
Chair of AK7 (working group 7), Experimentelle, Angewandte und Theoretische Geodäsie, within DVW
(Gesellschaft für Geodäsie, GeoInformation und LandManagement), 2005–present
Full member of the Deutsche Geodätische Kommission (DGK), since November 2005
Chair of DGK-working group Theoretische Geodäsie, since November 2006
Humboldt Research Fellowship, Alexander von Humboldt Foundation, Germany, 2004
5 relevant publications
Sneeuw N, J Flury, R Rummel (2005). Science requirements on future missions and simulated
mission scenarios, Earth, Moon and Planets 94(1-2):113–142, DOI 10.1007/s11038-005-7605-7
Gruber C, D Tsoulis, N Sneeuw (2005). CHAMP accelerometer calibration by means of the equation of
motion and an a-priori gravity model, ZfV 130(2):92–98
Sneeuw N, H Schaub (2005). Satellite clusters for future gravity field missions, in: C Jekeli, L Bastos, J
Fernandes (eds.) Gravity, Geoid and Space Missions, IAG symposium 129, pp 12–17, Springer
Verlag
Sneeuw N, Ch Gerlach, L Földváry, Th Gruber, Th Peters, R Rummel, D vehla (2004). One year of
time-variable CHAMP-only gravity field models using kinematic orbits, in: F Sansò (ed.) A Window
on the Future of Geodesy, IAG symposium 128, pp 288–293, Springer Verlag
Sneeuw N (2003). Space-Wise, Time-Wise, Torus and Rosborough Representations in Gravity Field
Modelling, Space Science Reviews 108(1–2):37–46, DOI 10.1023/A:1026165612224

Curriculum vitae – Dr. Thomas Forbriger
Position Scientist (Akademischer Rat), Geophysical Institute, University of Karlsruhe (TH).
Address Black Forest Observatory (BFO), Heubach 206, D-77709 Wolfach.
Tel. +49-7836 2151, Fax +49-7826 7650
E-mail: Thomas.Forbriger@gpi.uni-karlsruhe.de
Education and degrees
1996 Diploma in Physics, University of Stuttgart
2001 Dr. rer. nat., Faculty of Geo- and Biosciences, University of Stuttgart
Academic positions
1996 - 2000 Researcher, Institute of Geophysics, University of Stuttgart
2000 - 2003 Assistent Professor (Hochschulassistent), Institute for Meteorology and Geophysics,
Johann Wolfgang Goethe University Frankfurt/Main
since 2003 Scientist at the Black Forest Observatory, Akademischer Rat am Geophysikalischen
Institut der Universität Karlsruhe (TH)
Research
Development of methods for the interpretation of seismic data: Inversion of complete shallow seismic
wavefields. Application of shallow seismic wavefield inversion to marine datasets and seismic
mircozonation. Quantitative modelling of observed seismic waveforms in strongly dissipating media.
Surface wave tomography in shallow seismic applications. Inversion of regional Love waves for the
structure beneath Bucharest city. Quantitative interpretation of seismic background noise. Quantitative
interpretation of long period seismic tilt.
Improvement of broad-band seismic recordings: Reducing magnetic field induced noise in recordings
from leaf-spring seismometers. Improvement of installation procedures for broad-band seismic
sensors. Evaluation of long period recording equipment and design of observatory quality analog
signal filters and amplifiers.
Responsibilities, awards, memberships
1996 - 2000 Maintenance of the seismic broad-band station STU, contributions to a SeisComP
prototype installation
2000 - 2003 Maintenance of the seismic broad-band station TNS (German Regional Seismic
Network)
since 2003 Operation and maintenance of the Black Forest Observatory with about 20 permanent
long period geodynamic sensors
2006 Günter Bock Award of the German Geophysical Society for excellent scientific
publications
Member of the German Physical Society (DPG)
Member of the German Geophysical Society (DGG)
5 relevant publications
Forbriger, T., 2007. Reducing magnetic field induced noise in broad-band seismic recordings.
Geophys. J. Int., 169, 240-258.
Forbriger, T. and Friedrich, W., 2005. A proposal for a consistent parameterization of earth models
Geophys. J. Int., 162(2), 425-430.
Forbriger, T., 2003. Inversion of shallow-seismic wavefields: I. Wavefield transformation. Geophys. J.
Int., 153, 719-734.
Forbriger, T., 2003. Inversion of shallow-seismic wavefields: II. Inferring subsurface properties from
wavefield transforms. Geophys. J. Int., 153, 735-752
Wielandt, E. and Forbriger, T., 1999. Near-field seismic displacement and tilt associated with the
explosive activity of Stromboli Annali di Geofisica, 42(3), 407-416

Curriculum vitae - Dr. Malte Westerhaus
Position Researcher (Wissenschaftlicher Angestellter), Geodetic Institute, Karlsruhe University.
Address Geodetic Institute, University of Karlsruhe, Englerstr. 7, D-76128 Karlsruhe, Germany.
Tel. +49-721-608-3673(Office), E-mail: westerhaus@gik.uni-karlsruhe.de;
Education and degrees
1986 Diploma in Geophysics, Hamburg University
1995 Ph.D. in Geophysics, Faculty of mathematics and natural sciences, Kiel University
Academic positions
1986 – 1993 Research assistant at the Geophysical Institute of Kiel University
1993 – 1999 Research assistant at the GeoForschungsZentrum Potsdam
Since 1999 Researcher at the Geodetic Institute of Karlsruhe University
Research
earth tides: analysis of earth tidal anomalies near crustal faults and cavities, long term stability of earth
tidal parameters.
analysis of environmental noise: investigation of physics of seismic noise in horizontal components,
study of poroelastic deformation of the ground due to infiltration of water and effects on tilt
measurements and seismicity
geodynamical analyses: interpretation of tilt measurements along crustal fault and volcanoes, 3D
numerical modelling of the deformation of Merapi Volcano due to internal and external forces, recent
crustal movements in the Upper Rhine Graben Area (EUCOR-URGENT), detection of ground
movements by InSAR (Dead Sea) and integration of InSAR observations into the geodetic
deformation analysis.
About 29 scientific papers in refereed journals and Symposia Proceedings
About 44 presentations at scientific meetings
Responsibilities, awards, memberships
Member of the American Geophysical Union (AGU) since 1997
5 relevant publications
Rozsa, S., Heck, B., Mayer, Seitz, M., Westerhaus, M., Zippelt, K.: Determination of displacements in
the Upper Rhine Graben Area from GPS and Leveling Data. International Journal of Earth
Sciences – EUCOR-URGENT Special Issue, Issue: Volume 94, Number 4, 538-549, 2005.
Westerhaus, M., Wyss, M., Yilmaz, R., Zschau, J.: Correlating variations of b values and crustal
deformations during the 1990s may have pinpointed the rupture initiation of the Mw=7.4 Izmit
earthquake of 1999 August 17. Geophys. J. Int., 148, 139 – 152, 2002.
Westerhaus, M., Welle, W.: Environmental effects on tilt measurements at Merapi volcano. Bull. Inf.
Marees Terrestres, 137, 10917 – 10926, 2002.
Westerhaus, M., Zschau, J.: No clear evidence for temporal variations of tidal tilt prior to the 1999
Izmit and Düzce earthquakes in NW-Anatolia. J. Geod. Soc. Japan, 47 448-455, 2001.
Westerhaus, M., Zürn, W.: On the use of earthtides in geodynamic research. J. Geod. Soc. Japan,
47, 1-9, 2001.

Curriculum vitae – Dr. Rudolf Widmer-Schnidrig
Position Researcher (Wissenschaftlicher Angestellter), Institute of Geophysics, Stuttgart
University.
Address Black Forest Observatory (BFO), Heubach 206, D-77709 Wolfach.
Tel. +49-7836 2151, Fax +49-7826 7650
E-mail: widmer@geophys.uni-stuttgart.de
Education and degrees
1985 Diploma in Geophysics (Dipl. Natw.), Swiss Federal Institute of Technology (ETHZ)
1991 Ph.D. in Geophysics, Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP), Scripps Institution
of Oceanography, University of California San Diego, San Diego, California, U.S.A.
Academic positions
1982 - 1983 Research Assistant at Arizona State University, Tempe, Arizona, U.S.A.
1985 – 1991 Research Assstant at Institute of Geophysics and Planetary Physics, UCSD, San
Diego, California, U.S.A.
1991 - 1998 Researcher, SFB 108, Institute of Geophysics, Karlsruhe University.
1998 - 2000 Postdoctoral Researcher, Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP),
UCSD, San Diego, California, U.S.A.
since 2000 Researcher at the Black Forest Observatory (Wissenschaftlicher Angestellter am
Institut für Geophysik, Universität Stuttgart)
Research
Free oscillation seismology: analysis of free oscillations for the estimation of degenerate mode
frequencies and attenuation rates. Inversion of mode frequencies for refined models of the spherically
averaged elastic and anelastic Earth structure. Analysis of mode splitting and subsequent inference of
long wavellength heterogeneous mantle and core structure.
Seismic sensor evaluation: inverstigation of optimal shielding from environmental noise sources for
broad-band seismic sensors. Development of methods to correct vertical component free oscillation
spectra for the effect of local atmospheric presseure.
Development of geophysical sensors: construction of an infrasound detector based on a fiber optic
interferometer.
About 24 scientific papers in refereed journals and Symposia Proceedings
About 45 presentations at scientific meetings
Supervisor of 1 Ph.D. dissertation
Responsibilities, awards, memberships
1994 - 1995 Recipient of stipend from the Swiss Academy of Sciences
1998 - 2000 Green Scholar, Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP), UCSD, San
Diego, California, U.S.A.
since 2000 Operation and maintenance of the Black Forest Observatory with about 20 permanent
long period geodynamic sensors.
since 2006 member of the SEIS/EXOMARS science team for the deployment of a broad-band
seismometer on planet Mars.
since 1985 Member of the American Geophysicsl Union (AGU)
since 1992 Member of the German Geophysical Society (DGG)
5 relevant publications
Widmer, R. and Masters, G. and Gilbert.: Spherically symmetric attenuation within the Earth from
normal mode data. Geophys. J. Int. 104, 541 – 553.
Widmer, R. and Masters, G. and Gilbert, F.: Observably split multiplets -- data analysis and
interpretation in terms of large-scale aspherical structure. Geophys. J. Int. 1992, 111, 559 – 576.
Widmer, R. and Zürn, W.: Bichromatic excitation of long-period Rayleigh and air waves by the Mount
Pinatubo and the El Chichon volcanic eruptions. Geophys. Res. Lett. 1992, 19, 765 – 768.
Widmer-Schnidrig, R.: Application of regionalized multiplet stripping to retrieval of aspherical
structure constraints. Geophys. J. Int. 2002, 148, 201 – 213.
R. Widmer-Schnidrig.: What can Superconducting Gravimeters contribute to normal mode
seismology? Bull. Seismol. Soc. Am. 2003, 93, 1370 – 1380.

