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Gravimetrie (Geophysik)

Gravimetrie (Geophysik)

Die Gravimetrie ist eine Methode, mit der das lokale Schwerefeld vermessen wird. Anhand der unterschiedlichen Stärke der Schwerebeschleunigung an verschiedenen Orten lassen sich Aussagen über die Verteilung der Dichte in der Erdkruste treffen. Die Gravitation lässt sich z.B. mit einem Pendel messen. Mit modernen Gravimetern, die nach dem Prinzip der Federwaage arbeiten, sind relative Messunsicherheiten bis herab zu 5·10^-9 erreichbar, mit supraleitenden Gravimetern sogar bis 10^-11. Vor einer exakten Interpretation der Messergebnisse (Erforschung der Erdkruste oder des Erdschwerefeldes) müssen sie um den Einfluss des Geländes reduziert werden. Dieser Rechenschritt wird heute mit digitalen Geländemodellen (DTM) vorgenommen. Die typische Rasterweite eines DTM liegt zwischen 50 m und 500 m. Diese Reduktionen und die verbleibenden Schwereanomalien können über 200 Milligal (0.2 Gal) erreichen, was 0.02 Prozent der Schwerkraft bedeutet. Die Anomalien geben Aufschluss über geologische Unregelmäßigkeiten im Untergrund, welche durch abweichende Dichte von Gesteinen, durch Erdöl- oder Erzlager bzw. unterschiedlich tiefen Erdmantel verursacht werden. Sie werden häufig zur Ortung von Lagerstätten genutzt. Eine andere Anwendung der Gravimetrie ist die Ermittlung von Niveauflächen des Erdschwerefeldes für die Geoidbestimmung. Das Geoid weicht global um ± 50 Meter (maximal 110 m) vom Erdellipsoid ab und kann durch gut verteilte Schweremessungen mit Genauigkeiten von einigen cm...dm bestimmt werden. Gravimetrisch nennt man jene
- Methoden, die den Verlauf des Geoids bzw. der Niveauflächen durch Messung der Schwerkraft ermitteln, bzw.
- Methoden der Angewandten Geophysik, welche Rohstoffe und Gesteine der Erdkruste durch Berechnung von Schwereanomalien erforscht. In flachen Ländern sind diese Methoden besonders wirtschaftlich. Im Gebirge sind jedoch die Einflüsse des Geländes auf die Schwerkraft nur schwierig zu erfassen. Daher sind dort andere Methoden vorteilhafter,
z.B. die astrogeodätische Geoidbestimmung (Messung der Lotabweichung) oder Verfahren der Seismik.

Siehe auch

Geophysik, Geodäsie, Geologie, Erdschwerefeld, Geopotential, Erdöl, Erzlager, Exploration, Geoid, Gesteinsdichte, Isostasie, Kontinente, Mohorovicic-Diskontinuität, Schwerebeschleunigung, Waagen Kategorie:Geodäsie

Gravitation

Die Gravitation bezeichnet das Phänomen der gegenseitigen Anziehung von Massen. Sie ist die Ursache der irdischen Schwerkraft oder Erdanziehung, die die Erde auf Objekte ausübt. Sie bewirkt damit beispielsweise, dass Gegenstände zu Boden fallen. Die Gravitation bestimmt auch die Bahn der Erde und der anderen Planeten um die Sonne, und sie spielt eine bedeutende Rolle in der Kosmologie.

Einführung

Die Gravitation wurde erstmals von dem britischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton mathematisch beschrieben. Das von ihm formulierte newtonsche Gravitationsgesetz war die erste physikalische Theorie, die sich in der Astronomie anwenden ließ. Es bestätigt die bereits zuvor entdeckten keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und damit ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Sonnensystems mit der Möglichkeit präziser Vorhersagen bezüglich der Bewegung von Planeten, Monden und Kometen. In der 1916 von Albert Einstein aufgestellten allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf eine Krümmung der Raumzeit zurückgeführt, die unter anderem durch die beteiligten Massen provoziert wird. Das newtonsche Gravitationsgesetz ergibt sich dabei als nichtrelativistischer Grenzfall für die Situation hinreichend schwacher Raumzeitkrümmung, wie sie beispielsweise in unserem Planetensystem herrscht. Die korrekte Beschreibung von Neutronensternen und schwarzen Löchern oder die Erklärung der Periheldrehung des Merkur sind aber der allgemeinen Relativitätstheorie vorbehalten. Die Gravitation ist die schwächste der vier bekannten Grundkräfte der Physik. Aufgrund ihrer unbegrenzten Reichweite und des Umstandes, dass sie sich nicht abschirmen lässt, ist sie dennoch die Kraft, die die großräumigen Strukturen des Kosmos prägt. Sie spielt daher in der Kosmologie eine entscheidende Rolle.

Das newtonsche Gravitationsgesetz

Das newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Gravitationskraft

F

, mit der sich zwei Massen

m_1

und

m_2

anziehen, proportional zu den Massen beider Körper, der Gravitationskonstanten

G

und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes

r

der Massenschwerpunkte ist: :

F = G\,\frac

wobei :

G = (6,6742\pm 0,0010) \cdot 10^\;\mathrm

. Danach ist die Gravitationskraft eine Wechselwirkung, die auch wie im Falle der Anziehung zwischen Erde und Sonne durch das Vakuum wirkt. Man bezeichnet sie als Fernwirkungskraft, die sich mittels Kraftfeldern beschreiben lässt. Im Rahmen der newtonschen Physik wird dabei angenommen, dass sich Veränderungen des Feldes durch Bewegungen der Massen instantan im Raum ausbreiten. Aus dem newtonschen Gravitationsgesetz folgt, dass die Gravitation an einem Punkt einer sphärisch symmetrischen (kugelförmigen) Massenverteilung im Abstand r von ihrem Schwerpunkt stets so groß wie die Gravitation einer Punktmasse in diesem Schwerpunkt ist, deren Masse gerade der Teil der Gesamtmasse entspricht, der sich innerhalb der Kugel mit dem Radius r befindet. Innerhalb einer homogenen Kugel bedeutet das, dass die Gravitationskraft proportional zum Abstand vom Mittelpunkt ist. Die Gravitation einer homogenen Kugel im Vakuum ist daher an ihrer Oberfläche am größten. Das gilt auch für die Erde.

Allgemeine Relativitätstheorie

In der allgemeinen Relativitätstheorie werden Raum und Zeit als Einheit beschrieben, die als Raumzeit bezeichnet wird. Diese Raumzeit wird lokal durch die Anwesenheit von Massen gekrümmt. Ein Gegenstand, auf den keinerlei Kraft ausgeübt wird, bewegt sich zwischen zwei Punkten der Raumzeit stets entlang des geradlinigsten Weges, einer so genannten Geodäte. Die Gravitation lässt sich auf diese Weise auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurückführen. In diesem Sinne reduziert die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationskraft auf den Status einer Scheinkraft. In der Relativitätstheorie wird die Gravitation zwischen zwei Massen damit über die lokale Krümmung der Raumzeit vermittelt, wobei sich Änderungen nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Die Gravitation hat daher den Status einer Nahwirkungskraft. Die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation bedingt bei Systemen beschleunigter Massen die Existenz von Gravitationswellen.

Gravitation und Quantentheorie

Falls die Gravitation durch eine Quantenfeldtheorie beschreibbar ist (Quantengravitation), sollte das Graviton, ein bislang noch nicht nachgewiesenes, hypothetisches Teilchen, existieren. Das Graviton hätte dann eine dem Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung analoge Rolle.

Literatur

- Charles W. Misner, Kip S. Thorne, John Archibald Wheeler, Gravitation, Freeman, 23rd Printing 2000, ISBN 0-7167-0344-0 (englisches Standardwerk für Physiker)
- Claus Kiefer:Gravitation, Fischer kompakt, 2002; ISBN 3-596-15357-3

Siehe auch

- Gewicht
- Träge Masse
- Wurfparabel
- Gravitationsfeld
- Schwerelosigkeit
- Gravitationswelle
- Einsteinsche Feldgleichungen
- Erdbeschleunigung
- Ortsfaktor
- Erdmessung
- Physikalische Konstanten
- Beschleunigung
- Oberflächenbeschleunigung

Weblinks

- [http://www.aei.mpg.de Max-Planck-Institut für Gravitations-Physik]
- [http://www.geo600.uni-hannover.de GEO 600 Home Page (Hannover)]
- [http://www.zeit.de/2003/02/N-Naturkonstanten Newtons Gravitationskonstante]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph11/materialseiten/m10_gravitation.htm Versuche und Aufgaben zum Gravitationsgesetz] Kategorie:Gravitation Kategorie:Himmelsmechanik Kategorie:Allgemeine Relativitätstheorie Kategorie:1666 ja:重力 zh-min-nan:Tāng-le̍k

Schwerebeschleunigung

Die Schwerebeschleunigung (Erdbeschleunigung, Fallbeschleunigung) gibt an, wie schnell Gegenstände auf der Erde fallen. An der Erdoberfläche beträgt ihr Mittelwert g = 9,81 m/s², variiert aber wegen Zentrifugalkraft, Erdabplattung und Höhenprofil regional um einige Promille. Die Norm-Fallbeschleunigung ist definiert als 9,80665 m/s². Allgemein hängt die Schwerebeschleunigung von der Masse des Himmelskörpers ab. Die Formel v(t) = g · t gibt an, welche Fallgeschwindigkeit v ein Gegenstand im Vakuum nach der Fallzeit t erreicht. Sie erhöht sich theoretisch in jeder Sekunde um den Wert g. Ausserhalb des Vakuums verringert der Luftwiderstand je nach Körperform die Beschleunigung und führt zu einer maximalen Fallgeschwindigkeit (siehe auch Wurfparabel).

