Geophysik

Geophysik ( / ˌ dʒ iː oʊ ˈ f ɪ z ɪ k s / ) ist eine physikalische Wissenschaft, die sich mit den Prozessen und Eigenschaften der Erde und ihres umgebenden Weltraums befasst . Sie untersucht diese mithilfe quantitativer und beobachtender Methoden. Ihr Hauptaugenmerk liegt auf der Form der Erde und ihren Gravitations- , Magnet- und elektromagnetischen Feldern . Darüber hinaus erforscht sie die innere Struktur , Zusammensetzung und Dynamik sowie deren Oberflächenausprägung in Tektonik , Vulkanismus und Gesteinsbildung . Die Geophysik umfasst auch eine umfassendere Betrachtung des Erdsystems und der Planeten , einschließlich der Ozeane , der Atmosphäre , der Kryosphäre , der Ionosphäre , der Magnetosphäre sowie der Wechselwirkungen zwischen Sonne und Erde und analoger Prozesse auf dem Mond , anderen Planeten und ihren Satelliten . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Sie zählt zu den ältesten Wissenschaften und reicht bis in die Antike zurück, wo sie mit der Entwicklung früher Seismometer und Magnetkompasse begann und sich später auf Newtonsche Analysen der Gezeiten , der Präzession und der physikalischen Eigenschaften der Erde ausdehnte. Heute dient die Geophysik dem grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis und praktischen Anwendungen, darunter die Erkundung von Mineral- und Energieressourcen , die Bewertung und Minderung von Naturgefahren , Grundwasser- und Umweltstudien , archäologische Untersuchungen und Umweltmonitoring . ^{[ 2 ]}

Die Geophysik integriert Theorie , Beobachtung und Experiment , um die Erde und Planetensysteme auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen . Zu ihren Methoden gehören Feldmessungen , Laborexperimente , Fernerkundung , numerische Modellierung und die Datenanalyse sowohl natürlicher als auch instrumenteller Aufzeichnungen , einschließlich Signalverarbeitung . Als einheitlicher physikalischer Rahmen für die Erd- und Planetenforschung verbindet die Geophysik Phänomene vom tiefen Erdinneren bis zur oberen Atmosphäre und dem erdnahen Weltraum und bildet so die Grundlage für das Verständnis der planetaren Entwicklung , Dynamik und Bewohnbarkeit .

Die Geophysik ist ein stark interdisziplinäres Fachgebiet, und Geophysiker tragen zu allen Bereichen der Erdwissenschaften bei, während einige von ihnen auch in den Planetenwissenschaften forschen . Um ein besseres Verständnis der Geophysik zu vermitteln, beschreibt dieser Abschnitt physikalische Phänomene und deren Bezug zur Erde und ihrer Umgebung. Geophysiker untersuchen zudem die physikalischen Prozesse und Eigenschaften der Erde, ihrer Flüssigkeitsschichten und ihres Magnetfelds sowie die erdnahe Umgebung im Sonnensystem , zu der auch andere Planetenkörper gehören.

Die Gravitationskraft von Mond und Sonne bewirkt zwei Hochwasser und zwei Niedrigwasser pro Mondtag bzw. alle 24 Stunden und 50 Minuten. Daher beträgt der Abstand zwischen zwei Hochwassern und Niedrigwassern jeweils 12 Stunden und 25 Minuten. ^{[ 7 ]}

Durch die Gravitationskräfte wird Gestein auf tiefer liegendes Gestein gedrückt, wodurch sich dessen Dichte mit zunehmender Tiefe erhöht. ^{[ 8 ]} Messungen der Gravitationsbeschleunigung und des Gravitationspotenzials an und über der Erdoberfläche können zur Suche nach Mineralvorkommen genutzt werden (siehe Schwereanomalie und Gravimetrie ). ^{[ 9 ] [ 10 ]} Das Gravitationsfeld an der Erdoberfläche liefert Informationen über die Dynamik tektonischer Platten . Die Geopotentialfläche , das Geoid, ist eine Definition der Erdform. Das Geoid entspräche dem globalen mittleren Meeresspiegel, wenn sich die Ozeane im Gleichgewicht befänden und durch die Kontinente hindurchgeführt werden könnten (beispielsweise durch sehr schmale Kanäle). ^{[ 11 ] [ 10 ]}