Curriculum vitae – Dr. Walter Zürn
Position Akademischer Direktor, i.R., Institute of Geophysics, Karlsruhe University.
Address Black Forest Observatory (BFO), Heubach 206, D-77709 Wolfach.
Tel. +49-7836 2151, Fax +49-7826 7650
E-mail: walter.zuern@gpi.uni-karlsruhe.de
Education and degrees
1963 Diploma in physics, Stuttgart University
1970 Dr. of Science (Dr. rer. Nat.), Stuttgart University
Positions
1964 - 1970 Scientific assistant, Institute of Geophysics, Stuttgart
1970 - 1973 Postdoctorate Res. Geophysicist, IGPP, UCLA.
1971 - 1972 Senior scientific leader, Amundsen-Scott South Pole station (geogr. South Pole)
1974 - 1998 Acad.- and Senior Acad.-Council, Geophys. Inst., Karlsruhe University and BFO
1998 Academic Director
since 2002 Retirement
Research
Free oscillations of the Earth, Tides, Gravity variations, Interactions between Earth and atmosphere.
Responsibilities
1977 - 1993 President, geophysics sec. of working group on geodesy and geophysics in Germany
1981 - 1993 Leader of subproject in Special Research Project 108 ``Stress and stressmodifications
in the lithosphere’’.
1986 – 2002 Member of steering committee Gräfenberg (presiding in 1988, 1992, 1998).
1992 Member of German delegation (7) in physical volcanology to Java, Indonesia.
1993 Member of German seismological delegation (10) to People’s Republic of China.
Awards
1976 Naming of "ZURN PEAK" in Mary Byrd Land, Antarctica
1977 Antarctica Service medal, U.S.A.
1999 Citation for excellence in reviewing by Am. Geophys. Union
2004 Rebeur-Paschwitz-Medal, German Geophys. Soc. (DGG)
8 relevant publications
Müller, T., Zürn, W.: Observation of Gravity Changes During the Passage of Cold Fronts.
J. Geophysics (1983) 53, 3, 155 – 162.
Neuberg, J., Hinderer, J., Zürn, W.: Stacking gravity tide observations in Central Europe for the
retrieval of the complex eigenfrequency of the Nearly Diurnal Free Wobble. Geophys. J. R. astr.
Soc. (1987) 91, 853 – 868.
Müller, G., Zürn, W., Lindner, K., Rösch, N.: Determination of the Gravitational constant by a
hydroelectric-lake experiment. Phys. Rev. Let. (1989) 63, 2621 – 2624.
Widmer, R., Zürn, W.: 1992. Bichromatic excitation of long-period Rayleigh and air waves by the
Mount Pinatubo and El Chichon volcanic eruptions. Geophys. Res. Lett., (1992), 19, 8, 765 – 768.
Richter, B., Wenzel, H.-G., Zürn, W.: Klopping, F., From Chandler Wobble to Free Oscillations:
Comparison of Cryogenic Gravimeters and Other Instruments in a Wide Period Range. Phys.
Earth Planet. Int., (1995) 91, 131 – 148.
Zürn, W., Widmer, R.: On noise reduction in vertical seismic records below 2 mHz using local
barometric pressure. Geophys. Res. Lett., (1995) 22, 24, 3537 – 3540.
Zürn, W., Laske, G., Widmer-Schnidrig, R., Gilbert, F.: Observation of Coriolis coupled modes below
1 mHz. Geophys. J. Int. (2000) 143, 113 - 118.
Zürn, W. and Wielandt, E.: On the minimum of vertical seismic noise near 3 mHz. (2007)
Geophys. J. Int., 168, 647 - 658.

Betriebs- und Nutzungskonzept

Betriebs- und Nutzungskonzept
1. Vorhandene und geplante Geräte
für ein Supraleitendes Gravimeters am BFO, Revision 3. August 2007
Stellen Sie bitte in Bezug zum beantragten Gerät die vorhandene Ausstattung tabellarisch dar. Bitte alle Geräte
mit entsprechender Funktion - ggf. auch anderen Leistungsdaten- aufführen, die an der Hochschule zur Verfügung
stehen.
Es steht kein vergleichbares Gerät an den Universitäten Karlsruhe oder Stuttgart zur Verfügung. Nachfolgend werden alle
Sensoren des BFO, die in Bezug zur Messung der vertikalen Bodenverschiebung resp. der Änderung des Schwerefeldes
stehen, tabelliert.
Bezeichnung Funktion Besondere Eigenschaften
LCR ET-19 LaCoste-Romberg Gezeitengravimeter.
Astasierte Nulllängenfeder mit kapazitivem
Wegaufnehmer
Feedback.
und elektrostatischen
LCR ET-11 LaCoste-Romberg Gezeitengravimeter.
Weitgehend baugleich mit ET-19.
Streckeisen STS-1 Blattfeder Seismometer mit induktivem
Wegaufnehmer und force-balance Feedback
Streckeisen STS-2 Triaxiales Blattfederseismometer mit kapazitivem
Wegaufnehmer und force-balance
Feedback
Johnson-Matheson
6840
Kurzperiodisches elektrodynamisches Vertikalseismometer
mit induktivem Wegaufnehmer
Trimble 4700 GPS Geodätischer GPS Empfänger und Antenne
zur Positionsbestimmung.
Parosci 6000-16B Absolutes Mikrobarometer mit Temperaturkompensation
SG (GWR) Supraleitendes Gravimeter. Basiert auf
magnetischer Levitation einer supraleitenden
Kugel. Kapazitiver Wegaufnehmer mit
elektromagnetischem Feedback.
2. Darstellung des Nutzungs- und Betriebskonzepts
z.B. dezentrale Nutzung in einzelnen Arbeitsgruppen
oder zentrale Nutzung (core facility). Wie ist der Zugang
zu dem Gerät geregelt? Wer ist verantwortlich für den
Gerätebetrieb?
Das beantragte Supraleitende Gravimeter soll kontinuierliche
Daten mit hoher Qualität registrieren. Das bedeutet,
dass der Besuch des Geräts durch Wissenschafter und
1
Mit diesem Gerät wurden über viele Jahre
die Vorgängermodelle der heutigen SGs
(Baureihe Compact und OSG) herausgefordert.
Registriert erst seit 2007 am BFO.
Empfindlichstes Seismometer zwischen 1
mHz und 10 Hz. Das STS-1 am BFO definiert
in mehreren Frequenzbändern sowohl
vertikal als auch horizontal den weltweit
niedrigsten, bisher erreichten Rauschpegel.
Ergänzt STS-1 bei Frequenzen oberhalb 10
Hz.
Niedrigstes Eigenrauschen oberhalb 15Hz.
Geeignet für säkulare Signale. Ergänzt Absolutschweremessungen.
Erfasst atmosphärische Störsignale.
Höchste Empfindlichkeit bei Frequenzen
f