Probleme der Terminologie

Die Bezeichnungen Schwerebeschleunigung, Oberflächen- bzw. Fallbeschleunigung, Erdschwerebeschleunigung und neuerdings auch Ortsfaktor werden meist synonym eingesetzt. Gegen die im Internet meistverwendete "Erdbeschleunigung" wird eingewendet, dass sie auch jene Beschleunigung bedeuten kann, der die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterliegt. Missverständlich ist auch Erdanziehung und insbesondere Erdschwere. Unter ersterer versteht man meist eine Kraft (die sog. Schwerkraft), während "Erdschwere" zu schwammig ist. Generell sollte die Terminologie beachten, ob es sich um eine Kraft (F = m·g) oder um eine Beschleunigung (g) handelt, wobei die Masse m den Unterschied ausmacht.

Herleitung

Die Schwerebeschleunigung bestimmt die Kraft F, mit der ein Körper m von einem Himmelskörper angezogen wird: :

F = m \cdot g

Das Gleichsetzen der Trägheitskraft F mit der Newtonschen Gravitationskraft liefert die Erdbeschleunigung g: :

g(r) = \frac

Für die Werte der Erde:
- Erdmasse:

M=5972 \cdot 10^\,\mathrm

- Erdradius:

r=6371\,\mathrm

(kugelförmig, ruhend) und mit der
- Gravitationskonstante:

G=6674 \cdot 10^\,

ergibt sich g = 9,82 m/s². Eine andere Methode beruht auf der Messung der Schwingungsdauer T eines Fadenpendels mit Fadenlänge L: :

g = \frac

Das sog. Sekundenpendel hat eine Länge von etwa 1m, doch ist eine solche Pendeluhr auf die geografische Breite zu eichen.

Einheiten

Die SI-Einheit der Schwerebeschleunigung ist m/s². Der Millionste Teil davon ist 1 µm/s², was etwa der durchschnittlichen Messgenauigkeit entspricht. Im alten CGS-Sytem heißt die Einheit Gal (nach Galileo Galilei oder γ, das in der Gravimetrie und Angewandten Geophysik oft in 1000 Milligal unterteilt wird: :1 Gal = 1γ = 1 cm/s² = 0,01 m/s² :1 mGal = 10^-5 m/s² = 10 µm/s² (siehe unten). Geophysiker verwenden γ aber meist als Formelzeichen für die theoretische Schwere (unten als g_N bezeichnet). Manchmal dient die Erdbeschleunigung g auch selbst als Einheit. Im Mittel der Erde gilt dann genähert : 1 g = 9,81 m/s² = 981 Gal = 981 000 mGal.

Ortsabhängigkeit der Erdbeschleunigung

Da die Erde keine Kugel, sondern annähernd ein Ellipsoid ist und zudem rotiert, hängt die Erdbeschleunigung von der geografischen Breite und zusätzlich von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Die Norm-Erdbeschleunigung ist definiert als die mittlere Erdbeschleunigung g_N mit dem Wert:
- 9,80665 m/s² auf dem 45.Breitengrad in Meereshöhe.
- 9,780 m/s² am Äquator.
- 9,832 m/s² an den Polen. Pro Meter Höhe (h) nimmt g um rund 3 µm/s² ab, solange h klein gegen den Erdradius und das Gelände eben ist. Der theoretische Gradient einer völig glatten Erde wäre 3,086 µm/s². Weitere Abweichungen sind auf die Strukturen unterschiedlicher Dichte im Untergrund zurückzuführen. Aus der genauen Vermessung der Erdbeschleunigung kann man deshalb Rückschlüsse auf Strukturen in der Erdkruste sowie deren Veränderungen ziehen. Eine Formel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist die Schwereformel für das Geodätische Referenzsystem 1980 (GRS 80) in Meereshöhe: :

g(\phi)
=g_\mathrm\frac

, wobei :

g_\mathrm=97803267715\,\mathrm

. die Schwerebeschleunigung am Äquator in Meereshöhe ist. Eine sehr gute (empfohlene) Schwereformel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist gegeben durch: :

g(\phi)=g_\mathrm(1+c_1\sin^2\phi+c_2\sin^4\phi+c_3\sin^6\phi+c_4\sin^8\phi)

, mit c₁ = 0,005 279 0414 c₂ = 0,000 023 2718 c₃ = 0,000 000 1262 c₄ = 0,000 000 0007. Diese Näherung ist auf etwa ±10 nm/s² genau. Eine oft erwähnte einfachere Formel mit etwa ±10 µm/s² Genauigkeit ist :

g(\phi)
=9780327\,\mathrm\,(1+0005\,3024\sin^2\phi+0000\,005\,8\sin^2(2\phi))

. Eine Korrektur für die Höhenabhängigkeit lautet: :

g(\phi,h)
=g(\phi)\cdot\left(1-k_1\left(1-k_2\sin^2\right)
+k_3\left(\right)^2\right)

mit :

k_1=315704\cdot10^\,;\quad k_2=000666031\,;\quad k_3=737452\cdot10^

Diese Korrektur ist für fliegerische Höhen recht genau; für den Weltraum (über ca. 100 Kilometer) divergiert sie jedoch. Eine einfache Näherungsformel in Abhängigkeit der geografischen Breite φ und Höhe h lautet: :

g = 9780327 \, (1 + 00053024 \, (\sin\varphi) ^ 2) \frac - 000000308 \, h \frac

In Deutschland ist die ortsabhängige Erdbeschleunigung im Deutschen Hauptschwerenetz 1996 (DHSN96) festgehalten. Es ist neben dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem für den Ort und dem deutschen Haupthöhennetz für die Höhe die dritte Größe zur eindeutigen Festlegung eines geodätischen Bezugssystems. Das deutsche Schwerenetz stützt sich auf ca. 16.000 Meßpunkte, den Schwerefestpunkten (SFP) [http://www.lverma-mv.de/raum_festpunktfelder.htm].

Meßgenauigkeit

Ein modernes Gravimeter vermag die Erdbeschleunigung mit einer Genauigkeit von 0,01 µm/s² (0,001 mGal) zu vermessen. Man könnte damit eine Höhenverschiebung von weniger als einem Zentimeter registrieren. Schwankungen des Luftdrucks verursachen Änderungen in der gleichen Größenordnung. Wenn man aber Schweremessungen zur Rohstoff-Suche oder zur Bestimmung des Geoids verwendet, kann man sich mit 0,1 mGal begnügen. Denn die Unregelmäßigkeiten des Geländes können 30 mGal ausmachen und lassen sich wegen unsicherer Gesteinsdichte kaum genauer als auf 0,5 mGal oder 5 µm/s² berechnen. Bei Differenzmessungen (etwa zur Bestimmung unterirdischer Hohlräume) ist hingegen die 10-fache Messgenauigkeit sinnvoll. Der Einfluss der Gezeitenkräfte liegt bei 0,005 µm/s², am Meer mit großen bewegten Wassermassen bei 0,1 µm/s². Veränderungen des Grundwasserspiegels können die Meßwerte um 0,2 µm/s² beeinflussen. Aus der Beobachtung von Satellitenbahnen lassen sich Schwankungen des Erdschwerefeldes in der Größenordnung von 200 µm/s² erkennen; die modernste Gradiometrie kann auch noch wesentlich kleinere Bahnstörungen erfassen (siehe GRACE und GOCE).

Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung

GOCE In Bodennähe nimmt g um etwa 3,1 µm/s² pro Meter ab. Für größere Höhen wird die Abnahme von g(r) mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz abgeschätzt (siehe Diagramm). In niedrigen Satellitenhöhen von 300-400 km nimmt die Erdbeschleunigung um 10-15% ab, in 5000 km (Lasersatellit Lageos) ca. 70%. In großen Höhen wird sie keinesfalls Null, sonst würden hochfliegende Satelliten geradlinig davonfliegen. Ihre Besonderheit ist der fortgesetzte freie Fall, der ohne Luftwiderstand nie auf die Erdoberfläche aufschlägt, weil er einer Keplerellipse folgt.

Schwerebeschleunigung anderer Himmelskörper

Die Tabelle vergleicht die Schwerebeschleunigung der Erde mit den Himmelskörpern unseres Planetensystems in Einheiten von g: Zum Vergleich: Kurzzeitig überlebt ein Mensch 15 g, einige Minuten lang etwa 6 g, siehe G-Kraft.

Sprachgebrauch

Unter Erdschwerebeschleunigung oder allgemein Schwerebeschleunigung versteht man die Beschleunigung, die ein Gravimeter auf der Oberfläche eines Himmelskörpers misst (Gravimetrie). Die Zentrifugalkraft eines rotierenden Planeten ist in ihr enthalten. Hingegen bezieht sich die Gravitationsbeschleunigung auf die reine Massenanziehung. Im Umgangs-Sprachgebrauch bleiben die Unterschiede oft unberücksichtigt und müssen aus dem Zusammenhang erschlossen werden.

Siehe auch

- Beschleunigung
- Schweregradient
- Schwereanomalie
- Physikalische Konstanten
- Bezugssystem
- Erdgestalt
- Erdmessung

Weblinks

[http://www.bkg.bund.de/ Bundesamt für Kartographie und Geodäsie] Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Astronomie ja:重力加速度

Dichte

Die Dichte, Formelzeichen: ρ (griechisch: rho), ist eine physikalische Eigenschaft eines Materials. Sie ist über das Verhältnis der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V definiert: :

\rho = \frac

in Worten: :

= \frac

Der Kehrwert der Dichte wirdspezifisches Volumen genannt und spielt vor allem in der Thermodynamik der Gase und Dämpfe eine Rolle. Die Dichte sollte nicht mit dem spezifischen Gewicht verwechselt werden, denn diese ist zwar sehr ähnlich zur Dichte, unterscheidet sich aber in einem Punkt: Während bei der Dichte das Volumen im Verhältnis zur Masse steht, geschieht dies beim spezifischen Gewicht mit dem Volumen und der Gewichtskraft. Das Verhältnis der Dichte eines Stoffes zur Dichte im Normzustand wird als Relative Dichte bezeichnet. Bei porösen Stoffen wird zudem zwischen der Rohdichte (Hohlräume inklusive) und der Reindichte (Volumen ohne Hohlräume) unterschieden.