Seismische Wellen sind Schwingungen, die sich durch das Erdinnere oder entlang der Erdoberfläche ausbreiten. ^{[ 12 ]} Die gesamte Erde kann auch in Schwingungsformen schwingen, die als Eigenschwingungen oder freie Schwingungen der Erde bezeichnet werden . Bodenbewegungen, die durch Wellen oder Eigenschwingungen verursacht werden, werden mithilfe von Seismographen gemessen . Stammen die Wellen von einer lokalisierten Quelle wie einem Erdbeben oder einer Explosion, kann die Quelle durch Messungen an mehreren Orten lokalisiert werden. Die Lokalisierung von Erdbeben liefert Informationen über die Plattentektonik und die Mantelkonvektion. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Die Aufzeichnung seismischer Wellen von kontrollierten Quellen liefert Informationen über die Region, durch die sich die Wellen ausbreiten. Ändert sich die Dichte oder Zusammensetzung des Gesteins, werden die Wellen reflektiert. Reflexionen, die mittels Reflexionsseismologie aufgezeichnet werden , liefern eine Fülle von Informationen über den Aufbau der Erde bis in mehrere Kilometer Tiefe und dienen sowohl dem besseren Verständnis der Geologie als auch der Exploration von Öl und Gas. ^{[ 9 ]} Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die sogenannte Brechung , ermöglichen Rückschlüsse auf den Tiefenaufbau der Erde . ^{[ 14 ]}

Erdbeben stellen ein Risiko für den Menschen dar . Das Verständnis ihrer Mechanismen, die vom Erdbebentyp (z. B. intraplattenbeben oder tiefenbeben ) abhängen, kann zu besseren Einschätzungen des Erdbebenrisikos und zu Verbesserungen im Erdbebeningenieurwesen führen . ^{[ 15 ]}

Nahe der Erdoberfläche herrscht stets ein nach unten gerichtetes elektrisches Feld mit einer durchschnittlichen Feldstärke von 120 Volt pro Meter. ^{[ 16 ]} Die galaktische kosmische Strahlung dringt in die Atmosphäre ein und ionisiert diese im Vergleich zur festen Erde, wodurch sie eine positive Nettoladung erhält. ^{[ 17 ]} Im globalen Stromkreis fließt ein Strom von etwa 1800 Ampere . ^{[ 16 ]} Dieser Strom fließt von der Ionosphäre über den größten Teil der Erde nach unten und durch Gewitter wieder nach oben. Er äußert sich in Form von Blitzen unterhalb der Wolken und Lichtblitzen darüber.

In der geophysikalischen Forschung kommen verschiedene elektrische Messmethoden zum Einsatz. Einige messen das spontane Potenzial , das im Boden durch anthropogene oder natürliche Störungen entsteht. Tellurische Ströme fließen in der Erde und den Ozeanen. Sie haben zwei Ursachen: die elektromagnetische Induktion durch das zeitlich veränderliche, von außen stammende Erdmagnetfeld und die Bewegung leitfähiger Körper (wie z. B. Meerwasser) durch das permanente Erdmagnetfeld. ^{[ 18 ]} Die Verteilung der tellurischen Stromdichte kann genutzt werden, um Variationen des elektrischen Widerstands unterirdischer Strukturen zu erfassen. Geophysiker können den elektrischen Strom auch selbst erzeugen (siehe induzierte Polarisation und elektrische Widerstandstomographie ).

Elektromagnetische Wellen treten in der Ionosphäre und Magnetosphäre sowie im äußeren Erdkern auf . Man geht davon aus, dass der Morgengesang durch hochenergetische Elektronen verursacht wird, die vom Van-Allen-Gürtel eingefangen werden . Pfeifende Geräusche entstehen durch Blitzeinschläge . Zischen kann durch beides hervorgerufen werden. Auch Erdbeben können elektromagnetische Wellen erzeugen (siehe Seismo-Elektromagnetik ).