Betriebs- und Nutzungskonzept 2
3. Personelle Voraussetzungen für den Gerätebetrieb
Wieviel Personal (aufgelistet in wissenschaftliches,
technisches und Verwaltungspersonal) ist für die angemessene
Bedienung und Wartung des Gerätes erforderlich?
Ist das Personal vorhanden? Welche Vorbildung
hat das verfügbare Personal für die vorgesehenen
Aufgaben? Wie soll fehlendes Personal bereitgestellt
werden? Wieviel Personal (aufgelistet in wissenschaftliches,
technisches und Verwaltungspersonal) ist für die
angemessene Bedienung und Wartung des Gerätes erforderlich?
Das Gerät soll möglichst lange registrieren und das
4 Räumliche Voraussetzungen für den Gerätebetrieb
Ausführliche Darstellung des vorgesehenen Gerätestandorts
Das Untertagestollensystem welches dem BFO für den Betrieb
von Messgeräten zur Verfügung steht ist in Abb. 1
schematisch dargestellt. Das Supraleitende Gravimeter soll
auf einem bereits vorbereiteten und auf Granit gegründeten
Betonsockel in der Pendelkammer installiert werden, dort
wo sich jetzt noch das Askania-Vertikalpendel befindet.
Das Gerät soll kontinuierlich betrieben werden um die im
Antrag unter Punkt 2 (Forschungsprojekte I - V) erwähnten
Signale zu registrieren.
Die Vorteile einer Installation im Messstollen des BFO sind:
(1) Stabilität des Untergrundes. Das Stollensystem befindet
sich in kompetentem Schwarzwaldgranit. (2) kein oder nur
kleines hydrologisches Signal. (3) Installation hinter Druckschleuse.
(4) Temperaturstabilität im Stollen.
Jetzt schon im Stollen vorhandene Messinfrastruktur, von
der das zu beschaffende SG profitieren wird, umfasst:
(1) Unterbrechungsfreie Stromversorgung; (2) Vorinstallierte
Lichtwellenleiter (LWL) für die Übertragung der Messdaten.
LWL haben sich besonders als Massnahme gegen
möglichst ohne menschliche Intervention. Absehbare Ausnahmen
sind seltene Eichungen und Kühlkopfwartungen.
Für die Bedienung und Wartung des Geräts sind ein Wissenschafter,
ein Techniker und ein Bruchteil einer Verwaltungsstelle
erforderlich. Alle drei Aufgaben können mit dem
vorhandenen Personal abgedeckt werden.
Personal (Dienststelle) Ausbildung
Wissenschafter (BFO) Physikalische Ausbildung
Techniker (BFO) Industriemeister Metall
Sekretärin (GIK) Verwaltungsangestellte
Überspannungen im Falle von Gewittern bewährt und haben
so zu einer Verminderung von Datenausfällen geführt. (3)
Hochgenaue GPS-geführte Observatoriumsuhr (Freilauffehler
< 5 × 10 −8 ).
Sind Baumaßnahmen notwendig/geplant?
Weil wir erwarten, dass das Supraleitende Gravimeter häufiger
besucht werden muss als unsere bisher installierten
Sensoren, soll auf der Wittichener Strecke, kurz hinter der
Abzweigung zur Pendelkammer eine zweite Druckschleuse
eingebaut werden (siehe Abb. 1). Diese Maßnahme ist nicht
erforderlich für den Betrieb des SGs. Wir erwarten aber,
dass die Druckpulse, welche bei jedem Schleusendurchgang
im Stollen auftreten, durch die zweite Schleuse derart
abgemindert werden, dass sich Besuche des SGs nicht in
den Daten der anderen Sensoren bemerkbar machen. Geplant
ist, dass sowohl das Lacoste-Romberg Gravimeter als
auch das Askania Gezeitenpendel versetzt werden und neu
hinter der zweiten Druckschleuse installiert werden.
Soll das Gerät temporär an einem anderen Ort genutzt
werden?
Nein.
5 Voraussichtliche jährliche Betriebsstunden
Dauerbetrieb ist angestrebt und dafür ist das Gerät auch
ausgelegt.

Betriebs- und Nutzungskonzept 3
Abbildung 1: Stollenplan des Observatoriums. Über seine gesamte Länge von ca. 700m steigt der Stollen nur im Zugangsbereich
zum Antongang leicht an. Im Bereich des Antongangs ist die Überdeckung durch kristallines Grundgebirge
und Bundtsandstein 96m mächtig, bei der Pendelkammer 150m und zuhinterst 176m. Alle geophysikalischen Messgeräte
befinden sich im Bereich hinter der Druckschleuse. Das Supraleitende Gravimeter soll in der Pendelkammer installiert
werden, dort, wo jetzt noch das Askania-Gezeitenpendel betrieben wird. Die neue Druckschleuse (rot) wird noch im 2007
eingebaut.
6 Folgekosten
Folgekosten können durch den Etat des Observatoriums abgedeckt
werden. Der grösste absehbare Posten betrifft die
Wartung des Kaltkopfes. Dieser unterliegt einer mechanischen
Abnutzung und muss alle 2-4 Jahre vom Hersteller
überarbeitet werden.
Unterschrift des für die Angaben in diesem Beiblatt Verantwortlichen
Datum, Unterschrift: Prof. Dr.-Ing. Bernhard Heck
Dienstanschrift: Geodätisches Institut, Universität Karlsruhe
Englerstraße 7, D-76131 Karlsruhe
Tel: 0721 608 3674
E-mail: heck@gik.uni-karlsruhe.de
Betriebskosten, jährlich
Energie ( 1.1 kW ) 1600e
Unterhaltskosten
Wartung Adsorber 1500e alle 3 Jahre
Wartung Kaltkopf 2400e alle 2-4 Jahre
Heliumgas zur
Kaltkopfreinigung
∼100epro Jahr

Angebot vom Hersteller
GWR Instruments, Inc.
San Diego, U.S.A.

Date: March 19, 2007
Quote To:
Black Forest Observatory Schiltach (BFO)
Heubach 206
D-77709 Wolfach
Germany
Tel: 049-7836-2151
Fax: 049-7836-7650
GWR
INSTRUMENTS, Inc.
PRICE QUOTATION
Reference #: Germany_BFO_Dual_2007c_ OSG_070313_qte.doc
Item
Description
1 I. GWR_OSG Observatory Dual Superconducting Gravity Sensor and
Refrigeration System, including -
• GSU-4A: Superconducting Gravity Sensing Unit (GSU) with dual
spheres. One sphere will be standard mass between 4 to 6 grams; best
effort will be made to make second mass as large as possible – but at
least in range of 12 to 30 grams;
• TM-7B: GWR Cryogenic Tiltmeters (with magnetic damping);
• TCS-6: Automatic Tilt Compensation System;
• HTK-4: Helium Transfer Kit;
• Dewar head heater to prevent condensation
• OGD-35L-S: Observatory SG Liquid Helium Dewar, 0-Boiloff while
refrigeration system is operating;
• OGD-35-REF: 4 Kelvin Refrigeration System and Vibration Isolation
system. Includes the SHI Cryocooler Model SRDK-101E-A11E,
manufactured to GWR specifications. Helium Compressor is aircooled.
Vibration isolation assembly design allows easy removal of
cryocooler for service Dewar Pressure controller maintains constant
Dewar pressure while refrigeration system operates.
2 II. Integrated Electronics and Data Acquisition System for Dual Sphere
Gravimeter, including -
• GEP-3A: Gravimeter Electronics Package;
• TREE-4: Temperature regulated electronics package
• DPS-4: Current Supply/Heater Pulser;
• DDAS-3 OSG Digital Data Acquisition Package, including;
1. GWR Instruments Data Acquisition Controller (DAC);
2. Dual (2) High Resolution 7 Digit DVMs (Agilent 34420A Nano
Volt Meters);
Page 1
Quote Provided by:
GWR Instruments, Inc.
Richard Warburton
6264 Ferris Square Suite D
San Diego CA 92121
USA
Phone: 858. 452.7655
FAX: 858.452.6965
Price US$
$ 491,340
$ 62,940

3. GEP-3 Remote Control Card with 16 bit A/D converter and
multiplexer;
4. Remote Control Computer Interface and software
5. Voltage Transfer Standard
6. Trimble GPS Receiver (Smart Antenna) with 30 meter cable;
7. User Interface PC (UIPC) running Microsoft Windows;
8. UIPC Data Acquisition Software;
9. Gigabit Ethernet;
10. Lightening protection (GPS signal and power, LAN interface);
11. All necessary cabling.
3 CEH-15M: Compressor extension hoses, 200 meters; or alternative method for
operating and cooling the compressor inside the BFO mine
4 GWR-OG 4KCS: Second (spare) GWR-OG 4 Kelvin Cryocooler System,
includes coldhead, compressor, hoses, and GWR support arm. Allows coldhead
exchange by minimally trained personnel.
SUB-TOTAL
Page 2
$ 12,300
$ 31,800
US $ 598,380
5 Installation and training by GWR personnel at customer’s site $ 9,700
6 Training at GWR, San Diego for 3 persons for 7 days training, not including air
travel, hotel, and per diem
TOTAL
$ 6,400
US $ 614,480
TOTAL US$.......614,480
Terms and conditions:
• All Prices are in US dollars (USD).
• Total Price is DDU (Delivery Duty unpaid), Black Forest Observatory, Wolfach, Germany;
and includes shipping and insurance to the installation site.
• Delivery 9 to 12 months upon acceptance of order and letter of credit.
• One year warranty period after completion date of installation.
• Quote valid for 6 months.
• Payment terms: Payment by irrevocable letter of credit; 90% paid upon delivery; and
remaining 10% after successful installation and acceptance by customer.
• All taxes, duties, VAT or other expenses are the responsibility of the purchaser.
Authorized by:
Richard Warburton

Empfehlungsschreiben
Prof. Jacques Hinderer
CNRS Research Director
Secretary of the GGP

Sonderdrucke
Emter, D., Wenzel, H.-G. and Zürn, W., (1999).
Das Observatorium Schiltach.
DGG Mitteilungen, 3, 2-15.
Zürn, W., Widmer-Schnidrig, R. (2002).
Globale Eigenschwingungen der Erde.
Physik - Journal, 10, 49-55.