Einheit

Die abgeleitete SI-Einheit der Dichte ist Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³). Weit verbreitet und besonders bei Feststoffen gebräuchlich ist zudem die Angabe in g/cm³. Weitere in Spezialfällen genutzte Einheiten sind Gramm pro Liter (g/l) und Gramm pro Kubikdezimeter (g/dm³). Hierbei gilt: 1.000 kg/m³ = 1 kg/dm³ = 1 kg/l oder 1 g/cm³ = 1 g/ml. Alle diese Größen stellen die Bezugsdichte von Wasser dar. Wasser hat als Bezugspunkt bei einer Temperatur von 3,98 °C seine größte Dichte (Dichteanomalie) mit 1.000 kg/m³, was einem g/cm³ entspricht. Ein Liter ist definiert als das Volumen, das genau ein Kilogramm Wasser bei seiner höchsten Dichte (bei 3,98 °C ≈ 4 °C) bei Normaldruck einnimmt. Die Abweichung von 1 dm³ ist so gering, dass man im Normalfall 1 l und 1 dm³ als gleich ansehen kann. Für Feststoffe wird die Dichte üblicherweise in g/cm³ bei 20 °C angegeben und für gasförmige Stoffe in g/l bei 0 °C und einem Luftdruck von 1.013,25 hPa = 101.325 Pa (Normalbedingungen).

Beispiel

Die Dichte von Kupfer bestimmt man experimentell wie folgt: Die Stoffprobe wiegt z.B. 35 g. Nun füllt man ein Reagenzglas teilweise mit Wasser; nehmen wir beispielsweise 16 ml. Jetzt lässt man den Stoff eintauchen und liest den Füllstand 17,7 ml des Wasserspiegels ab. Die Differenz der beiden Füllmengen beträgt 1,7 ml. Also kann für die Dichte von Kupfer die Näherung :

\rho \approx \approx 20,6 \;\mathrm/\mathrm^3

ermittelt werden.

Eigenschaften

Die Dichte von Flüssigkeiten hängt deutlich von der Temperatur ab, bei Gasen zusätzlich vom Druck. Ein Beispiel hierfür ist die Temperaturabhängigkeit der Luftdichte im unteren Abschnitt. Die Dichte von hygroskopischen Stoffen wie zum Beispiel Holz ist zudem von der Luftfeuchte (Wirkung auf Holzfeuchte) abhängig. Um deren Messergebnisse vergleichen zu können, bezieht man sich auf ein sogenanntes Normalklima. Körper in einer Flüssigkeit, die eine geringere Dichte als diese haben, steigen entsprechend dem archimedischen Prinzip nach oben (Auftrieb), bis sie irgendwann einen Gleichgewichtszustand erreichen (schwimmen). Körper mit größerer Dichte sinken entsprechend nach unten bzw. haben einen höheren Tiefgang als Körper mit geringeren Dichten. Insbesondere kann daher das weniger dichte Eis auf dem Wasser schwimmen und verdrängt dabei genau das Volumen an Wasser, das die gleiche Masse wie das Eis hat. In Gasen gilt entsprechendes. Ein mit Helium gefülltes Luftschiff schwebt in der Luft, da das Helium bei gleichem Druck und gleicher Temperatur eine geringere Dichte als Luft hat. Die dichteste auf der Erde natürlich vorkommende Substanz ist Iridium mit etwa 22.650 kg/m³. Neutronensterne dagegen können eine Dichte von etwa 10¹⁴ kg/m³ haben.

Tabellenwerte

Tabellenwerte zur Dichte verschiedene Stoffe sind in folgenden Artikeln zu finden:
- Liste der Dichte fester Stoffe
- Liste der Dichte von Flüssigkeiten
- Liste der Dichte gasförmiger Stoffe

Temperaturabhängigkeit der Luftdichte

Die Wirkung der Temperatur auf die Luftdichte, die Schallgeschwindigkeit und die Schallkennimpedanz ist in folgender Tabelle dargestellt. Der Luftdruck hat auf die Schallgeschwindigkeit keinen Einfluss, auch wenn diese Fehlangabe in vielen Büchern zu finden ist. Größen:
-

\vartheta

(theta) = Temperatur in °C
- ρ (rho) = Luftdichte oder Dichte der Luft in kg/m³
- c = Schallgeschwindigkeit in m/s
- Z = Schallkennimpedanz in N·s/m³

Messmethoden

Von einem Körper mit exakt bekannter Geometrie kann die Dichte mittels Masse und berechnetem Volumen bestimmt werden. Nach dem Prinzip von Archimedes erfährt ein Körper in der Umgebung einer Flüssigkeit genau so viel Auftriebskraft, wie die von seinem Volumen verdrängte Flüssigkeit an Gewichtskraft ausüben würde. Alle direkten Dichtemessverfahren beruhen noch heute auf diesem Prinzip und können auch auf die Dichtebestimmung von Gasen übertragen werden. Bei bekannter Dichte der Flüssigkeit, lässt sich auch das Volumen des eingetauchten Festkörpers bestimmen und schließlich auch dessen Dichte bestimmen. Beispiel für die Bestimmung der Dichte eines Festkörpers: Das Gewicht des Festkörpers wird an Luft gemessen. Eigentlich müsste man die Messung im Vakuum durchführen, da der Festkörper auch in Luft einen gewissen Auftrieb erfährt. Man erhält

m_

. Anschließend wird der Festkörper in Wasser eingetaucht und gewogen. Er scheint leichter zu sein als an der Luft. Man erhält

m_

. Nach dem Prinzip von Archimedes ist die Masse des verdrängten Wassers

m_ = m_ - m_

. Das Volumen des verdrängten Wassers

V_

ist gleich dem Volumen des Festkörpers

V_

. Es ist bekannt, dass

\rho_

für die Dichte des Wassers gilt. Durch Einsetzen und Umformen erhält man folglich:

\frac= V_

. Im letzten Schritt erhält man somit für die Dichte des Festkörpers:

\rho_=\frac

Dichten von Flüssigkeiten werden mit einem Aräometer gemessen. Dichten von Festkörpern werden z. B. mit einem Pyknometer gemessen oder über indirekte Bestimmungsverfahren, wie der Isotopenmethode ermittelt. Der Biegeschwinger ermöglicht es mit Hilfe eines mit Messflüssigkeit gefüllten U-Rohres, die Dichte von flüssigen Reinstoffen und binären Mischungen exakt zu ermitteln. Die Dichte von Holz kann man mit einem Resistographen bestimmen.

Beispiele

Wasser Wasser hat eine sehr seltene Eigenschaft, indem es bei 3,98 °C die größte Dichte besitzt (Anomalie des Wassers). Es dehnt sich beim weiteren Abkühlen aus, die abnehmende Dichte bewirkt eine Volumenausdehnung. Hierdurch treten Frostschäden beispielsweise bedingt durch die Frostverwitterung auf. Bei zugefrorenen Seen befindet sich so auch das 3,98 °C warme Wasser am Seeboden, während kälteres Wasser mit geringerer Dichte nach oben steigt. Dies verhindert das Zufrieren von Gewässern bis auf den Grund und ermöglicht es erst den Lebewesen in Seen und Meeren zu überleben. Atmosphäre In der Atmosphäre steigen erwärmte und damit weniger dichte Luftschichten vom Boden auf (Konvektion). Sie kühlen dabei jedoch ab, wobei Wasserdampf kondensieren kann und sich daraufhin Wolken ausbilden. Entsprechend sinken kühlere Luftschichten wieder ab.

Abgeleitete Bezeichnungen

In Analogie werden auch andere Größen pro Raumeinheit als Dichten bezeichnet, zum Beispiel die Teilchendichte, die Ladungsdichte oder die Wahrscheinlichkeitsdichte. Teilweise wird der Begriff Dichte auch für Größen pro Flächeneinheit verwendet (Stromdichte, Strahlungsstromdichte, elektrische und magnetische Flussdichte). Eine spezifische Dichte ist API-Grade für Rohöl. Weitere Analogien (neben den schon genannten):
- Darrdichte
- Fülldichte
- Klopfdichte
- Längendichte
- Pressdichte
- Relative Dichte
- Schüttdichte
- Sinterdichte
- Stopfdichte

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-dichteeinheiten.htm Umrechnung von allen Dichte-Einheiten]
- [http://www.engnetglobal.com/tips/convert.asp?catid=9 Umrechnung von Dichte-Einheiten - auch amerikanische und englische Größen]
- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Dichte Mineralienatlas - Dichte]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m11_dichte.htm Versuche und Aufgaben zur Dichte] Kategorie:Werkstoffeigenschaft Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mineralogie ms:Ketumpatan ja:密度

Pendel

Ein Pendel (v. lat.: pendere = hängen) besteht aus einem Gewicht am Ende einer flexiblen oder starren Aufhängung (zum Beispiel Seil oder Stab). Lenkt man ein Pendel aus seiner vertikalen Ruhelage aus, schwingt es unter dem Einfluss der Schwerkraft zurück und wird ohne den Einfluss von Dämpfung symmetrisch um den zentralen, tiefsten Punkt (seiner Ruheposition) schwingen. Die regelmäßige Schwingungsperiode eines Pendels wurde bei der Konstruktion der ersten mechanischen Uhren genutzt.

wichtige Pendelarten

Der mathematischen Beschreibung nach unterscheidet man die beiden folgenden Pendelarten:
- Ein mathematisches Pendel ist ein Modell zur Beschreibung von Pendelschwingungen.
- physikalische Pendel berücksichtigen Reibung und Ausdehnung des Pendelkörpers. Sie sind komplizierter zu beschreiben, ihr Verhalten entspricht dafür eher den realen Pendeln. Physikalische Pendel gibt es in verschiedenen Ausführungen :
- Torsionspendel schwingen waagrecht an einem verdrillten Draht. Die rückstellende Kraft ist dabei über größere Winkelbereiche proportional zur Auslenkung, was präzisere Messungen möglich macht.
- Doppelpendel sind zwei aneinander befestigte (physikalische) Pendel, deren Bewegungsabläufe in der Regel chaotisch sind. Linear gekoppelte Pendel (zum Beispiel über Federn) erzeugen komplexere Schwingungsmuster aus Überlagerungen von sogenannten Eigenschwingungen oder Moden mit zugehörigen Eigenfrequenzen.
- Mit dem Foucaultschen Pendel konnte die Erdrotation nachgewiesen werden. Die Corioliskraft wirkt von außen auf das Pendel und verändert die Schwingungsebene.