Im hochleitfähigen flüssigen Eisen des äußeren Erdkerns werden Magnetfelder durch elektrische Ströme mittels elektromagnetischer Induktion erzeugt. Alfvén-Wellen sind magnetohydrodynamische Wellen in der Magnetosphäre oder im Erdkern. Im Kern haben sie wahrscheinlich nur geringe beobachtbare Auswirkungen auf das Erdmagnetfeld, aber langsamere Wellen wie magnetische Rossby-Wellen könnten eine Ursache für die säkulare geomagnetische Variation sein . ^{[ 19 ]}

Zu den elektromagnetischen Methoden, die für geophysikalische Untersuchungen eingesetzt werden, gehören transiente Elektromagnetik , Magnetotellurik , Oberflächenkernspinresonanz und elektromagnetische Meeresbodenmessung. ^{[ 20 ]}

Das Erdmagnetfeld schützt die Erde vor dem tödlichen Sonnenwind und wird seit Langem zur Navigation genutzt. Es entsteht durch die Fluidbewegungen des äußeren Erdkerns. ^{[ 19 ]} Das Magnetfeld in der oberen Atmosphäre ist die Ursache für die Polarlichter . ^{[ 21 ]}

Das Erdmagnetfeld ähnelt in etwa einem geneigten Dipol , verändert sich aber im Laufe der Zeit (ein Phänomen, das als geomagnetische Säkularvariation bezeichnet wird). Der geomagnetische Pol bleibt meist in der Nähe des geografischen Pols , doch in unregelmäßigen Abständen von durchschnittlich 440.000 bis etwa einer Million Jahren kehrt sich die Polarität des Erdmagnetfelds um. Diese geomagnetischen Umpolungen , analysiert in einer geomagnetischen Polaritätszeitskala , umfassen 184 Polaritätsintervalle in den letzten 83 Millionen Jahren, wobei sich ihre Häufigkeit im Laufe der Zeit verändert. Die jüngste kurze vollständige Umpolung, das Laschamp-Ereignis, ereignete sich vor 41.000 Jahren während der letzten Eiszeit . Geologen beobachteten geomagnetische Umpolungen, die in vulkanischen Gesteinen aufgezeichnet sind, mittels magnetostratigraphischer Korrelation (siehe natürliche remanente Magnetisierung ). Ihre Signatur ist als parallele lineare magnetische Anomaliestreifen auf dem Meeresboden sichtbar. Diese Streifen liefern quantitative Informationen über die Ozeanbodenspreizung , einen Teilbereich der Plattentektonik. Sie bilden die Grundlage der Magnetostratigraphie , welche magnetische Umpolungen mit anderen Stratigraphien korreliert , um geologische Zeitskalen zu erstellen. ^{[ 23 ]} Darüber hinaus kann die Magnetisierung in Gesteinen zur Messung der Kontinentalbewegung genutzt werden. ^{[ 19 ]}

Der radioaktive Zerfall trägt zu etwa 80 % zur inneren Wärme der Erde bei und treibt den Geodynamo sowie die Plattentektonik an. ^{[ 24 ]} Die wichtigsten wärmeproduzierenden Isotope sind Kalium-40 , Uran-238 , Uran-235 und Thorium-232 . ^{[ 25 ]} Radioaktive Elemente werden zur radiometrischen Datierung verwendet , der wichtigsten Methode zur Erstellung einer absoluten Zeitskala in der Geochronologie .