Geophysik
Globale Eigenschwingungen der Erde
Elastische Schwingungen und Kreiselschwingungen der Erde erlauben Rückschlüsse
auf das Erdinnere
Walter Zürn und Rudolf Widmer-Schnidrig
So wie Geigenbauer die Geheimnisse einer
Stradivari zu entschlüsseln versuchen, indem
sie ihren Klang, ihre Eigenschwingungen analysieren,
erlauben die Eigenschwingungen der
Erde als Ganzes Rückschlüsse über das Erdinnere.
Erdbeben übernehmen dabei die Rolle
des Geigenbogens. Darüber hinaus regen Gezeitenkräfte
und die Wechselwirkung mit der
Atmosphäre und den Ozeanen die Erde auch zu
Kreiselschwingungen an, die weitere Einblicke
in das Erdinnere ermöglichen.
Die mechanischen Resonanzen eines Systems lassen
sich mit zwei einfachen Methoden auffinden.
Zum einen kann man das System aus der
Ruhelage auslenken und loslassen; es kehrt dann mit
freien, gedämpften Eigenschwingungen zurück. Zum
anderen kann man das System harmonisch mit variabler
Frequenz anregen und die Eigenschwingungen auf
Grund der resonanten Reaktion finden, wobei die Art
der Anregung zur Eigenschwingung passen muss. Hat
man eine Theorie für diese Schwingungen zur Verfügung,
lassen sich aus den Beobachtungen relevante
Eigenschaften des Systems ermitteln.
Wird als Beispiel eine frei aufgehängte Stahlkugel
kurz mit einem Hammer angeschlagen, so klingt sie
danach für einige Zeit: Die Kugel wurde durch den
Schlag zu ihren freien elastischen Eigenschwingungen
angeregt, deren Verschiebungen an der Oberfläche zur
Abstrahlung akustischer Wellen führen. Die zugehörigen
Eigenfrequenzen sind charakteristisch für die Kugel
und hängen von ihrer Größe, Form, Dichte und
Elastizität ab. Ersetzt man die Kugel durch die Erde,
den Hammer durch ein starkes Erdbeben und unsere
Ohren durch empfindliche Seismometer, so hat man
das geophysikalische Analogon des Laborversuchs vor
sich. Die Natur führt diesen Versuch häufig durch –
leider oft mit katastrophalen Folgen –, und eine Aufgabe
der Seismologie ist es, die elastischen Eigenschwingungen
der Erde zu detektieren und daraus die typischen
Eigenschaften der Erde zu ermitteln. Die Frequenzen
liegen dabei zwischen 0,3 und etwa 20 mHz,
wobei die obere Grenze nur durch Auswerteverfahren
gegeben ist.
Wird ein Spielkreisel in schnelle Rotation versetzt
und seine Figurenachse kurz angestoßen, so führt die
Achse kreisförmige Oszillationen, die Kreisel-Eigenschwingungen
oder sog. freie Nutationen, aus. Deren
© 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1617-9439/02/1010-49 $17.50+50/0
Abb. 1:
Signal eines Tiefherdbebens in Nordbolivien vom 9. Juni 1994,
das am Observatorium Schiltach im Schwarzwald mit einem
Breitbandseismometer registriert wurde. Die Zeitreihe dauert
insgesamt 84 Stunden und erreicht eine größte Amplitude von
25 mm/s (vertikale Bodengeschwindigkeit). Das auffälligste Signal
sind die Rayleigh-Wellenzüge, die im 1,5-Stundenrhythmus
aus wechselnden Richtungen auf dem Großkreis mit abnehmender
Amplitude an der Station ankommen. Ein voller Umlauf um
die Erde dauert etwa drei Stunden. Die schwache 12-Stunden-
Schwingung im Hintergrund sind die elektronisch stark abgeschwächten
Erdgezeiten.
Eigenschaften werden durch Trägheitsmomente, Deformierbarkeit
usw. bestimmt. Die Natur führt auch diesen
Versuch mit der Erde als Kreisel dauernd durch, allerdings
sind die Anregungen dabei kontinuierlich und
bestehen aus breitbandigen Drehmomenten der Atmosphäre
und Ozeane oder den quasiperiodischen Gezeitenkräften
von Mond und Sonne.
Neben diesen freien Schwingungen führt die feste
Erde eine ganze Reihe von erzwungenen (quasi-)
periodischen Schwingungen aus, z. B. die allgemeine
Präzession der Erdachse mit einer Periode von 25765
Jahren, die jährliche Polschwankung und die Gezeiten
der festen Erde.
Wie wir im Folgenden zunächst an den elastischen,
dann an den Kreisel-Eigenschwingungen der Erde sehen
werden, ermöglichen es die beobachteten Frequenzen
und Gütefaktoren der freien Schwingungen, unsere
Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften des
Erdinneren zu verbessern. Die Amplituden und Phasen
erlauben darüber hinaus Rückschlüsse auf die Anregungsmechanismen.
Elastische Eigenschwingungen
Nach dem extrem starken Erdbeben am 22. Mai
1960 in Chile gelang es zum ersten Mal, Eigenschwingungen
(Moden) der Erde mit verschiedenen langperiodischen
Seismographen zu beobachten. Am 28. März
1964 regte ein weiteres starkes Beben in Alaska die
Schwingungen wieder messbar an. Diese beiden Ereignisse
markieren den Beginn einer neuen Forschungsrichtung
der Seismologie und öffneten ein neues Fenster
ins tiefe Erdinnere: die terrestrische Spektroskopie
[1–3]. Die beobachteten Frequenzen vieler Moden
lagen gleich sehr dicht bei denen, die für Erdmodelle
berechnet wurden, die ihrerseits aus den Laufzeiten
seismischer Wellen ermittelt worden waren.
Physik Journal
1 (2002) Nr. 10
Schwerpunkt
Dr. Walter Zürn und
Rudolf Widmer-
Schnidrig, Ph.D.,
GeowissenschaftlichesGemeinschaftsobservatorium
der
Universitäten Karlsruhe/Stuttgart
(BFO), Heubach 206,
D-77709 Wolfach
E-mail: walter.
zuern@gpi.unikarlsruhe.de,
widmer@geophys.
uni-stuttgart.de
49

Schwerpunkt
1) Diese Nomenklatur
unterscheidet sich von
derjenigen im Artikel
von R. Kind et al. Die
Polarisation der Partikelbewegung
von S-Moden
entspricht einer Kombination
von P- und S v-
Wellen (longitudinal polarisierteKompressionsund
vertikal polarisierte
Scherwellen), von T-Moden
der von S h-Wellen
(horizontal polarisierte
Scherwellen)
Abb. 2:
Amplitudenspektrum einer 75 Stunden
langen Gravimeterregistrierung in
Schiltach des Bebens in den Kurilen am
4. Oktober 1994. Man erkennt die scharfen
Spektrallinien der Erde, wobei die
Mode bei 1,58 mHz ( 0 S 9 ) die größte spektrale
Amplitude hat. Der Amplitudenabfall
bei hohen Frequenzen wird dadurch
verursacht, dass diese nach drei Tagen
bereits stark gedämpft sind. Der Anstieg
bei tiefen Frequenzen wird durch die mit
50
Seismometer und Gravimeter bestehen aus trägen
Massen, die an Federn aufgehängt sind und deren Verschiebungen
gegenüber den Gehäusen mit Weg- oder
Geschwindigkeitsaufnehmern erfasst und dann elektronisch
weiterverarbeitet werden. Sie reagieren auf Trägheitskräfte
und Änderungen des Schwerefeldvektors, die
mit seismischen Signalen einher gehen. Strainseismometer
(auch: Extensometer) messen dagegen die durch
elastische Deformation des Gesteins hervorgerufenen
Abstandsänderungen zweier Punkte, die zwischen 10 –2
und 10 3 m voneinander entfernt sein können.
Erdbebenseismogramme setzen sich aus verschiedenen
impulsartigen Signalen der elastischen Kompressions-
und Scherwellen zusammen, die durch das Erdinnere
als sog. Raumwellen zur Station gelangen,
gefolgt von Wellen, die sich an der Oberfläche ausbreiten,
vom sog. Love- und Rayleigh-Typ, die wegen ihrer
Dispersion zeitlich auseinandergezogene Wellenzüge
bilden. Danach erscheint die sog. Coda, die aus mehrfach
reflektierten und gestreuten, sowie mehrfach um
die Erde gelaufenen Wellen besteht. Ähnlich wie eine
stehende Welle auf einer Saite durch die Überlagerung
einer nach links laufenden mit einer nach rechts laufenden
Welle entsteht, führt die konstruktive Interferenz
dieser Wellen zu den Eigenschwingungen der Erde.
Verschiedene Eigenschwingungstypen entstehen dabei
aus verschiedenen Typen von laufenden Wellen (s.
u.). Auswertbare Eigenschwingungsseismogramme
müssen mindestens 20 Stunden lang sein.
Abbildung 1 zeigt eine Registrierung des stärksten je
digital registrierten Tiefherdbebens (Nordbolivien, 9.
Juni 1994) und Abb. 2 das Fourier-Spektrum eines ähnlich
starken Bebens mit deutlich erkennbaren Spektrallinien
der Erde.
Rückstellkräfte bei diesen Schwingungen sind sowohl
die elastischen Spannungen, die durch Deformation
aus dem Gleichgewichtszustand entstehen, als
auch die Gravitationswirkung der verschobenen Mas-
Physik Journal
1 (2002) Nr. 10
v2 zunehmende Trägheitsbeschleunigung
erzeugt. Im Detailbild b) erkennt man
die durch die Coriolis-Kraft bewirkte
Linienaufspaltung bei den drei tiefsten
Frequenzen. Im Detailbild c) kann man
die anomale Aufspaltung des Multipletts
10S2 erkennen, die durch Anisotropie im
inneren Kern etwa doppelt so groß ist
wie sie aufgrund des Äquatorwulstes der
rotierenden Erde zu erwarten wäre (s.
Text).
sen (Selbstgravitation), wobei letztere nur bei den
Moden mit den tiefsten Frequenzen eine größere Rolle
spielt. Die Form der Verschiebungsfelder und die Frequenzen
dieser „seismischen“ Moden werden durch die
Geometrie der Grenzflächen sowie die Verteilung der
Dichte r und der elastischen Parameter in der Erde
vollständig definiert. Daher lassen sich umgekehrt diese
Eigenschaften und ihre Verteilung für die Erde aus
den beobachteten Verschiebungsfeldern und Frequenzen
bestimmen.
In der ersten Näherung kann man bei der Erde von
perfekter Kugelsymmetrie ausgehen, d. h. alle Eigenschaften
hängen nur vom Abstand r vom Mittelpunkt
ab (K = K(r), m = m(r) und r = r(r). Im isotropen Fall
charakterisieren Kompressionsmodul K und Schermodul
m die elastische Antwort bei Scherung bzw.
Kompression.). Löst man die homogenen elastischen
Bewegungsgleichungen für kleine Verschiebungen aus
der Ruhelage unter Berücksichtigung der Gravitation
und ohne Rotation, so erhält man zwei Typen von Lösungen:
T-Moden und S-Moden. 1)
Die Eigenfunktionen lassen sich (in Kugelkoordinaten
r, O , o) jeweils in einen winkelabhängigen Oberflächenanteil
und einen Radialanteil separieren. T-Moden
(T steht für torodial) sind dadurch charakterisiert,
dass das Verschiebungsfeld u(r) in radialer Richtung
verschwindet (u r = 0) und divergenzfrei ist (div u = 0).
Für sie gilt:
nW r m im
uO
= ⋅ P O e e
O
∂ "
o
" cos ⋅ ⋅
sin ∂o
m imo
uo=−nW r ⋅ P e e
∂
" " cosO
⋅ ⋅
∂O
wobei u die Verschiebung, v( nTm ) die Eigenkreisfrequenz,
Pm zugeordnete Legendre-Polynome, nW (r) die
radiale Eigenfunktion und t die Zeit bedeuten. n, ,
und m (– „ m „ ) sind ganze Zahlen entsprechend
den Quantenzahlen bei der Lösung der Schrödinger-
Gleichung für das Wasserstoffatom. Zur Kurzbeschreibung
hat sich die Nomenklatur nTm durchgesetzt. Als
Folge der Kugelsymmetrie können die Frequenzen der
Moden nicht von m abhängen (Entartung), da die
Wahl des Koordinatensystems beliebig ist. Die Menge
der (2 + 1) Einzelmoden (Singuletts) wird als Multiplett
bezeichnet (m wird weggelassen). Die toroidale
Grundmode 0T2 (engl. „twisting“-mode, Abb. 3) hat eine
Periode von 44 Minuten und ist bisher nur am Observatorium
Schiltach mit Extensometern eindeutig beobachtet
worden. Die gemessene Deformation betrug
dabei etwa 10 –11 .
Für S-Moden nS m (S für sphäroidal) ist das Verschiebungsfeld
wirbelfrei (rot u = 0) und i. A. sind alle
drei Verschiebungskomponenten von null verschieden:
u = U r ⋅P cosO
⋅e ⋅e
r n
bg bg e j
bg b g e j
bg b g
bg b g
m imo
" "
e j
i n t
m
−⋅v S"
⋅
m im
u = nV
r ⋅ P e e
nV r m im
u
P e e
∂
⋅ ⋅
∂
= ⋅ ∂
o
O " " cosO
O
" bg o
o
" bg cosO
⋅ ⋅
sinO
∂o
i n t
m
− ⋅v T"
⋅
i n t
m
− ⋅v T"
⋅
e j
i n t
m
−⋅v S"
⋅
e j
i n t
m
−⋅v S"
⋅
(1)
(2)
mit den radialen Eigenfunktionen n U (r) und n V (r).
Die Mode mit der tiefsten Frequenz ist 0 S 2 , im Englischen
als „football“-mode bezeichnet, mit einer Periode
von 54 Minuten (siehe Abb. 3). Sie wird nur von
den allerstärksten Erdbeben nachweisbar angeregt. Die
,
(3)
(4)
(5)