Siehe auch

- weitere Pendel: Fadenpendel, Federpendel, Magnetisches Pendel, Reversionspendel
- Schwingungen: Federschwingung, Wasserschwingung, Oszillator
- sonstiges: Pendeluhr, Sekundenpendel, Eigenwert, Isochronismus Kategorie:Mechanik ms:Bandul

Gravimeter

Mit Gravimetern wird die Schwerebeschleunigung an einem Punkt bestimmt. Sie setzt sich aus der Gravitationsbeschleunigung, der Zentrifugalbeschleunigung, dem Erdabstand und der Gezeitenwirkung zusammen.

Absolutgravimeter

Absolutgravimeter messen den absoluten Wert der Schwere. Sie sind daher an jedem Ort, auch außerhalb der Erde ohne weitere Kalibrierung einzusetzen. Bei Absolutgravimetern gibt es zwei Arten. Bei der ersten Art wird die Fallgeschwindigkeit von einem Objekt (meist ein Reflektor) gemessen. Bei der zweiten Art wird ein Objekt (Reflektor) in die Höhe geschossen und an zwei Punkten die Durchgangszeiten gemessen (= vier Zeitpunkte). Absolutgravimeter sind meist groß und unhandlich. Sie werden oft nur auf festem Untergrund eingesetzt. Es gibt aber auch Absolutgravimeter für den Einsatz in Flugzeugen ([http://www.geodaesie-geodynamik.ethz.ch/research/wg52/ Absolute Airbone Gravimetry]).

Relativgravimeter

Relativgravimeter messen die Veränderung der Gravitation gegenüber einem Nullpunkt. Relativgravimeter beruhen auf dem Prinzip der Newtonschen Federwaage. Dabei wird aber nicht die Änderung der Federlänge gemessen, sondern die Änderung kompensiert und gemessen, wie stark man kompensieren muss. Die einfache Form einer vertikal aufgehängten Feder ist zu ungenau, um zufriedenstellende Messgenauigkeiten zu erzielen. Um beispielsweise Schwerevariationen im mGal-Bereich auflösen zu können, müßte man Veränderungen der Auslenkung im

\mu

m-Bereich messen. Ein Ausweg ist die Astasierung von Gravimetern. Die Feder wird so angebracht, dass eine geringe Änderung der Schwere eine große Auslenkung der Feder zur Folge hat. Im LaCoste-Romberg-Gravimeter wird dies durch die schräge Aufhängung der Feder erreicht. Mit Hilfe der Stellschraube wird das Gravimeter zum Ablesen des Schwerewertes in die Nullposition gebracht. Mit Hilfe eines reflektierten Lichtstrahles kann die Nullposition sehr genau bestimmt werden. Kalibrierung Kategorie:Geodäsie

Erdkruste

Die Erdkruste ist die äußerste Schicht der Erde, vergleichbar der Haut eines Apfels. Unter ihr liegen der feste bzw. zäh-plastische Erdmantel und darunter auf halbem Weg zum Mittelpunkt der Erdkern. Letzterer ist in einen flüssigen und einen inneren, festen Bereich unterteilt. Die Erdkruste setzt sich aus einem Mosaik vieler Erdplatten zusammen, deren Bewegung (einige Zentimeter pro Jahr) in der Theorie der Plattentektonik beschrieben wird. Erdbeben entstehen, wenn sich Spannungen in der Erdkruste ruckartig abbauen. Es werden zwei Typen von Erdkruste unterschieden: die kontinentale Erdkruste (Sial genannt, da sie, nebst Sauerstoff, hauptsächlich aus Silizium und Aluminium besteht) und die ozeanische Erdkruste (Sima genannt, da sie, nebst Sauerstoff, hauptsächlich aus Silizium und Magnesium besteht). Sie unterscheiden sich in ihrer Entstehung, in ihrer Zusammensetzung und in ihrer Dicke. Ozeanische Erdkruste entsteht an auseinander driftenden Plattengrenzen am Meeresgrund (Mittelozeanische Rücken MOR), wo Magma austritt und erstarrt. Das hier entstehende ozeanische Erdkrustengestein, hauptsächlich aus Basalt (basisch) bestehend, hat eine relativ hohe Dichte, was mit der geringen Dicke der ozeanischen Erdkruste von 5-7 km einhergeht. Kontinentales Erdkrustengestein, bestehend hauptsächlich aus Granit ("sauer", SiO₂ >66%), ist das Endprodukt eines Prozesses, der weniger dichte Mineralien im Laufe der Erdzeit zur Erdoberfläche transportiert hat. Vulkanismus hat dabei eine bedeutende Rolle gespielt, aber auch Metamorphose und chemische Umwandlungen bei Verwitterungsprozessen, die zur Ablagerung von Sedimenten führen. Die kontinentale Erdkruste hat eine Dicke von 30 - 60 km; wegen ihrer geringen Gesteinsdichte (Mittel 2,7 g/cm³) „schwimmt“ sie höher im Erdmantel als die dichtere ozeanische Kruste. Da sich Gesteine bei geologisch langsamen Bewegungen plastisch verhalten, hat sich im Laufe der Jahrmillionen fast ein Gleichgewicht eingestellt. Diese Isostasie und seismische Methoden zeigen, dass die Erdkruste unter Gebirgen 2x dicker ist als unter Ebenen. 93 der chemischen Elemente findet man in der Erdkruste mitsamt Ozeanen und Atmosphäre. Sauerstoff macht dabei mit 49,5 % (Gewicht) den größten Teil aus, gefolgt von Silicium mit 25,8 % und Aluminium mit 7,6%. Weitere wichtige Bestandteile: Eisen (4,7 %), Calcium (3,4 %), Natrium (2,6 %), Kalium (2,4 %), Magnesium (1,95 %). Alle anderen machen jeweils unter einem Prozent aus. Ozeanisches Erdkrustengestein besteht hauptsächlich aus Basalt und Gabbro. Ozeanische Kruste entsteht laufend an den mittelozeanischen Rücken durch die Ozeanbodenspreizung. Dieser Prozess wird nach unserem heutigen Wissen durch Konvektionsströme im Erdmantel vorangetrieben. Zwei ozeanische Lithosphärenplatten weichen dabei typischerweise mit Geschwindigkeiten von einigen Millimetern bis Zentimetern im Jahr auseinander (Spreizungsrate). Siehe auch: Geologie, Geophysik, Erdschwerefeld, Lithosphäre Lithosphäre Kategorie:Geologie Kategorie:Erde ja:地殻 ms:Kerak bumi simple:Crust th:เปลือกโลก

Gelände

Unter Gelände versteht man:
- in der Kartografie die Erdoberfläche (siehe Gelände (Kartografie)).
- in den Geowissenschaften die Topografie (die in der Nähe des Betrachters liegende natürliche Landschaft)
- ein Grundstück, oder das einem Bauwerk zugeordnete Baugrundstück
- technisch bearbeitete Landschaftsteile im Sinn von Übungsgelände. Siehe auch: Digitales Geländemodell, Kulturlandschaft, Naturlandschaft

Raster

Als Raster bezeíchnet man die gleichmäßige bzw. gezielte, an Bedingungen geknüpfte, Unterteilung einer Fläche, eines Volumens oder einer Menge. Weiterhin kann eine Vorrichtung zur Aufnahme bzw. zum Durchlass von Gegenständen, Medien oder Licht ein Raster sein bzw. haben. Ein Raster kann zur Auswahl, Orientierung, Sortierung oder Verteilung dienen oder einfach bei der möglichst optimalen Ausnutzung von Räumen behilflich sein. Beispiele sind
- Raster zur zufälligen oder gezielten Personenauswahl (Rasterfahndung)
- Milimeterpapier, Kariertes Papier zum Zeichnen bzw. Schreiben und Rechnen
- Eierkartons zur Lagerung und zum Transport
- Lichtraster, um einen Teil von Blendungen zu vermeiden
- jede Art von definierter Unterteilung / Gliederung / Gruppierung z. B. Konfektionsgrößen

Raster in der Druckindustrie

Konfektionsgröße Bei der Reproduktion von Bildern verwendet man Raster, wenn die Erzeugung von echten Halbtönen nicht möglich ist (z. B. im Offsetdruck). Die Simulation von verschiedenen Helligkeits- und Farbeindrücken einer Fläche kann über zwei Verfahren erfolgen:
- Amplitudenmodulierte Raster: Die Fläche wird in eine feste Zahl von Rasterpunkten aufgeteilt (z. B. 60-er-Raster: 60×60 Punkte pro cm²). Die Variation von Helligkeit und Farbeindruck erfolgt über die Größe der Punkte (die Amplitude).
Die Abbildung rechts zeigt zwei Beispiele. Das Halbtonbild oben wird in Quadrate zerlegt, deren Größe sich am Grauwert orientiert. Der Rasterwinkel, das ist die Richtung der kleinsten Abstände der Quadrate relativ zur Leserichtung, beträgt im oberen Teilbild 0°. Ein Rasterwinkel von 45° liefert im Allgemeinen ansprechendere Ergebnisse, siehe Teilbild darunter.
- Frequenzmodulierte Raster: Die Fläche wird in Punkte gleicher Größe aufgeteilt. Die Variation von Helligkeit und Farbeindruck erfolgt über die Anzahl der Punkte in der Fläche (die Frequenz). Um Musterbildung zu vermeiden, werden die Punkte statistisch angeordnet, siehe Teilbild unten rechts. Frequenz Moderne Rasterverfahren können AM- und FM-Raster kombinieren. Diese Raster bezeichnet man als "Hybrid-Raster". Siehe auch: Druckraster, Rasterdaten, Moiré-Effekt Kategorie:Drucktechnik

Schwereanomalie

Eine Schwereanomalie ist die lokale Abweichung der Schwerkraft vom theoretischen Vergleichswert auf einer Referenzfläche. Letztere ist meist das mittlere Erdellipsoid. Schwereanomalien können bis zu +/- 200 Milligal oder 0.2 Gal erreichen, was 0.02 Prozent der Schwerkraft bedeutet. Sie geben Aufschluss über Unregelmäßigkeiten im Untergrund, welche durch abweichende Dichte von Gesteinen, durch Rohstoffe oder unterschiedlich tiefen Erdmantel verursacht werden. Sie werden häufig zur Ortung von Lagerstätten genutzt. Eine andere Anwendung ist die Ermittlung von Niveauflächen des Erdschwerefeldes für die Geoidbestimmung. Das Geoid weicht global um ± 50 Meter (maximal 110 m) vom Erdellipsoid ab und kann durch gut verteilte Schweremessungen mit cm- bis dm-Genauigkeit bestimmt werden. In flachen Ländern ist diese Methoden besonders wirtschaftlich. Im Gebirge jedoch sind die Einflüsse des Geländes auf die Schwerkraft nur schwierig zu erfassen. Daher sind dort astrogeodätische oder seismische Verfahren meist günstiger.