Instabile Isotope zerfallen mit vorhersagbaren Raten, und die Zerfallsraten verschiedener Isotope umfassen mehrere Größenordnungen. Daher kann der radioaktive Zerfall zur genauen Datierung sowohl jüngerer als auch vergangener geologischer Zeitalter genutzt werden . ^{[ 26 ]} Mithilfe radiometrischer Kartierung mittels boden- und luftgestützter Gammaspektrometrie lassen sich die Konzentration und Verteilung von Radioisotopen nahe der Erdoberfläche erfassen, was für die Kartierung von Lithologie und Alterationsprozessen hilfreich ist. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Fluidbewegungen finden in der Magnetosphäre, der Atmosphäre , den Ozeanen, dem Erdmantel und dem Erdkern statt. Selbst der Erdmantel, obwohl er eine enorme Viskosität aufweist , fließt über lange Zeiträume wie eine Flüssigkeit. Diese Strömung spiegelt sich in Phänomenen wie der Isostasie , der postglazialen Landhebung und Mantelplumes wider . Die Mantelströmung treibt die Plattentektonik an, und die Strömung im Erdkern treibt den Geodynamo an. ^{[ 19 ]}

Die geophysikalische Fluiddynamik ist ein zentrales Werkzeug der physikalischen Ozeanographie und Meteorologie . Die Erdrotation hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Fluiddynamik der Erde, häufig aufgrund des Coriolis-Effekts . In der Atmosphäre führt sie zu großräumigen Mustern wie Rossby-Wellen und bestimmt die grundlegenden Zirkulationsmuster von Stürmen. Im Ozean treibt sie großräumige Zirkulationsmuster sowie Kelvin-Wellen und Ekman-Spiralen an der Meeresoberfläche an. ^{[ 29 ]} Im Erdkern wird die Zirkulation des flüssigen Eisens durch Taylor-Säulen strukturiert . ^{[ 19 ]}

Wellen und andere Phänomene in der Magnetosphäre können mithilfe der Magnetohydrodynamik modelliert werden .

Die Erde kühlt sich ab, und der daraus resultierende Wärmefluss erzeugt über den Geodynamo das Erdmagnetfeld und über Mantelkonvektion die Plattentektonik . ^{[ 30 ]} Die Hauptwärmequellen sind: die primordiale Wärme aufgrund der Erdabkühlung und die Radioaktivität in der oberen Erdkruste. ^{[ 31 ]} Hinzu kommen Beiträge durch Phasenübergänge . Wärme wird hauptsächlich durch thermische Konvektion an die Oberfläche transportiert , obwohl es zwei thermische Grenzschichten gibt – die Kern-Mantel-Grenze und die Lithosphäre –, in denen Wärme durch Wärmeleitung transportiert wird . ^{[ 32 ]} Ein Teil der Wärme wird durch Mantelplumes vom unteren Ende des Mantels nach oben transportiert . Der Wärmefluss an der Erdoberfläche beträgt etwa 4,2 × 10^¹³ W und stellt eine potenzielle Quelle geothermischer Energie dar. ^{[ 33 ]}

Um aus seismologischen Daten , dem geothermischen Gradienten und anderen Informationsquellen auf die Zusammensetzung des Erdinneren zu schließen, müssen die physikalischen Eigenschaften von Mineralen verstanden werden . Mineralphysiker untersuchen die elastischen Eigenschaften von Mineralen, ihre Hochdruck- Phasendiagramme , Schmelzpunkte und Zustandsgleichungen bei hohem Druck sowie die rheologischen Eigenschaften von Gesteinen, also deren Fließfähigkeit. Die Verformung von Gesteinen durch Kriechen ermöglicht das Fließen, obwohl die Gesteine ​​über kurze Zeiträume spröde sind. Die Viskosität von Gesteinen wird von Temperatur und Druck beeinflusst und bestimmt ihrerseits die Geschwindigkeit der tektonischen Plattenbewegungen. ^{[ 8 ]}

Wasser ist eine sehr komplexe Substanz, deren einzigartige Eigenschaften für das Leben unerlässlich sind. ^{[ 34 ]} Seine physikalischen Eigenschaften prägen die Hydrosphäre und sind ein wesentlicher Bestandteil des Wasserkreislaufs und des Klimas . Seine thermodynamischen Eigenschaften bestimmen die Verdunstung und den Temperaturgradienten in der Atmosphäre . Die verschiedenen Niederschlagsarten entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel von Prozessen wie Koaleszenz , Unterkühlung und Übersättigung . ^{[ 35 ]} Ein Teil des Niederschlagswassers versickert im Grundwasser , und der Grundwasserfluss umfasst Phänomene wie die Perkolation . Die Leitfähigkeit des Wassers ermöglicht die Anwendung elektrischer und elektromagnetischer Methoden zur Verfolgung des Grundwasserflusses. Physikalische Eigenschaften des Wassers, wie beispielsweise der Salzgehalt, haben einen großen Einfluss auf seine Bewegung in den Ozeanen. ^{[ 29 ]}