Abb. 3:
Schnappschüsse der berechneten Verschiebungsfelder der
Multipletts 0 T 2 , 0 S 2 und 0 S 12 an der Erdoberfläche in der sog.
Mollweide-Projektion. Die jeweiligen Erdbebenherde sind
durch Sterne markiert. Die horizontalen Verschiebungen sind
durch Pfeile (selbstverständlich nicht maßstäblich) gegeben, die
radialen Verschiebungen sind durch rote (nach außen) und
blaue Farbtöne kodiert. Für 0 S 12 sind die Horizontalverschiebungen
nicht gezeigt. Sie verhalten sich aber analog zu 0 S 2.
Erde schwingt dabei – stark übertrieben – zwischen
den Formen eines „American football“ und eines Kürbis
hin und her.
Spezialfälle der sphäroidalen Moden sind die radialen
Moden ( n S 0 ), bei denen nur u r von null verschieden
ist. Die einer atmenden Kugel (engl. „breathing“-mode)
entsprechende Mode 0 S 0 hat eine Periode von 20 Minuten,
die annähernd gleich der Laufzeit einer Kompressionswelle
von der Erdoberfläche zum Erdmittelpunkt
und zurück ist. Daneben hat sie bei weitem den
höchsten Gütefaktor, da bei dieser Mode der Anteil der
Scherdeformation minimal ist (siehe Tab. 1 und Abb.
4). Da sie noch bis zu einen Monat nach sehr starken
Beben beobachtet werden konnte, ist ihre Frequenz
sehr genau bekannt. Eine homogene Stahlkugel mit
demselben Radius wie die Erde hätte für diese Mode
eine Periode von 30 Minuten.
Im Gegensatz zu den Oberflächenfunktionen hängen
die radialen Eigenfunktionen U(r), V(r) und W(r)
vom genauen Aufbau der Erde ab, und ihre Knotenzahl
entlang des Radius r nimmt mit wachsendem n zu
(Abb. 4). Jede Mode besitzt drei Arten von Knotenflächen:
n definiert die Anzahl der Knotenkugeln (r =
const.) im Erdinnern, m gibt die Anzahl der Knotenebenen
durch den Erdmittelpunkt (Meridianebenen o =
const.) an und –m definiert die Anzahl der Knotenkegel
(O = const.) mit Spitze im Erdmittelpunkt. n =0
definiert die so genannten Fundamentalmoden, Moden
mit n > 0 sind die Obertöne.
Die Moden klingen durch anelastische Vorgänge bei
der Deformation exponentiell ab, und ihre Energie
wird in Wärme umgewandelt. Die Gütefaktoren Q entsprechen
der Anzahl von Schwingungen, nach denen
die Amplitude einer Mode um den Faktor e –p abgeklungen
ist. Anelastische Dämpfung findet besonders
bei Scherdeformation statt, d. h. Moden mit wenig
Scheranteil (radiale Moden) besitzen höhere Gütefaktoren
als andere. Tabelle 1 enthält die Eigenfrequenzen
und Gütefaktoren ausgewählter Moden mit den experimentellen
Unsicherheiten aus der Analyse von Spektren
wie dem in Abb. 2. Obwohl die Linien zu hohen
Frequenzen hin enger beieinander liegen, ist es gelungen,
durch die simultane Analyse von mehr als 10000
Seismogrammen insgesamt mehr als 1600 Multipletts
aufgrund ihres unterschiedlichen Verschiebungsfeldes
an der Erdoberfläche zu identifizieren und ihre Frequenzen
zu schätzen.
Die Fundamentalmoden (n = 0) lassen sich für >> 1
als konstruktive Interferenz aus Oberflächenwellen
beschreiben, die den Planeten in zwei entgegengesetzte
Richtungen von der Quelle umlaufen. Dabei überlagern
sich zwei Rayleigh-Wellen zu einer 0 S -Mode und zwei
Love-Wellen zu einer 0 T -Mode (vgl. Abb. 3 für 0 S 12 ).
Es gilt dann die Jeanssche Formel:
0
bgb g ,
c v ⋅ " + 12
v"
=
a
mit der Phasengeschwindigkeit c der Oberflächenwelle
und dem Erdradius a. In Abb. 1 kann man verschiedene
Züge dieser wiederkehrenden Oberflächenwellen
ausmachen. Mit wachsendem dringen die Eigenfunktionen
dieser Moden immer weniger in die Erde ein,
und ihre Frequenzen enthalten damit Information aus
immer geringer werdenden Tiefen (Abb. 4).
Obertöne (n > 0) kann man sich durch konstruktive
Interferenz von hin- und herreflektierten Raumwellen
entstanden denken. Ihre radialen Eigenfunktionen
greifen dementsprechend tiefer in die Erde hinein
(Abb. 4). Manche dieser Moden (wie z. B. 3S1 , 8S1 , 13S2 ,
18S4 , siehe Abb. 4) haben Eigenfunktionen, die bis tief
in den inneren Erdkern eindringen, was sie sehr wichtig
macht für die Ermittlung der Struktur in der Nähe
des Erdmittelpunktes.
(6)
Schwerpunkt
Tab. 1: Aus seismischen Daten geschätzte entartete Eigenfrequenzen und Gütefaktoren
[3] einiger Moden mit ihren experimentellen relativen Unsicherheiten
Mode Frequenz Unsicherheit Q Unsicherheit
mHz 10 –4
%
0 S 0 814,39 0,04 5882 6
0 S 2 309,45 9 813 24
0 S 3 468,55 3 380 12
0 S 12 1988,70 1,5 352 4
0 S 23 3170,65 0,3 259 2
0 S 28 3634,40 0,2 217 2
1 S 8 1797,76 0,6 433 11
3 S 1 944,20 3,2 800 10
10 S 2 4042,58 0,5 855 13
0 T 2 377,30 21 – –
0 T 23 3109,10 2,2 139 3
Physik Journal
1 (2002) Nr. 10 51