Weblinks

- [http://www.parautochthon.com/100584/142507.html Bouguer Schwereanomalie]

Literatur

- Christoph Reigber, Peter Schwintzer: Das Schwerefeld der Erde. Physik in unserer Zeit 34(5), S. 206 - 212 (2003), ISSN 0031-9252

Siehe auch:

Geophysik, Geodäsie, Geologie; Erdöl, Erzlager, Exploration, Geoid, Gesteinsdichte, Gravimetrie, Isostasie, Kontinente, Schwerebeschleunigung Kategorie:Geodäsie

Gal

Das Gal (genannt nach Galileo Galilei) ist die Einheit, in der meistens die Schwerebeschleunigung auf der Erde angegeben wird: ;1 Gal := 1000 mGal = 1 cm/s² Es ist demnach keine SI-Einheit und darf seit 1. Januar 1978 nicht mehr für die Angabe der Beschleunigung verwendet werden. Zulässig in Deutschland und Österreich ist nur mehr die Angabe in der SI-Einheit m/s². Im Erdschwerefeld variiert die „Schwerkraft“ wegen der Abplattung unseres Planeten um bis zu 0,5 Prozent und beträgt
- am Äquator im Mittel 978,03 Gal
- am Nordpol 983,22 Gal
- am Südpol etwa 982,5 Gal (wegen 3 km Höhe)
- in 45° geografische Breite etwa 980,6 Gal ¹) wozu jeweils noch der Vertikalgradient von etwa -0,305 Gal pro km kommt. In der Geophysik und Geodäsie misst man die Schwerebeschleunigung, um die Struktur der Erdkruste, ihre Lagerstätten und das Geoid zu bestimmen. Dabei berechnet man die Abweichungen des wahren vom „theoretischen“ Schwerefeld des mittleren Erdellipsoides. Diese Schwereanomalien erreichen etwa ± 0,3 Gal, werden aber in Milligal angegeben. Sie lassen sich mit modernen Gravimetern auf ±0,001 mGal = 0,01 µm/s² genau messen, also auf 1 : 1 Milliarde. Zum Beispiel ist die größte Schwereanomalie in den Ostalpen Δg = -200 mGal, weil die Erdkruste unter großen Gebirgen weiter in den Erdmantel hinunterreicht als anderswo. Doch bewirken schon die lockeren Sedimente eines breiten Alpentales bzw. des Wiener Beckens oder des Rheingrabens Änderungen bis 20 mGal bzw. fast 100 mGal. ¹) Dieser Wert unter 45° wurde für die Definition des „Kilopond“, der früheren Krafteinheit, verwendet (1 kp = 9,80665 Newton). Siehe auch: Galileo, Gesteinsdichte, Gravimetrie, Schwerkraft, SI, Waagen Kategorie:CGS-Einheit Kategorie:Maßeinheit ja:ガル

Geologie

Die Geologie (von griechisch γη, ge „Erde“ und λογος, logos „Wort“) ist die Wissenschaft vom Aufbau, von der Zusammensetzung und Struktur der Erde, ihren physikalischen Eigenschaften und ihrer Entwicklungsgeschichte, sowie der Prozesse, die sie formten und auch heute noch formen. Die Bezeichnung Geologie im heutigen Sinn findet man zuerst 1778 bei Jean-André de Luc (1727–1817). Horace-Bénédict de Saussure (1740–1799) führte Geologie im Jahr 1779 als feststehenden Begriff ein. Davor war der Begriff Geognosie gebräuchlich. Geognosie Das Material, mit dem sich Geologen hauptsächlich beschäftigen, sind Gesteine. Im Gelände, oder unter Tage, gliedert der Geologe die aufgeschlossenen (offen zugänglichen) Gesteine, an Hand von äußeren Merkmalen, in definierte Einheiten. Diese Kartiereinheiten müssen sich bei dem gewählten Maßstab auf einer geologischen Karte, oder in einem geologischen Profil, darstellen lassen. Durch Extrapolation kann er so vorhersagen, wie die Gesteine im Untergrund gelagert sind. Die genauere Untersuchung der Gesteine (Petrografie, Petrologie) findet aber meist im Labor statt. Mit den einzelnen, z.T. mikroskopisch kleinen, Bestandteilen der Gesteine, den Mineralen, befasst sich die Mineralogie. Mit dem Fossilinhalt, die Paläontologie. Die Geologie hat vielfältige Berührungspunkte mit anderen Naturwissenschaften, die als Geowissenschaften zusammen gefasst werden. Selbst die Mathematik hat einen speziellen Zweig, die Geostatistik, hervorgebracht, der besonders im Bergbau Verwendung findet. Aber auch in anderen Feldern der Geowissenschaften werden oft statistische Methoden angewandt. Im Grenzgebiet zur Astronomie bewegt sich die Planetengeologie, die sich seit Beginn der Erforschung unseres Sonnensystems mit Sonden und Satelliten, mit fremden Himmelskörpern zu beschäftigen beginnt.

Geschichte der Geologie

Siehe Geschichte der Geologie.

Allgemeine Geologie

Die allgemeine Geologie befasst sich mit den Kräften, die auf den Erdkörper einwirken und zur Gesteinsbildung beitragen. Jedes Gestein kann an Hand seiner spezifischen Ausbildung (Gefüge, Struktur) einer der drei großen Gesteinsfamilien zugeordnet werden: Sedimentite, Magmatite und Metamorphite. Jedes Gestein kann durch geologische Vorgänge in ein Gestein der jeweils anderen beiden Familien umgewandelt werden, (siehe dazu: Kreislauf der Gesteine). Die Prozesse, die an der Erdoberfläche wirken, werden als exogen, die im Erdinneren als endogen bezeichnet. Die exogene Dynamik führt zur Bildung von Sedimentgesteinen. Dies geschieht durch
- physikalische Erosion anderer Gesteine durch Wind, Wasser oder Eis, und Massenbewegungen großer Gesteinsmengen unter dem Einfluss der Schwerkraft,
- chemische Verwitterung,
- physikalische Ablagerung des zerkleinerten Materials (Detritus), z.B. als Sand,
- chemische Ausfällung von Evaporiten (wie z.B. anorganische Kalke, Gips, Salz) und
- biogene Bildung von Sedimenten (wie die meisten Kalksteine oder Diatomit).
- Ein eigenes, komplexes Gebiet exogener Prozesse behandelt die Bodenkunde. Die endogene Dynamik führt zur Bildung von Metamorphiten und Magmatiten. Sie beginnt mit der
- Erhöhung des Drucks, unter der andauernden Ablagerung von weiteren Sedimenten auf die unterlagernden Schichten. Durch Entwässerung, Kompaktion und Verfestigung (Diagenese) wird aus den Lockersedimenten festes Gestein, wie z.B. Sandstein.
- Die Verformung von Gesteinen und die Rekristallisierung von Mineralen unter zunehmend höheren Temperaturen und Drücken wird als Metamorphose bezeichnet. Dabei bleibt das Gestein aber zunächst noch in festem Zustand. Aus magmatischen Gesteinen und grobkörnigen Sedimenten entstehen dabei oft Gneise, aus feinen Sedimenten Schiefer.
- Schließlich kann es aber doch zur Aufschmelzung der Gesteine kommen (Anatexis). Glutflüssige Magmen steigen dann wieder aus dem Erdmantel auf.
- Wenn die Magmen in der Erdkruste stecken bleiben und erkalten, bilden sich Plutonite, z.B. aus Granit, wenn sie die Erdoberfläche erreichen, kommt es zur Bildung von Vulkaniten wie Lava oder vulkanische Asche. Die Bewegungen, die die Oberflächengesteine in die Tiefe verfrachten, verformen und falten, aber gleichzeitig die Tiefengesteine wieder an die Oberfläche bringen, sowie die Spuren, die diese Kräfte in den Gesteinen hinterlassen, wie Faltung, Scherung und Schieferung, werden von der Tektonik und der Strukturgeologie untersucht.