Die vielen Eisphasen bilden die Kryosphäre und treten in Formen wie Eisschilden , Gletschern , Meereis , Süßwassereis, Schnee und gefrorenem Boden (oder Permafrost ) auf. ^{[ 36 ]}

Contrary to popular belief, the earth is not entirely spherical but instead generally exhibits an ellipsoid shape- which is a result of the centrifugal forces the planet generates due to its constant motion.^[37] These forces cause the planets diameter to bulge towards the Equator and results in the ellipsoid shape.^[37][10] Earth's shape is constantly changing, and different factors including glacial isostatic rebound (large ice sheets melting causing the Earth's crust to the rebound due to the release of the pressure^[38]), geological features such as mountains or ocean trenches, tectonic plate dynamics, and natural disasters can further distort the planet's shape.^[37]

Evidence from seismology, heat flow at the surface, and mineral physics is combined with the Earth's mass and moment of inertia to infer the composition, density, temperature, and pressure of the Earth's interior. For example, the Earth's mean specific gravity (5.515) is far higher than the typical specific gravity of rocks at the surface (2.7–3.3), implying that the deeper material is denser. This is also implied by its low moment of inertia ( 0.33 M R², compared to 0.4 M R² for a sphere of constant density). However, some of the density increase is compression under the enormous pressures inside the Earth. The effect of pressure can be calculated using the Adams–Williamson equation. The conclusion is that pressure alone cannot account for the increase in density. Instead, we know that the Earth's core is composed of an alloy of iron and other minerals.^[8]

Reconstructions of seismic waves in the deep interior of the Earth show that there are no S-waves in the outer core. This indicates that the outer core is liquid, because liquids cannot support shear. The outer core is liquid, and the motion of this highly conductive fluid generates the Earth's field. Earth's inner core, however, is solid because of the enormous pressure.^[11]

Die Rekonstruktion seismischer Reflexionen im tiefen Erdinneren zeigt einige markante Diskontinuitäten in den seismischen Geschwindigkeiten, die die Hauptzonen der Erde abgrenzen: innerer Kern , äußerer Kern , Mantel, Lithosphäre und Kruste . Der Mantel selbst ist in oberen Mantel , Übergangszone, unteren Mantel und die D''- Schicht unterteilt . Zwischen Kruste und Mantel befindet sich die Mohorovičić-Diskontinuität . ^{[ 11 ]}

Das seismische Erdmodell allein bestimmt nicht die Zusammensetzung der Schichten. Für ein vollständiges Erdmodell ist die Mineralphysik erforderlich, um seismische Geschwindigkeiten im Hinblick auf die Zusammensetzung zu interpretieren. Da die Mineraleigenschaften temperaturabhängig sind, muss auch die Geotherme bestimmt werden. Dies erfordert physikalische Theorien zur Wärmeleitung und Konvektion sowie den Wärmebeitrag radioaktiver Elemente . Das Hauptmodell für die radiale Struktur des Erdinneren ist das vorläufige Referenz-Erdmodell (PREM). Teile dieses Modells wurden durch neuere Erkenntnisse der Mineralphysik (siehe Post-Perowskit ) aktualisiert und durch seismische Tomographie ergänzt . Der Mantel besteht hauptsächlich aus Silikaten , und die Grenzen zwischen den Mantelschichten stimmen mit Phasenübergängen überein. ^{[ 8 ]}

Der Erdmantel verhält sich gegenüber seismischen Wellen wie ein Festkörper, doch unter hohem Druck und hohen Temperaturen verformt er sich so, dass er sich über Millionen von Jahren wie eine Flüssigkeit verhält. Dies ermöglicht die Plattentektonik .