Schwerpunkt
Abb. 4:
Radiale Verteilung der Scherenergiedichten
(nach rechts, blau) und Kompressionsenergiedichten
(nach links, gelb) für
einige Moden als Funktion des relativen
Erdradius’. Man erkennt neben den reinen
Mantelmoden 0 S , 0 T , deren Ein-
Abb. 5:
Eigenschaften der Mode 1 S 8 . Links oben
ist das radiale Verschiebungsfeld des
gesamten Multipletts (17 Singuletts) nach
dem Beben von Abb. 1 dargestellt.
Warme (kalte) Farbtöne entsprechen Verschiebungen
nach außen (innen). Das
Bild rechts zeigt das beobachtete Amplitudenspektrum
an der Station MAJO
(Matsushiro, Japan, schwarze Linie) für
diese Mode zusammen mit theoretischen
Linienformen: das gepunktete Spektrum
52
Bisher sind wir davon ausgegangen, dass alle physikalischen
Eigenschaften der Erde radialsymmetrisch
verteilt und die Grenzflächen kugelförmig sind. Wenn
man etwas genauer hinschaut, wird diese sehr hohe
Symmetrie gebrochen, und die nächste Näherung ist
die Axialsymmetrie um die Verbindungslinie zwischen
den Polen. In Wirklichkeit gibt es erhebliche Abweichungen
von diesen einfachen Symmetrien, wie man
bei Betrachtung der Erdoberfläche leicht einsieht.
Führt man die Elliptizität der Erde ein (der Abstand
Äquator – Mittelpunkt ist ca. 21 km größer als der
Abstand Pol – Mittelpunkt) und ihre Rotation, so wird
die Radialsymmetrie gebrochen, es liegt Axialsymmetrie
um die Rotationsachse vor und die Entartung der
Moden bezüglich m wird aufgehoben (O = 0 entspricht
dann der Rotationsachse). Diese Komplikationen lassen
sich störungstheoretisch behandeln. Der erste Effekt
ist die Aufspaltung der Multipletts. Für die Eigenkreisfrequenzen
der Singuletts gilt dann (– m):
n vm = n v (1 + a + m b + m2 c) , (7)
Physik Journal
1 (2002) Nr. 10
dringtiefe mit wachsendem abnimmt,
auch Moden, die signifikante Energiedichteanteile
im äußeren (z. B. 3 S 1 ) und
inneren Kern (z. B. 10 S 2 ) besitzen. Die
Grenzen zwischen Mantel, äußerem und
innerem Kern sind gestrichelt markiert.
würde man auf einer kugelsymmetrischen,
nicht rotierenden Erde erhalten,
die blaue gestrichelte Linienform erhält
man nach Einführung der Rotation und
Elliptizität der Erde, die orange dicke
Linie ergibt sich bei Berücksichtung der
lateralen Variationen der Scherwellengeschwindigkeit
(vs = √◊◊◊ m/r) des Erdmantels,
wie sie z. B. in einer Tiefe von 1165 km
links unten dargestellt ist.
mit der entarteten Eigenfrequenz nv . Die Koeffizienten
a, b und c sind für jedes Multiplett verschieden. Die
symmetrische Komponente m b ist auf den Effekt erster
Ordnung der Coriolis-Kraft zurückzuführen, analog
zum Zeeman-Effekt beim Wasserstoffatom in einem
Magnetfeld. Diese symmetrische Aufspaltung führt dazu,
dass das Knotenbild auf der Erdoberfläche mit der
Geschwindigkeit b nv nach Westen wandert. Die
höchste Geschwindigkeit erreicht die „football“-Mode
0S2 , deren Knotenmeridiane in etwa 2,5 Tagen einmal
die Erde umrunden. Die Frequenzen ihrer fünf Singuletts
liegen um etwas mehr als 4 mHz auseinander. Die
Frequenzverschiebung a und der quadratische Term in
m sind hauptsächlich auf den Äquatorwulst zurückzuführen.
Die Koeffizienten a, b und c hängen nur
schwach von der Struktur des Erdinnern ab, b vor
allem von der Dichte. Die Rotationsaufspaltung überwiegt
bei tiefen Frequenzen und nimmt mit V/ nv ab,
sodass die dadurch verursachte Linienaufspaltung nur
bei wenigen Moden direkt im Spektrum eines Seismogramms
sichtbar wird (Abb. 2, links oben).
Ein zweiter Effekt der Symmetriebrechung ist die
Kopplung der Moden. Die Gleichungen (1) – (5) beschreiben
die Eigenfunktionen nun nur noch näherungsweise.
Man unterscheidet Kopplung zwischen Sund
T-Moden, Kopplung zwischen Moden mit gleichem
n, aber verschiedenem , und beliebige Kopplung. Am
leichtesten beobachtbar ist die Coriolis-Kopplung, die
zur Beobachtung von T-Moden in Spektren der vertikalen
Bodenverschiebung führt [4]. Die Stärke dieser
Kopplung hängt hierbei wiederum von der Dichteverteilung
in der Erde ab. Für alle Kopplungsmechanismen
gibt es Auswahlregeln [1, 4], d. h. je nach der Physik
des Kopplungsmechanismus gibt es Bedingungen,
die die Quantenzahlen erfüllen müssen, damit Kopplung
überhaupt stattfinden kann. Die Kopplung zweier
Moden ist umso stärker, je näher die Eigenfrequenzen
der ungekoppelten Moden zusammenliegen. Deswegen
sind zwischen 1,8 und 3,3 mHz die Moden 0 S und
0T+1 sehr stark durch die Coriolis-Kraft miteinander
gekoppelt, was man deutlich in den beobachteten
Eigenfrequenzen sehen kann. Bei Kopplung zweier
Moden nähern sich die Gütefaktoren, und die Eigenfrequenzen
entfernen sich voneinander.
Wird die Axialsymmetrie auch noch gebrochen
durch laterale Heterogenitäten in der Struktur der Erde,
so nimmt die Komplexität der Modenkopplung zu.
Für Fundamentalmoden geht man davon aus, dass diejenigen
Oberflächenwellen, die vom Erdbebenherd auf
dem Großkreis zur Station und dann mehrfach um die
Erde laufen, durch konstruktive Interferenz das Seismogramm
und die darin enthaltenen Spektrallinien der
Erde erzeugen. Auf einer lateral heterogenen Erde ist
die über den Großkreis gemittelte Phasengeschwindigkeit
je nach Lage des Großkreises verschieden, sodass
die Interferenzbedingung (6) auf verschiedenen Großkreisen
verschiedene Frequenzen für dasselbe Multiplett
liefert. Natürlich kann jedes Singulett nur eine
feste Frequenz haben, aber das unaufgelöste Multiplett
ist die Summe aller Singuletts und auf einem bestimmten
Großkreis tragen nur Singuletts bei, die Gl. (6) erfüllen,
alle anderen interferieren destruktiv. Masters et
al. haben diese Eigenschaft 1982 dazu benutzt, um das
allererste lateral heterogene Erdmodell zu erstellen [5].
Weil die scheinbaren Eigenschaften des Multipletts
nicht davon abhängen können, wo auf dem Großkreis
der Herd lag, haben nur laterale Heterogenitäten einen