Historische Geologie

Die historische Geologie erforscht die Geschichte der Erde im Allgemeinen und die Entwicklungsgeschichte (Evolution) der Lebewesen im Besonderen. Um aus der heutigen Situation Rückschlüsse auf die Vergangenheit ziehen zu können, bedienen sich die Geologen des Prinzips des Aktualismus. Dieses lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Der Schlüssel zur Vergangenheit ist die Gegenwart. Auf die geologische Wirklichkeit angewandt: Findet ein Geologe alte Gesteine, die z.B. fast identisch mit ausgeflossenen Laven eines heute aktiven Vulkans sind, dann geht er davon aus, dass es sich bei dem gefundenen Gestein ebenfalls um vulkanisches Material handelt. Allerdings lässt sich der Aktualismus nicht auf alle Gesteine anwenden. Z.B lässt sich die Bildung von Eisenerzlagerstätten (BIF—„Banded Iron Formations“) heute nicht mehr beobachten, da sich die chemischen Bedingungen auf der Erde derart geändert haben, dass die Entstehung solcher Gesteine nicht mehr stattfindet. Andere Gesteine bilden sich eventuell in solchen Tiefen, dass ihre Bildung außerhalb des Zugriffs des Menschen liegt. Um die Entstehung solcher Gesteine zu verstehen, greifen die Geowissenschaftler auf Laborexperimente zurück. Geologen unterscheiden sich von anderen Naturwissenschaftlern in ihrer Haltung gegenüber der Zeit. Physiker und Chemiker beobachten Vorgänge, die oftmals nur Bruchteile von Sekunden andauern: eine rasch ablaufende chemische Reaktion wie eine Explosion oder radioaktiver Zerfall von Atomkernen. Die Bildung eines Gebirges, oder die Ablagerung mächtiger Sedimentschichten, kann aber mehrere Dutzend Millionen Jahre dauern. Um sich in diesen riesigen Zeiträumen zurechtzufinden, wurde die geologische Zeitskala entwickelt. (siehe auch geologische Zeitskala (Tabelle)) Als Instrument zur Entwicklung einer geologischen Zeittafel oder -skala benutzen Geologen die Stratigraphie. Die Grundlage der Stratigraphie bildet ein einfaches Prinzip: die Lagerungsregel. Eine Schicht im Hangenden ('oben') wurde später abgelagert, als die Schicht im Liegenden ('unten'). Allerdings sollte beachtet werden, dass ursprünglich horizontal abgelagerte Schichten durch spätere tektonische Bewegungen verstellt oder sogar überkippt sein können. In diesem Fall ist man auf die Existenz von eindeutigen Oben-Unten-Kriterien angewiesen, um die ursprüngliche Lagerung zu bestimmen. Weiterhin gilt, dass Schichten, die solche verstellten Gesteine mit einer Diskordanz, dh. schiefwinklig zur Schichtung, überlagern, ebenfalls jünger sind als letztere. Dasselbe gilt aber auch für magmatische Gänge und Intrusionen aus der Tiefe, die die Schichten von unten durchschlagen. Bei der Erstellung eines stratigraphischen Profils werden besonders Erkenntnisse der Paläontologie angewandt. Wenn die Reste eines bestimmten Lebewesens (Fossil) nur in ganz bestimmten Schichten auftreten, gleichzeitig aber eine weite, überregionale Verbreitung haben, und möglichst unabhängig von örtlichen Variationen der Ablagerungsbedingungen (Fazies) sind, dann spricht man von einem Leitfossil. Alle Schichten, in denen sich diese Leitfossilien finden, haben somit das selbe Alter. Nur wenn keine Fossilien vorhanden sind muss man Zuflucht zur Lithostratigraphie nehmen. Dann kann die Zeitgleichheit bestimmter Schichten nur bei seitlicher Verzahnung nachgewiesen werden. Um tektonische Abläufe zu rekonstruieren, untersucht der Geologe den Versatz und die Verformung der Gesteine durch Klüftung, Schieferung, Störung und Faltung. Auch hier sind diejenigen Strukturen die jüngsten, die die anderen durchschlagen, aber selbst nicht versetzt sind. Die Kunst ist hier Verwickeltes einfach, Ruhendes bewegt zu sehen. (Hans Cloos) Ein prinzipielles Problem ist die Tatsache, dass man mit obigen Methoden nur eine relative Zeitskala (Geochronologie), ein Vorher-Nachher der verschiedenen Gesteinsbildungen, aber keine absoluten Datierungen erhält. Zwar hatte man schon früh versucht die Sedimentationsraten bestimmter Gesteine zu schätzen, aber leider steckt die meiste Zeit ja nicht in den Schichten selbst, die sich in relativ kurzer Zeit gebildet haben können, sondern v.a. in den Lücken zwischen den Schichten und in den Diskordanzen zwischen verschiedenen Schichtpaketen. Deshalb reichte die absolute Zeitskala, die mit Hilfe von Jahresringen in Bäumen (Dendrochronologie, oder durch Auszählung der Warven-Schichtung in Ablagerungen der letzten Eiszeit gewonnen wurden, nur wenige tausend Jahre zurück. Erst mit der Entdeckung der natürlichen Radioaktivität fanden sich zuverlässige Methoden für die absolute Datierung, auch von ältesten Gesteinen. Siehe auch: Rubidium-Strontium-Methode, Kalium-Argon-Methode, Radiokarbon-Methode.

Angewandte Geologie

Die angewandte Geologie gliedert sich in eine Vielzahl unterschiedlichster Felder, die sich sowohl unter einander als auch mit anderen Wissenschaften verzahnen. Der Nutzen besteht nicht nur in der effizienten Ausbeutung der natürlichen Ressourcen der Erde, sondern auch in der Vermeidung von Umweltschäden und der Frühwarnung vor Naturkatastrophen, wie Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Tsunamis. Siehe: Geowissenschaften Einige wichtige Teilgebiete der angewandten Geologie sind beispielsweise:
- Hydrogeologie
- Ingenieurgeologie
- Lagerstättenkunde Es besteht eine enge Verzahnung angewandter geologischer Gebiete mit anderen Disziplinen, wie z.B. Bauingenieurwesen, Bergbau- und Hüttenwesen, Materialkunde oder Umweltschutz.

Liste bedeutender Geologen

- Georgius Agricola (1494 - 1555)
- Friedrich August von Alberti (1795 - 1878)
- Leopold von Buch (1774 - 1853)
- Johann Georg von Charpentier (1786 - 1855)
- Hans Cloos (1885 - 1951)
- Alcide Dessalines d'Orbigny (1802 - 1857)
- James Dwight Dana (1813 - 1895)
- Bartholomäus Eberl (1883-1960)
- Rudolf Falb (1838-1903)
- Karl von Fritsch (1838 - 1906)
- Gerard Freiherr von de Geer (1858 - 1943)
- James Hutton (1726 - 1797)
- Charles Lyell (1797 - 1875)
- Albrecht Penck (1858 - 1945)
- Karl von Raumer (1783 - 1865)
- William Smith (1769 - 1839)
- Hans Stille (1876 - 1951)
- Eduard Suess (1831 - 1914)
- Otto Martin Torell (1828 - 1900)
- Alfred Wegener (1880 - 1930)
- Abraham Gottlob Werner (1749 - 1817)

Siehe auch

- Geowissenschaften
- Geschichte der Geologie
- Liste geologischer Begriffe
- Wollaston-Medaille
- Geological Society of London

Literatur

- Frank Press und Raymond Siever (3. Aufl. 2003): Allgemeine Geologie, Spektrum Akademischer Verlag, ISBN 3-8274-0307-3 (Originalausgabe: Understanding Earth, W.H.Freeman & Co. New York)
- Heinrich Bahlburg, Christoph Breitkreuz: Grundlagen der Geologie., 2. Aufl. 2003. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-8274-1394-X
- Georg Agricola: Vom Berg- und Hüttenwesen, Dünndruckausgabe im dtv, ISBN 3-423-06086-7.
- Helmut Hölder (1989): Kurze Geschichte der Geologie und Paläontologie, Springer-Verlag, ISBN 3-540-50659-4
- Hans Murawski und Wilhelm Meyer (11. Aufl. 2004): Geologisches Wörterbuch, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-8274-1445-8
- Steven M. Stanley: Historische Geologie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 3-86025-009-4. (Originalausgabe: Earth and Life through Time, W. H. Freeman, New York)
- Alan Cutler: Die Muschel auf dem Berg, Knaus, ISBN 3813501884

Weblinks

- [http://www.chgeol.org CHGEOL - Schweizer Geologen Verband]
- [http://www.geoforum.ch GEOforumCH - Die Platform für Geowissenschaften der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz]
- [http://www.erlebnis-geologie.ch Erlebnis Geologie]
- [http://www.g-o.de g-o.de – Internetmagazin für Geo- und Naturwissenschaften]
- [http://www.geologieinfo.de/geolexikon/ Geo-Glossar - Wörterbuch für Begriffe aus der Geologie, Mineralogie, Paläontologie...]
- [http://www.vulkanweg.de/geo-lexikon_a.html Geo-Lexikon]
- [http://www.geosciences-forum.com/ Geosciences-Forum: Geologie]
- http://themenpark-umwelt.baden-wuerttemberg.de
- [http://www.geodienst.de/geschichte.htm Personen und Daten zur Geschichte der Geologie und Paläontologie]
- [http://www.eldey.de/Geologie/geologie.html Texte zur allgemeinen Geologie und regionalen Geologie Islands]
- [http://elm-asse-kultur.de/html/geologie.html Zur Geologie des norddeutschen Raums] Kategorie:Naturwissenschaft ! ja:地質学 ko:지질학 nb:Geologi th:ธรณีวิทยา

Erdöl

Erdöl ist ein in der Erdkruste eingelagertes, hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen bestehendes, dickflüssiges, lipophiles Stoffgemisch. Es besitzt eine dunkle bis schwarze Farbe und hat einen charakteristischen Geruch. Manche Erdölsorten fluoreszieren bei der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Es gibt verschiedene Theorien zur Entstehung des Erdöls.