Ist das Magnetfeld eines Planeten stark genug, bildet sich durch seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind eine Magnetosphäre. Frühe Raumsonden kartierten die groben Ausdehnungen des Erdmagnetfelds, das sich etwa zehn Erdradien in Richtung Sonne erstreckt. Der Sonnenwind, ein Strom geladener Teilchen, strömt aus dem Erdmagnetfeld heraus und umgibt es. Er setzt sich hinter dem magnetischen Schweif fort , Hunderte von Erdradien stromabwärts. Innerhalb der Magnetosphäre befinden sich relativ dichte Bereiche mit Sonnenwindteilchen, die als Van-Allen-Strahlungsgürtel bezeichnet werden. ^{[ 21 ]}

Geophysikalische Messungen erfolgen im Allgemeinen zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort. Genaue Positionsbestimmungen sowie die Messung von Erdverformungen und der Schwerkraft fallen in den Bereich der Geodäsie . Obwohl Geodäsie und Geophysik separate Fachgebiete sind, sind sie so eng miteinander verbunden, dass viele wissenschaftliche Organisationen wie die American Geophysical Union , die Canadian Geophysical Union und die International Union of Geodesy and Geophysics beide Disziplinen umfassen. ^{[ 39 ]}

Absolute Positionen werden am häufigsten mithilfe des Global Positioning System (GPS) bestimmt. Eine dreidimensionale Position wird anhand von Daten von mindestens vier sichtbaren Satelliten berechnet und auf das Geodätische Referenzsystem von 1980 bezogen . Alternativ kombiniert die optische Astronomie astronomische Koordinaten mit dem lokalen Gravitationsvektor, um geodätische Koordinaten zu erhalten. Diese Methode liefert die Position jedoch nur in zwei Koordinaten und ist schwieriger anzuwenden als GPS. Sie eignet sich aber zur Messung von Erdbewegungen wie Nutation und Chandler-Wobble . Relative Positionen von zwei oder mehr Punkten lassen sich mithilfe der Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) bestimmen . ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

Schwerkraftmessungen wurden Bestandteil der Geodäsie, da sie benötigt wurden, um Messungen an der Erdoberfläche mit dem Referenzkoordinatensystem in Beziehung zu setzen. Schwerkraftmessungen an Land können mit Gravimetern durchgeführt werden , die entweder auf der Oberfläche oder im Hubschrauberflug eingesetzt werden. Seit den 1960er Jahren wird das Schwerefeld der Erde durch die Analyse der Satellitenbewegungen gemessen. Auch der Meeresspiegel kann mithilfe von Satelliten und Radaraltimetrie gemessen werden , was zu einem genaueren Geoid beiträgt . ^{[ 39 ]} Im Jahr 2002 startete die NASA das Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Dabei kartieren zwei Zwillingssatelliten die Variationen des Schwerefelds der Erde, indem sie die Entfernung zwischen den beiden Satelliten mithilfe von GPS und einem Mikrowellen-Entfernungsmesssystem messen. Zu den von GRACE erfassten Schwerkraftvariationen gehören solche, die durch Veränderungen der Meeresströmungen, Oberflächenabfluss und Grundwasserabsenkung sowie das Abschmelzen von Eisschilden und Gletschern verursacht werden. ^{[ 42 ]}

Satelliten im Weltraum ermöglichen die Datenerfassung nicht nur im sichtbaren Lichtbereich, sondern auch in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums . Die Planeten lassen sich durch ihre Kraftfelder charakterisieren: ihre Gravitations- und Magnetfelder , die mithilfe der Geophysik und Weltraumphysik untersucht werden.

