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