Einfluss, die durch Kugelfunktionen geraden Grades
beschrieben werden können, eine starke Einschränkung
bei der Inversion.
Als intermediäre Größe zwischen dem Spektrum
eines Multipletts und der heterogenen Struktur ist es
hilfreich, zu jedem Multiplett die Aufspaltungsfunktion
s(O ,o) zu definieren. s gibt an jedem Punkt der Oberfläche
an, um wieviel die Eigenfrequenz des Multipletts
gegenüber dem kugelsymmetrischen Referenzmodell
verschoben wäre, wenn die radiale Struktur unter diesem
Punkt in der ganzen Erde vorliegen würde. Wenn
Erdbeben, Instrumente, Rotation und Elliptizität bekannt
sind, kann man durch iterativen Vergleich gerechneter
mit beobachteten Multipletts die Aufspaltungsfunktion
ermitteln. Laske und Masters wiesen
nach, dass sich diese Aufspaltungsfunktionen für Multipletts,
die den inneren Erdkern „spüren“, in 20 Jahren
nicht signifikant geändert haben und dass damit
die postulierte „Superrotation“ des inneren Kerns von
einem Grad pro Jahr gegenüber dem Erdmantel höchstens
0,3 o /Jahr betragen kann, aber wahrscheinlich viel
näher bei null liegt [6]. Die Aufspaltungsfunktion erlaubt
eine Inversion der 3-D Struktur der Erde, allerdings
mit der Beschränkung auf gerade Kugelfunktionen.
Abbildung 5 zeigt für die Mode 1 S 8 neben einem
Schnappschuss des Verschiebungsfeldes die sukzessive
Annäherung gerechneter Spektren an ein beobachtetes
Spektrum durch die theoretische Berücksichtigung der
Symmetriebrechung. Aus Eigenschwingungen ermittelte
Heterogenitäten der Erde sind in Abb. 5 unten in
lateraler Richtung dargestellt. Abbildung 6 zeigt einen
radialen Schnitt durch den Erdmantel, für den neben
Eigenschwingungen auch Laufzeitresiduen von seismischen
Raumwellen verwendet wurden [7].
Bisher wurden nur Erdbeben als Anregungsmechanismus
für Eigenschwingungen der Erde erwähnt.
Diese Scherbrüche sind von sehr kurzer Dauer im Vergleich
zu den Abklingzeiten der Moden, damit können
die Moden frei schwingen, bis sie im Rauschen verschwinden.
Widmer und Zürn u. a. haben 1991 beobachtet,
dass beim Ausbruch des Vulkans Mount Pinatubo
auf den Philippinen ca. acht Stunden lang harmonische
Rayleigh-Wellen mit zwei charakteristischen
Abb. 6:
Schnitt durch ein modernes Modell des Erdmantels, wie es aus
Laufzeitresiduen seismischer Raumwellen und den Aufspaltungsfunktionen
von Eigenschwingungen invertiert worden ist
[7]. Dargestellt sind wiederum Abweichungen in der Scherwellengeschwindigkeit
relativ zu einem kugelsymmetrischen
Geschwindigkeitsmodell. Die Orientierung des Schnitts und der
Anomalien im Modell ist aus der Lage der blauen Linie auf der
Weltkarte zu ersehen, die an Stelle des Erdkerns eingesetzt
wurde. Die schwarze Linie im Modell verläuft in einer Tiefe von
660 km.
Frequenzen erzeugt wurden, die mehrfach um die Erde
liefen und damit konstruktiv interferieren konnten
( 0 S 28 und 0 S 37 ) [8]. Der Vulkan lieferte dabei die Energie
für zwei vertikale Eigenschwingungen der Atmosphäre,
die durch ihre Druckschwankungen an der Erdoberfläche
Rayleigh-Wellen erzeugten.
1998 haben japanische Seismologen entdeckt, dass
im Hintergrundrauschen zwischen 2 und 7 mHz alle
sphäroidalen Fundamentalmoden 0 S mit Amplituden
von höchstens 10 pm/s 2 (10 –12 g) dauernd angeregt
sind. Man kann dies an guten Stationen statistisch
nachweisen (z. B. [9]). Im Vergleich dazu sind die Anfangsamplituden
bei starken Erdbeben und die Schwingungsweiten
beim Mount Pinatubo um etwa den Faktor
1000 größer. Statistische Druckschwankungen in
der Atmosphäre werden als Anregung dieser Hintergrundschwingungen
favorisiert.
Kreiseleigenschwingungen
Betrachtet man die Erde als abgeplatteten Kreisel,
so führt sie aufgrund der äußeren Kräfte und Drehmomente
durch Mond und Sonne Präzessionsbewegungen
aus. Zusätzlich kann die Erde noch überlagerte freie
Bewegungen ausführen, die denen eines kräftefreien
Kreisels entsprechen. Ein abgeplatteter Kreisel kann
stabil um seine Figurenachse rotieren. Weicht die Rotationsachse
von der Figurenachse ab, so muss er gleichzeitig
eine sog. freie Nutation ausführen, bei der die
momentane Drehachse um die raumfeste Richtung des
Drehimpulsvektors mit charakteristischer Frequenz
umläuft. Diese Bewegung zählt als Eigenschwingung
des Kreisels, da sie ohne zusätzliche Drehmomente
existieren kann, wenn entsprechende Anfangsbedingungen
vorliegen. Betrachtet man die Bewegung statt
im raumfesten System im mitbewegten Eigensystem des
Kreisels, so entspricht die Nutation einer Rotation der
momentanen Drehachse um die Figurenachse, die im
Englischen „wobble“ („taumeln“) genannt wird, im
Deutschen aber keinen besonderen Namen hat. Der
Zusammenhang zwischen Winkelgeschwindigkeit des
Wobbles s Wobble und Periode der Nutation T N ergibt
sich aus der Kreiseltheorie zu:
s
Wobble
2 ⋅ p
= − V ,
T
N
(8)
wobei V die Winkelgeschwindigkeit des Kreisels ist.
Der amerikanische Astronom Seth Carlo Chandler
entdeckte schon 1891 bei astronomischen Beobachtungen
eine Breitenschwankung der Erde mit einer Periode
von 435 Sterntagen. Die momentane Rotationsachse
bewegt sich dabei an den Polen der Erde zyklisch
innerhalb eines Kreises mit 10 m Radius. Diese
Bewegung setzt sich zusammen aus dem sog. Chandler-
Wobble und der etwas stärkeren, von der Atmosphäre
erzwungenen Jahresperiode. Die Chandlersche Bewegung
wurde schnell mit der bereits von Euler vorhergesagten
Bewegung mit der Periode 305 Sterntage in Verbindung
gebracht, die Diskrepanz verlangte aber eine
Erklärung.
Euler kannte den inneren Aufbau der Erde natürlich
noch nicht und behandelte die Erde daher als starren
Kreisel. Um die korrekten Kreiseleigenschwingungen
der Erde zu erhalten, muss man den Drehimpulssatz
(im mit der Erde rotierenden System) ohne äußere
Drehmomente auf den deformierbaren Erdmantel und
den flüssigen Kern getrennt anwenden und beide Teile
durch innere Drehmomente koppeln [10]. Dies erlaubt
Physik Journal
1 (2002) Nr. 10 53
Schwerpunkt

Schwerpunkt
2) v stimmt nur dann
mit V überein, wenn die
Kreiselschwingungen
nicht angeregt sind.
eine Rotation der beiden Teile um
leicht unterschiedliche Achsen. Man
schreibt:
L · K + v × LK = N (9)
L · M + v × LM =–N (10)
L K und L M sind dabei die Drehimpulsvektoren
von Kern bzw. Mantel.
N ist die Summe aller Wechselwirkungen
(topographisch, elektromagnetisch,
gravitativ, viskos) zwischen
Mantel und Kern. Als wichtigste
wird die sog. Druck- oder Trägheitskopplung
angesehen: Wenn Kern
und Mantel nicht um dieselbe Achse
rotieren, entstehen durch die ellipsoidische
Form der Kern-Mantel-
Grenze Druckkräfte, die versuchen,
die beiden Achsen zusammenzubringen.
Setzt man nun die entsprechen-
den Größen ein, so erhält man zwei Eigenfrequenzen
für freie Wobble-Bewegungen der Erde:
A
sCW = ⋅a⋅ 1 −d ⋅V
A
und
Abb. 8:
Aus der mit raumgeodätischen Methoden
ermittelten Polbewegung lässt sich die
lokale Änderung der Zentrifugalbeschleunigung
berechnen, die der Wobble-
Periode von rund 400 Tagen folgt. Die
für Straßburg berechnete Änderung
(blau) lässt sich auch lokal mit supraleitenden
Gravimetern detektieren (rot).
Von letzterer sind die bekannten Erdgezeiten
sowie atmosphärische und hydrologische
Effekte subtrahiert worden.
54
M
F
HG
bg
A
sNDFW =−V ⋅ 1 + aK−b ,
A
M
bg
I
KJ
(11)
(12)
wobei a =(C–A)/A und a K =(C K –A K )/A K die dynamischen
Elliptizitäten von Erde und Kern sind. A, A K und
A M sind die äquatorialen, C, C K und C M die polaren
Trägheitsmomente [11] von ganzer Erde, Kern und
Mantel, V ist die mittlere Winkelgeschwindigkeit der
Erde. Die erste der Rotationseigenschwingungen ist der
berühmte Chandler-Wobble, dessen Drehsinn mit der
Erdrotation übereinstimmt (prograd). Die zweite wird
je nach Sichtweise als „Nearly Diurnal Free Wobble“
(NDFW) oder als freie Kern-Nutation (FCN) bezeichnet;
aufgrund des Vorzeichens in Gl. (12) verläuft sie
entgegen der Erdrotation (retrograd).
Abbildung 7 zeigt beide Wobbles in einer anschaulichen
Darstellung: Der körperfeste Kegel (Achse =
Figurenachse) rollt reibungslos auf bzw. in dem raum-
Physik Journal
1 (2002) Nr. 10
Abb. 9:
Die Antwort der Erde auf die von den
Gezeitenkräften ausgeübten Drehmomente
weist eine Resonanz auf, die von
dem Nearly Diurnal Free Wobble verursacht
wird und mit Gravimetern detektiert
werden kann (Messpunkte).
Unterlegt ist die Modellkurve für die
Parameter T FCN = 432 Sterntage und Q FCN
=310 4 . Die zugrundeliegende Gezeitenregistrierung
von 1996 bis 2000 wurde
mit einem supraleitenden Gravimeter bei
Straßburg erstellt.
Abb. 7:
Darstellung der beiden Kreisel-Eigenschwingungen
der Erde mit aufeinander
abrollenden Kegeln. L ist die Drehim-
pulsachse (Achse des raumfesten Kegels),
e ∧
3 ist die Figurenachse (Achse des körperfesten
Kegels) und v die momentane
Rotationsachse. Die Öffnungswinkel aller
Kegel sind hier stark übertrieben gezeichnet.
Das wirkliche Winkelverhältnis
zwischen äußeren und inneren Kegeln
beträgt in beiden Fällen etwa 1:400.
festen Kegel (Achse = Drehimpulsachse)
ab. Die Berührungslinie der
beiden Kegel ist die momentane
Rotationsachse. Drehimpuls, momentane
Rotationsachse und Figurenachse
bleiben immer in einer
Ebene 2) .
Für eine starre Erde ohne flüssigen
Kern reduziert sich Gl. (11) auf
s CW = a V, mit der Euler-Periode
von 305 Sterntagen. Ein Anteil des
Äquatorwulstes besteht jedoch aus
der momentanen Reaktion der elastischen
Erde auf die Fliehkraft und
dieser Anteil trägt damit nicht zum
„Rückstellmoment“ bei. Dies führt
über die Konstante d zu einer Periodenverlängerung.
Andererseits ist
der flüssige Erdkern nur schwach
an den Mantel gekoppelt und
nimmt am Wobble nicht teil, dies
verkürzt die Periode wieder mittels des Faktors A/A M .
Mit realistischen Zahlen führt dies auf eine Periode
von 397 Sterntagen. Es kommen zwei weitere Periodenverlängerungen
hinzu [12]: 29,8 Sterntage durch
die momentane Einstellung der Ozeanoberfläche auf
die Fliehkräfte und 8,5 Sterntage durch die Relaxation
der Elastizität des Mantels gegenüber seismischen Frequenzen
(Anelastizität). Damit ist die Periode des
Chandler-Wobble im Prinzip verstanden, wobei die
letzten beiden Terme noch etwas voraussetzungsbehaftet
sind. Der Chandler-Wobble hat einen Gütefaktor
unter 100, als dissipative Prozesse kommen Anelastizität
im Erdmantel, viskose Reibung, elektromagnetische
und topographische Kopplung an der Kern-Mantel-Grenze
sowie Reibung in den Ozeanen in Frage.
Frequenz und Gütefaktor des Chandler-Wobble sind
sehr wichtige Messgrößen zur Ermittlung der Frequenzabhängigkeit
der Elastizität des Erdmantels
(Rheologie).
Der Chandler-Wobble wird dauernd angeregt, wobei
als Energiequellen die Atmosphäre, die Ozeane und
Erdbeben (Veränderungen der Trägheitsmomente) diskutiert
werden. Die Atmosphäre scheint nur etwa ein
Drittel der nötigen Energie liefern zu können, Erdbeben
sind nicht sicher als Quellen identifiziert worden.
R. Gross behauptet, die restlichen zwei Drittel in den
Ozeanen gefunden zu haben [14].
Heute wird die Orientierung der Erdachse im Raum
vom Internationalen Erdrotationsdienst kontinuierlich
mit Methoden wie Radiointerferometrie mit langer Basis
(VLBI), Laser-Entfernungsmessungen zum Mond
(LLR) und zu Satelliten (SLR) sowie GPS mit hoher
Präzision gemessen. Supraleitende Gravimeter sind in
der Lage, die mit den Wobbles assozierten Änderungen
der lokalen Zentrifugalbeschleunigung von etwa 40–80
nm/s 2 im Jahres- und 14-Monats-Rhythmus aufzulösen
(Abb. 8). Etwa 16 % dieses Effekts sind auf die elastische
Deformation der Erde durch die Fliehkräfte
zurückzuführen. Eine genaue Messung dieses Anteils
würde einen neuen Eckwert für die Mantelrheologie
liefern, da die elastischen Modulen gegenüber denen
bei den mehr als vier Größenordnungen höheren seismischen
Frequenzen dadurch kleiner sind.
Die Amplitude der freien Kern-Nutation ist etwa
400mal so groß wie die des NDFW. Diese Schwingung
wird auf zwei Arten beobachtet. Zunächst ist die Nuta-