Geschichte

Gefunden wurde Erdöl schon vor sehr langer Zeit aufgrund der Tatsache, dass Öl eine niedrigere Dichte als Salzwasser hat und deshalb in den Hohlräumen der Schieferton-, Sand- und Karbonatsedimente nach oben steigt und unter Umständen an der Erdoberfläche zutage tritt (in Deutschland zum Beispiel bei Hänigsen zwischen Hannover und Braunschweig). Wenn es an undurchlässigem Schieferton oder einer anderen dichten Gesteinsschicht nicht weiter aufsteigen kann und in nicht zu großer Tiefe stecken bleibt, ist es schon durch nicht sehr tiefe Bohrungen aufzufinden. Bis an die Erdoberfläche hervorquellendes Erdöl, welches durch die Aufnahme von Sauerstoff asphaltartige Stoffe bildete, wurde schon vor 6000 Jahren im vorderen Orient, vor allem in Mesopotamien, entdeckt. Die Menschen lernten die Eigenschaften dieses Naturprodukts zu nutzen: So erhielt man durch das Vermischen von Erdöl mit Sand, Schilf und anderen Materialien, ein Produkt zur Abdichtung von Schiffsplanken. Von den Babyloniern stammt das Wort "naptu" (von nabatu = leuchten) für Erdöl, welches in der Bezeichnung "Naphta" gegenwärtig noch Bestand hat. Dieser Ausdruck deutet darauf hin, dass schon früh das Erdöl zu Beleuchtungszwecken diente. Die Babylonier waren es auch, die wichtige Straßen und Zufahrten zu Kultstätten mit einer dünnen Asphaltschicht abdeckten. Die Verwendung von "Erdpech" war im babylonischen Reich so allgegenwärtig, dass Hammurabi dem Stoff einige Kapitel in seinem Gesetzeswerk 1875 v. Chr. einräumte - die nachweisbar erste staatliche Regulierung des Erdöls... Die für uns übliche Bezeichnung Petroleum ist römischen Ursprungs: "oelum petrae" was soviel bedeutet wie Stein- oder Felsöl. Dies geht auf Entdeckungen der Römer in Ägypten zurück, wo sie in einem Gebirgszug am Golf von Suez Erdöl aus dem Gebirge austreten sahen. Man vermutet, dass schon die römische Armee Öl als Schmiermittel für Achsen und Räder gebrauchte. Öl wurde lange Zeit auch für ein Heilmittel gehalten. Während der Ölboom-Jahre Nordamerikas in den 1860er Jahren gab es viele Quacksalber, welche das angebliche Wundermittel gegen allerlei Gebrechen verkauften. Es wurde früh schon als Kriegswaffe eingesetzt. Im antiken Griechenland wurden mit Erdöl recht modern anmutende Flammenwerfer gebaut, das sog. "griechische Feuer", eine fürchterliche Waffe besonders im Seekampf. Die eigentliche Ausbeutung des Rohöles begann aber erst im 19. Jahrhundert. Grund dafür war zunächst die Suche nach einem guten Lampenbrennstoff, denn Walöl war nur für die Reichen erschwinglich, Talgkerzen rochen unangenehm und Gasflammen gab es nur in wenigen, modernen Häusern. Verschiedene Wissenschaftler entwickelten daraufhin in der Mitte des 19. Jahrhunderts Verfahren zur kommerziellen Nutzung. Der kanadische Arzt und Geologe Abraham Gessner erwarb 1852 ein Patent auf die Herstellung eines relativ sauber brennenden, preisgünstigen Lampenbrennstoffes aus Rohöl: das Petroleum. 1855 schlug der amerikanische Chemiker Benjamin Silliman vor, Erdöl mit Hilfe von Schwefelsäure zu reinigen, um es als Brennstoff zu verwenden. Also begann man, größere Rohöllager zu suchen. Seit mehreren Jahren wusste man bereits, dass bei Bohrungen nach Wasser und Salz gelegentlich Erdöl in die Bohrlöcher einsickerte. Also hatte man die Idee, direkt nach Öl zu bohren. Die ersten Bohrungen wurden 1857 bis 1859 durchgeführt, vielleicht die weltweit erste bei Wietze in Niedersachsen, westlich Celle, abgeteuft. Weltberühmt wurde jedoch die Bohrung nach Öl, die Edwin L. Drake am 27. August 1859 am Oil Creek in Pennsylvania durchführte. Drake bohrte im Auftrag des amerikanischen Industriellen George H. Bissell und stieß in nur 21,2 Meter Tiefe auf die erste größere Ölquelle. Die erste Erdölförderung im Untertagebau fand 1854 in Bóbrka bei Krosno (Polen) statt. Nach der Einführung elektrischen Lichts war Erdöl zunächst nicht mehr attraktiv, doch die Erfindung des Automobils ließ nicht lange auf sich warten.

Entstehung

Der biogenetischen Theorie zur Erdölentstehung gemäß ist Erdöl aus Meeresorganismen (Plankton) entstanden, die starben, absanken und auf dem Meeresboden von Sedimenten bedeckt wurden. Durch Absinken der Sedimente wurden diese organischen Materialien hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen wandelten sie sich in so genannte Kerogene um, organische Stoffe, die vorwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Im Verlauf der weiteren Diagenese können die Kerogene bituminös werden. Sedimentgesteine, die Kerogene enthalten, werden als Erdölmuttergestein bezeichnet. Ein Beispiel für ein Erdölmuttergestein mit fein verteilten bituminösen Kerogenen ist Ölschiefer aus dem Lias epsilon (unterer Jura). Die fein verteilten Kerogene können unter bestimmten Bedingungen, vor allem bei hohen Temperaturen, wandern, da sie leichter als Wasser sind und durch dieses verdrängt werden. Beim Wandern ("Migration" des Erdöls) vereinigen sich die Kerogene zu kompakteren Massen, zu Erdöl. Die Migration verläuft im Großen und Ganzen aufwärts. Gerät das Erdöl unter undurchlässige Erdschichten, die seine weitere Wanderung nach oben und nach den Seiten verhindern (Erdölfallen), reichert es sich dort an und es entsteht so eine Erdöllagerstätte. Eine Erdöllagerstätte besteht also aus einem Speichergestein, dem in seinen Poren befindlichen Erdöl und mehr oder weniger Lagerstättenwasser, das sich - sofern vorhanden - ebenfalls in den Poren des Speichergesteins befindet. Das Lagerstättenwasser enthält oft gelöste Salze. Teilweise entstand unter ähnlichen Bedingungen Erdgas. Oberhalb von Erdöllagerstätten kann sich deshalb eine Kappe aus Erdgas befinden. Oberflächennahe, erdölhaltige sandige Sedimente werden als Erdölsande bezeichnet. Erdöl ist weltweit nicht gleich zusammengesetzt. So sind zum Beispiel in einigen Gebieten mehr Alkane, in anderen mehr Alkene enthalten, auch das Verhältnis von aliphatischen zu aromatischen Kohlenwasserstoffen ist verschieden. Einer abiogenetischen Theorie nach, die weitaus weniger Vertreter als die biogenetische Theorie hat (siehe insbesondere Thomas Gold), existieren im Inneren der Erde von ihrer Entstehung an große Mengen Kohlenstoffverbindungen, darunter auch viele Kohlenwasserstoffe. Diese Kohlenstoffverbindungen werden wegen ihrer geringen Dichte in Richtung Erdoberfläche aufgepresst.

Gewinnung

Befindet sich die Erdöllagerstätte nahe der Erdoberfläche, so kann das Öl im Tagebau gewonnen werden, Beispiel: Athabasca-Erdölsande, Alberta, Kanada. Zu Beginn der Erdölnutzung wurde es an einigen Orten auch im Tiefbau gewonnen, zum Beispiel bei Wietze, westlich Celle (Niedersachsen, Deutschland). Aus tieferen Lagerstätten wird Erdöl durch Sonden gefördert, die durch Bohrungen bis zur Lagerstätte eingebracht werden. Es existieren auch Bohrinseln die ein Fördern mitten im Meer ermöglichen. Wobei zum Teil die Bohrplattformen durch Förderplattformen ersetzt werden. Bohrinseln Zum Bohren werden Hohlbohrer verwendet, damit das Bohrklein aus dem Bohrloch zutage transportiert werden kann. Das Bohrwerkzeug besteht aus Stahlrohren, die zu einem immer längeren Rohrgestänge, dem Bohrstrang, aneinandergeschraubt werden können. Am unteren Ende befindet sich das eigentliche Bohrwerkzeug, der so genannte Bohrmeißel. Meistens besitzt der Bohrmeißel drei gegeneinander winklig angeordnete, gezähnte Kegelrollen (Bild 1), die zum Bohren in hartem Gestein mit Diamanten besetzt sein können, aber auch andere Formen werden verwendet. Bohrinseln Meistens wird der gesamte Bohrstrang und damit auch der Bohrmeißel von einer motorgetriebenen Vorrichtung übertage (Drehtisch) gedreht (Rotary-Verfahren). Der Bohrmeißel hat einen größeren Durchmesser als das Rohrgestänge, so dass um das Gestänge herum ein Hohlraum entsteht (so genannter Ringraum), der zur Verhinderung seines Zusammenbrechens mit einem Stahlrohr ausgekleidet wird („Casing“) (Bild 2). Bohrinseln Um das Bohrklein herauszufördern, wird eine Bohrflüssigkeit durch das Bohrrohr eingepresst, die an der Bohrkrone austritt und im Ringraum zusammen mit dem Bohrklein wieder nach oben gedrückt wird. Die Bohrflüssigkeit muss ein hohes spezifisches Gewicht und eine hohe Viskosität aufweisen, damit sie durch das hohle Bohrgestänge eingepresst und durch den Ringraum wieder ausgepresst werden kann und damit das Bohrklein dabei mitgerissen wird (Wasser, das unter anderem gelöste Polymere und suspendiertes Baryt-Mehl enthält). Manchmal wird die Bohrspülung auch benutzt, um damit einen Motor direkt über dem Bohrmeißel anzutreiben, so dass nur der Bohrmeißel, nicht aber der gesamte Bohrstrang gedreht wird. Damit die einzelnen Rohre des Bohrgestänges gehandhabt werden können, wird über dem Bohrloch ein Bohrturm errichtet (Bild 3), in dem sich auch die Vorrichtung zum Drehen des Bohrgestänges mittels Motor befindet. Wenn die Gegebenheiten es erfordern, kann auch in weiten Bögen gebohrt werden, so dass eine Lagerstätte auch von der Seite aus erschlossen werden kann (siehe: Richtbohren), zum Beispiel bei Lagerstätten unter besiedeltem, schwierigem, zu schützendem oder militärisch genutztem Gelände. Richtbohren In größerer Tiefe steht das Erdöl unter dem Druck der auflastenden Erdschichten und gegebenenfalls des assoziierten Erdgases und wird nach Anbohren aus dem Bohrloch gepresst, da es leichter als Wasser und das umgebende Gestein ist. Beim ersten Anbohren der Lagerstätte muss deshalb das Austreten des unter Druck stehenden Öls mit einer speziellen Vorrichtung („Preventer“) verhindert werden, die sich am oberen Ende des Bohrgestänges befindet. In der ersten Zeit kann das Öl meistens ohne weitere Maßnahmen durch den Eigendruck in der Lagerstätte gefördert werden (Primärförderung). Lässt der Lagerstättendruck nach, muss das Öl mit Tiefpumpen zutage gefördert werden, die von übertage über ein Bohrgestänge angetrieben werden (Pferdekopf-Antrieb, Bild 4). Richtbohren Der Lagerstättendruck kann durch Einpressen von Wasser oder Erdgas mittels durch Bohrungen eingerichteter Einpresssonden erhöht werden (Sekundärförderung). Die Durchlässigkeit des Speichergesteins kann durch Einpressen von Säuren erhöht werden, wodurch Komponenten des Speichergesteins, zum Beispiel Karbonate, gelöst werden. Im Lauf der Lagerstättenausbeutung steigt der Wasser-Anteil im Fördergut, später wird in der Regel mehr Wasser als Öl gefördert, zum Teil mehr als 90 % Wasser. Durch primäre und sekundäre Förderverfahren können je nach Lagerstättenverhältnissen etwa 20 bis 50 % des Erdöls, das sich in der Lagerstätte befindet („oil in place“) gewonnen werden. Der Rest wird durch die beschriebenen Förderverfahren nicht von den Feststoffen des Speichergesteins abgelöst. Weiteres Öl kann aber durch spezielle Verfahren gewonnen werden (Tertiärförderung). Dazu gehören:
- Wärmeverfahren: Einpressen von Heißwasser oder Heißdampf („Dampffluten“) oder Verbrennen eines Teils des Erdöls in der Lagerstätte;
- Einpressen von Stickstoff;
- Einpressen von CO₂, das den Lagerstättendruck erhöht und sich im Öl löst und dadurch dessen Viskosität vermindert („CO₂-Fluten“);
- Einpressen von Leichtbenzin oder Flüssiggas, die ebenfalls die Viskosität des Öls erniedrigen.
- Einpressen von wässrigen Lösungen Viskosität erhöhender Stoffe (organische Polymere), wodurch das Öl besser von den Feststoffen abgelöst wird („Polymerfluten“);
- Einpressen von wässrigen Lösungen grenzflächenaktiver Stoffe, die sich an den Grenzflächen Öl/Feststoff und Öl/Wasser anreichern und so das Öl vom Feststoff lösen und im Wasser fein zerteilen, emulgieren („Tensidfluten“). Die Tertiärverfahren werden teilweise auch kombiniert. Ein beträchtlicher Rest des Erdöls kann aber bisher mit keinem Verfahren aus der Lagerstätte gewonnen werden. Besondere Schwierigkeiten bereitet die Erdölförderung aus Lagerstätten, die sich unter Gewässern befinden („Off-shore-Gewinnung“). Hier müssen zur Erschließung der Lagerstätte auf dem Gewässergrund stehende oder darüber schwimmende Bohrplattformen (Bild 5) eingerichtet werden, von denen aus gebohrt und später gefördert werden kann. Hierbei ist das Richtbohren vorteilhaft, weil dadurch von einer Bohrplattform ein größeres Areal erschlossen werden kann.