Die Messung der Beschleunigungsänderungen, die Raumfahrzeuge während ihrer Umlaufbahn erfahren, hat es ermöglicht, feine Details der Gravitationsfelder der Planeten zu kartieren. Beispielsweise wurden in den 1970er Jahren die Gravitationsfeldstörungen über den Mondmeeren mithilfe von Mondorbitern gemessen , was zur Entdeckung von Massenkonzentrationen, sogenannten Mascons , unterhalb der Becken von Imbrium , Serenitatis , Crisium , Nectaris und Humorum führte . ^{[ 43 ]}

Da sich die Geophysik mit der Form der Erde und damit auch mit der Kartierung von Strukturen auf und in der Erde befasst, umfassen geophysikalische Messungen hochpräzise GPS-Messungen. Diese Messungen werden durch differentielle GPS -Verarbeitung weiter optimiert. Nach der Verarbeitung und Invertierung der geophysikalischen Messungen werden die interpretierten Ergebnisse mithilfe von GIS visualisiert. Programme wie ArcGIS und Geosoft wurden für diese Zwecke entwickelt und beinhalten zahlreiche integrierte geophysikalische Funktionen, wie beispielsweise die Aufwärtsfortsetzung und die Berechnung von Messableitungen, etwa der ersten vertikalen Ableitung. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 44 ]} Viele geophysikalische Unternehmen haben bereits vor ArcGIS und Geosoft eigene Geophysikprogramme entwickelt, um die Visualisierungsanforderungen geophysikalischer Datensätze zu erfüllen.

Die Explorationsgeophysik ist ein Teilgebiet der angewandten Geophysik, das die Entwicklung und Anwendung verschiedener seismischer und elektromagnetischer Methoden zur Untersuchung von Energie-, Mineral- und Wasserressourcen umfasst. [45] Dies geschieht mithilfe verschiedener Fernerkundungsplattformen wie Satelliten, Flugzeugen, Schiffen, Drohnen, Bohrlochmessgeräten ^{und seismischen Empfängern} . Diese Geräte werden häufig in Kombination mit geophysikalischen Methoden wie Magnetik , Gravimetrie, Elektromagnetik, Radiometrie und Barometrie eingesetzt, um Daten zu erfassen . Die in der Explorationsgeophysik verwendeten Fernerkundungsplattformen sind nicht perfekt und müssen angepasst werden, um die Einflüsse der Plattform selbst auf die erfassten Daten präzise zu berücksichtigen. Beispielsweise muss bei der Erfassung aeromagnetischer Daten (magnetische Daten aus einem Flugzeug) mit einem konventionellen Starrflügelflugzeug die Plattform so justiert werden, dass die elektromagnetischen Ströme, die beim Durchfliegen des Erdmagnetfelds entstehen können, kompensiert werden . ^{[ 9 ]} Es gibt außerdem Korrekturen im Zusammenhang mit Änderungen der gemessenen Potentialfeldstärke aufgrund der Erdrotation, der Erdumlaufbahn um die Sonne und der Mondumlaufbahn um die Erde. ^{[ 9 ] [ 44 ]}

Geophysikalische Messungen werden häufig als Zeitreihen mit GPS- Positionsbestimmung aufgezeichnet. Die Signalverarbeitung umfasst die Korrektur der Zeitreihendaten hinsichtlich unerwünschten Rauschens oder Fehlern, die durch die Messplattform verursacht werden, wie beispielsweise Flugzeugvibrationen in Gravitationsdaten. Sie beinhaltet auch die Reduzierung von Rauschquellen, wie etwa tageszeitliche Korrekturen in Magnetdaten. ^{[ 9 ] [ 44 ]} Bei seismischen, elektromagnetischen und Gravitationsdaten wird die Verarbeitung nach der Fehlerkorrektur fortgesetzt und umfasst die computergestützte Geophysik , die zur abschließenden geologischen Interpretation der geophysikalischen Daten führt. ^{[ 9 ] [ 44 ]}

Die Geophysik entwickelte sich erst im 19. Jahrhundert als eigenständige Disziplin aus der Schnittstelle von physischer Geographie , Geologie , Astronomie , Meteorologie und Physik. ^{[ 46 ] [ 47 ]} Die erste bekannte Verwendung des Wortes „ Geophysik “ stammt von Julius Fröbel im Jahr 1834 und ist auf Deutsch („Geophysik“) belegt. ^{[ 48 ]} Viele geophysikalische Phänomene – wie das Erdmagnetfeld und Erdbeben – werden jedoch bereits seit der Antike erforscht .