tion selbst mit VLBI beobachtet worden mit einer Amplitude
von 0,84 nrad. Sie ist ebenfalls zeitabhängig,
und in der Atmosphäre ist genügend Energie vorhanden,
um diese Amplitude zu erzeugen. Die zweite Methode
ist indirekt: Man beobachtet die resonante Reaktion
der Erde auf Drehmomente mit Frequenzen in der
Nähe der Resonanz. Diese Drehmomente werden
durch die ganztägigen Erdgezeitenkräfte erzeugt [13],
deren angreifende Amplituden sehr genau bekannt
sind. Die Reaktion der Erde wird mit Gravimetern und
Extensometern gemessen, und aus der Frequenzabhängigkeit
dieser Reaktion lassen sich die Eigenschaften
der Resonanz (komplexe Eigenfrequenz, komplexe
Admittanz) ermitteln (Abb. 9). Dasselbe gilt für VLBI-
Beobachtungen der erzwungenen Nutationen, die mit
den Erdgezeiten eng assoziiert sind.
Es ist abgeschätzt worden, dass alle weiter oben angeführten
Kopplungsmechanismen gegenüber der Trägheits-
oder Druckkopplung an der Kern-Mantel-Grenze
vernachlässigbar sind. Letztere wird durch die dynamische
Elliptizität a K an der Kern-Mantel-Grenze
beschrieben. Die Größe b gibt an, welcher Anteil von
a K momentan auf die Druckkräfte reagiert und damit
die „Rückstellmomente“ um etwa 25 % verringert. Die
beobachtete Periode von 432 Sterntagen ist kürzer als
die von 466 Sterntagen für ein hydrostatisch auf die
Rotation reagierendes seismologisches Erdmodell.
Führt man Anelastizität im Erdmantel ein, wird die
Diskrepanz noch größer. Diese wird zurzeit damit
erklärt, dass die Kern-Mantel-Grenze um ca. 5 % (entsprechend
300 – 500 m) stärker abgeplattet ist als hydrostatisch
(1/400) erwartet wird. Derart kleine Perturbationen
in der Topographie der Kern-Mantel-Grenze
lassen sich mit seismologischen Methoden nicht erfassen.
Der Gütefaktor des NDFW beträgt etwa 20000, zu
niedrig für Mantel-Anelastizität alleine, d. h. ein noch
nicht identifizierter Dämpfungsmechanismus ist am
Werk. Auch die Admittanz der Erde für den NDFW
kann in Zukunft Eckwerte für diese Umgebung der
Kern-Mantel-Grenze liefern.
Führt man den festen inneren Kern zusätzlich ein,
ergeben sich zwei weitere Kreisel-Eigenschwingungen
[15], deren Beobachtung aussteht, jedoch u. a. die
Elliptizität der Oberfläche des inneren Kerns einschränken
würde.
Ausblick
Der heutige Stand unserer Kenntnisse der langwelligen
Struktur des tiefen Erdinnern beruht zu einem
wesentlichen Teil auf den Beobachtungen der verschiedenen
Eigenschwingungen der Erde. Weitere und verbesserte
Beobachtungen im Zusammenwirken mit
theoretisch-numerischen Weiterentwicklungen werden
helfen, dieses Bild zu verfeinern. Die dreidimensionale
Verteilung der Dichte im Erdmantel z. B. stellt noch
eine Herausforderung dar, der nur mittels Eigenschwingungen
auf den Leib gerückt werden kann.
Die jüngsten Entdeckungen der ständig angeregten
elastischen Moden [9] und der Coriolis-gekoppelten
tieffrequenten Moden [4], die ersten Ansätze zu einer
zeitabhängigen Seismologie [6], sowie die immer höher
werdende Auflösung bei der Beobachtung der freien
Nutationen zeigen auch, dass dieses aufregende Forschungsgebiet
immer wieder Überraschungen bereit
hält, die unseren Blick in Richtung Erdmittelpunkt
verbessern werden.
Dank
Wir bedanken uns bei Bettina Bayer, Jacques Hinderer,
Gabi Laske, Joe Resovsky und Séverine Rosat für
Material zu den Abbildungen.
Literatur
[1] F. A. Dahlen und J. Tromp, Theoretical Global
Seismology, Princeton University Press, Princeton
1998
[2] G. Müller und W. Zürn, Landolt-Börnstein, Neue
Serie V/2a, Springer Verlag, Berlin 1984
[3] T. G. Masters und R. Widmer, Free Oscillations:
Frequencies and Attenuation. In T. J. Ahrens,
(Hrsg.), Global Earth Physics: a handbook of physical
constants, Am. Geophysical Union, Washington
(1995)
[4] W. Zürn et al., Geophys. J. Int. 113, 113 (2000)
[5] G. Masters et al., Nature 298, 609 (1982)
[6] G. Laske und G. Masters, Nature 402, 66 (1999)
[7] G. Masters et al., The Relative Behavior of Shear
Velocity, Bulk Sound Speed, and Compressional
Velocity in the Mantle: Implications for Chemical
and Thermal Structure. In S. Karato et al., (Hrsg.),
Monograph 117, AGU, Washington (2000)
[8] R. Widmer und W. Zürn, Geophys. Res. Lett 19,
765 (1992)
[9] K. Nishida und N. Kobayashi, J. Geophys. Res.
104, 28741 (1999)
[10] K. Lambeck, Geophysical Geodesy: The Slow Deformations
of the Earth, Clarendon Press, Oxford
1988
[11] C. F. Yoder, Astrometric and Geodetic Properties
of Earth and the Solar System. In T. J. Ahrens,
(Hrsg.), Global Earth Physics: a handbook of physical
constants, Am. Geophysical Union, Washington
(1995)
[12] M. L. Smith und F. A. Dahlen, Geophys. J. R. Astr.
Soc. 64, 223 (1981)
[13] W. Zürn, The Nearly-Diurnal Free Wobble Resonance.
In H. Wilhelm et al., (Hrsg.), Lecture Notes
in Earth Sciences 66, Springer-Verlag, Heidelberg
(1997)
[14] R. Gross, Geophys. Res. Lett. 27, 2329 (2000)
[15] D. De Vries und J. M. Wahr, J. Geophys. Res. 96,
8275 (1991)
Die Autoren
Walter Zürn beschäftigt sich seit über
30 Jahren mit Erdbebenwellen und Eigenschwingungen
der Erde. Nach seiner
Promotion verbrachte er einige Jahre
in den USA an der University of California
at Los Angeles sowie ein Jahr
als wissenschaftlicher Stationsleiter der
Amundsen-Scott-Südpolstation in der
Antarktis. Für seine Verdienste wurde
1976 der 1515 m hohe Zurn Peak in der
Antarktis nach ihm benannt. Seit Mitte
der 70er-Jahre ist er am Geophysikalischen Institut der Uni
Karlsruhe und am Observatorium Schiltach tätig. In seiner
Freizeit ist er in den Bergen unterwegs und spielt Schach.
Rudolf Widmer-Schnidrig hat an der
ETH Zürich Geophysik studiert und
1991 am Institute of Geophysics and
Planetary Science der Scripps Institution
of Oceanography in San Diego/USA
promoviert. Seither ist er, unterbrochen
durch einen weiteren USA-Aufenthalt,
Assistent am Geophysikalischen Institut
in Karlsruhe und arbeitet am Observatorium
Schiltach. Beruflich steht sein Interesse
für das Erdinnere im Vordergrund,
privat erkundet er das Erdäußere beim Klettern in
Fels und Eis, Radfahren und auf Skitouren.
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