Der Magnetkompass existierte in China bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. Er wurde sowohl für Feng Shui als auch zur Navigation an Land verwendet. Erst mit der Herstellung hochwertiger Stahlnadeln konnten Kompasse auch zur Navigation auf See eingesetzt werden; zuvor hielten sie ihren Magnetismus nicht lange genug, um nützlich zu sein. Die erste Erwähnung eines Kompasses in Europa stammt aus dem Jahr 1190 n. Chr. ^{[ 49 ]}

Um 240 v. Chr. schloss Eratosthenes von Kyrene, dass die Erde rund sei, und maß ihren Umfang mit großer Genauigkeit. ^{[ 50 ]} Er entwickelte ein System von Breiten- und Längengraden . ^{[ 51 ]}

Der wohl früheste Beitrag zur Seismologie war die Erfindung des Seismoskops durch den produktiven Erfinder Zhang Heng im Jahr 132 n. Chr. ^{[ 52 ]} . Dieses Instrument war so konstruiert, dass eine Bronzekugel aus dem Maul eines Drachen in das Maul einer Kröte fallen gelassen wurde. Anhand der Kugel, die in einer von acht Kröten landete, konnte die Richtung des Erdbebens bestimmt werden. Erst 1571 Jahre später veröffentlichte Jean de la Hautefeuille in Europa die erste Konstruktionszeichnung eines Seismoskops . Es wurde jedoch nie gebaut. ^{[ 53 ]}

Das 17. Jahrhundert brachte bedeutende Meilensteine ​​hervor, die den Beginn der modernen Wissenschaft markierten. Im Jahr 1600 veröffentlichte William Gilbert die Schrift „De Magnete“ (1600), in der er eine Reihe von Experimenten sowohl mit natürlichen Magneten (sogenannten Magnetsteinen ) als auch mit künstlich magnetisiertem Eisen durchführte. ^{[ 54 ]} Seine Experimente führten zu Beobachtungen mit einer kleinen Kompassnadel ( Versorium ), die magnetisches Verhalten zeigte, wenn sie einem kugelförmigen Magneten ausgesetzt wurde, und die zudem magnetische Dips erfuhr , wenn sie um eine horizontale Achse gedreht wurde. ^{[ 54 ]} Aus diesen Erkenntnissen schloss er, dass Kompasse nach Norden zeigen, weil die Erde selbst ein riesiger Magnet ist. ^{[ 54 ]}

1687 veröffentlichte Isaac Newton sein Werk „ Principia“ , das für die Entwicklung moderner Wissenschaftsbereiche wie Astronomie und Physik von grundlegender Bedeutung war . ^{[ 55 ]} Darin legte Newton die Grundlagen der klassischen Mechanik und der Gravitation und erklärte verschiedene geophysikalische Phänomene wie die Präzession der Äquinoktien (die Bahn der Sterne entlang der Ekliptik) . ^{[ 56 ]} Newtons Gravitationstheorie war so erfolgreich, dass sie das Hauptziel der Physik jener Zeit veränderte: die fundamentalen Naturkräfte und ihre Beschreibung in Naturgesetzen zu entschlüsseln. ^{[ 55 ]}

Das erste Seismometer , ein Instrument, das in der Lage ist, seismische Aktivitäten kontinuierlich aufzuzeichnen, wurde 1844 von James Forbes gebaut. ^{[ 53 ]}

• Internationale Union für Geodäsie und Geophysik (IUGG)
• Sociedade Brasileira de Geofísica
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• Aeromagnetische Untersuchung

• Ein Nachschlagewerk für geophysikalische Verfahren und Anwendungen im oberflächennahen Bereich. Archiviert am 18. Februar 2021 im Internet Archive.
• Kommission für geophysikalische Risiken und Nachhaltigkeit (GeoRisk), Internationale Union für Geodäsie und Geophysik (IUGG)
• Studie über das tiefe Erdinnere, ein Komitee der IUGG
• Gewerkschaftskommissionen (IUGG)
• USGS-Geomagnetismusprogramm
• Karriere-Kiste: Seismischer Prozessor
• Gesellschaft der Explorationsgeophysiker