Bedeutung

Karbonat Erdöl ist einer der wichtigsten Rohstoffe der modernen Industriegesellschaften. Es ist wichtig zur Erzeugung von Elektrizität und als Treibstoff fast aller Verkehrs- und Transportmittel. Daneben wird Erdöl in der chemischen Industrie zur Herstellung von Kunststoffen und anderer Chemieprodukte vielfach eingesetzt. Aus diesen Gründen wird es auch "Schwarzes Gold" genannt.

Chemische Produkte aus Erdöl

In der Erdölraffinerie wird das Erdöl in seine unterschiedlichen Bestandteile aufgespalten. Man unterscheidet Erdöl als Naturprodukt von Rohöl in der Industrie vor der Verarbeitung und von Mineralöl, wie Produkte nach der Verarbeitung (Benzin, Kerosin, Heizöl, Schmieröl) des Erdöls genannt werden. In der chemischen Industrie nimmt das Erdöl eine bedeutende Stellung ein. Die meisten chemischen Erzeugnisse lassen sich aus ca. 300 Grundchemikalien aufbauen. Diese Molekülverbindungen werden heute zu ca. 90% aus Erdöl und Erdgas gewonnen. Zu diesen gehören : Ethen, Propen, Butadien, Benzol, Toluol, o-Xylol, p-Xylol (diese stellen den größten Anteil dar). Aus der weltweiten Fördermenge des Erdöls werden ca. 6-7% für die chemischen Produktstammbäume verwendet, der weitaus größere Anteil wird einfach in Kraftwerken und Motoren verbrannt. Die Wichtigkeit dieser Erdölerzeugnisse liegt auf der Hand: Gibt es kein Erdöl mehr, müssen diese Grundchemikalien über komplizierte und kostenintensive Verfahren mit hohem Energieverbrach hergestellt werden. Der chemische Baukasten des Erdöls wird verwendet, um fast jedes chemische Erzeugnis zu produzieren. Dazu gehören Farben und Lacke, Arzneimittel, Wasch- und Reinigungsmittel, um nur einige zu nennen. Erdöl | (Erdölraffinerie) | +----------+--------+ --> steigender Siedepunkt --> -+-----------------+ | | | | | | Gase Benzin Kerosin Gasöl--+------Vakuumgasöl Rückstände \ / | | | | | | \ / Benzin Flugbenzin Diesel, | Schmieröle schweres Heizöl, Schweröl \ / leichtes | Tenside Bitumen \/ Heizöl | Koks, Ruß (Pyrolyse) | | | Olefine und Cracken Aromaten | | Benzin (Reaktionen) | Monomere | (Polymerisation) | Kunststoffe

Finanzwirtschaft

Als zentraler Rohstoff ist Erdöl auch Gegenstand der Spekulation. Öl wird selbst in Warentermingeschäften (Ölkontrakte) gehandelt; der Ölpreis beeinflusst auch die allgemeinen Börsenkurse, weil in vielen Branchen eine Abhängigkeit vom Ölpreis besteht oder gesehen wird. Zwei sehr wichtige Rohölsorten sind Brent und West Texas Intermediate.

Weltreserven und Bevorratung

West Texas Intermediate Für das Jahr 2004 wurden die bestätigten Weltreserven je nach Quelle auf 1260 Milliarden Barrel (171,7 Milliarden Tonnen nach Öldorado 2004 von ExxonMobil) bzw. auf 1148 Milliarden Barrel (156,6 Milliarden Tonnen nach BP Statistical Review 2004) berechnet. Die Reserven, die geortet sind und mit der heute zur Verfügung stehenden Technik wirtschaftlich gewonnen werden können, nahmen in den letzten Jahren trotz der jährlichen Fördermengen jeweils leicht zu und erreichten im Jahre 2004 den höchsten jemals berechneten Stand. Während die Reserven im Nahen Osten, Ostasien und Südamerika aufgrund der Erschöpfung von Lagerstätten und unzureichender Prospektionstätigkeit sanken, stiegen sie in Afrika und Europa leicht an. Es wird vorausgesagt, dass die Erdölreserven nur noch 50 Jahre den Weltverbrauch decken können. Die Tatsache, dass ähnliche, nicht eingetretene Vorhersagen bereits in der Vergangenheit getroffen wurden, hat den Begriff Erdölkonstante hervorgebracht. Im Jahre 2003 befanden sich die größten Erdölreserven in Saudi-Arabien (262,7 Milliarden Barrel), im Iran (130,7 Milliarden Barrel) und im Irak (115,0 Milliarden Barrel), darauf folgten die Vereinigten Arabischen Emirate, Kuwait und Venezuela (siehe 1 für eine genaue Tabelle). Kritiker dieser Angaben weisen allerdings darauf hin, dass die Zahlen häufig aus politischen Gründen verfälscht wurden. Zudem melden viele Länder jährlich dieselben Zahlen, obwohl sie gleichzeitig große Mengen Erdöl fördern; die Zahlen werden also oft nicht angepasst. Darüber hinaus wird nach Schätzungen unabhängiger Experten im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts die als Peak-Oil bekannte Spitze der Hubbert-Kurve erreicht werden. Das Erreichen dieser 'Ölspitze' ('peak') bedeutet, dass weltweit die Förderung bzw. Produktion von Erdöl nicht mehr erhöht werden kann. In der Folge von Peak-Oil wird der Ölpreis unwiderbringlich und in hohem Maße steigen, da bei stetig wachsendem Verbrauch das Angebot die Nachfrage nicht mehr bedienen kann. Die Länder der Europäischen Union sind verpflichtet, einen 90-Tage-Vorrat an Erdöl für Krisenzeiten zu unterhalten. Ein großer Teil der deutschen und ein kleinerer Teil der ausländischen Vorräte liegt in den unterirdischen Kavernenanlagen im Zechsteinsalz im Raum Wilhelmshaven, wohin auch das meiste Erdöl nach Deutschland eingeführt wird.

Weltförderung

Wilhelmshaven Bislang wurden in der Geschichte der Menschheit rund 900 Milliarden Barrel Erdöl gefördert. Die meisten Reserven wurden in den 1960er Jahren entdeckt. Ab Beginn der 1980er Jahre liegt die jährliche Förderung - diese liegt zurzeit bei 27 Milliarden Barrel - über der Kapazität der neu entdeckten Reserven, sodass seit dieser Zeit die vorhandenen Reserven abnehmen. Deshalb wird von den meisten Experten mit einem Fördermaximum (→ Peak-Oil) zwischen 2010 und 2020 gerechnet. Einige gehen sogar davon aus, dass das Maximum noch vor 2010 eintreffen wird (Colin J. Campbell, Jean Laherrere). Ab diesem Zeitpunkt wird Erdöl immer knapper und teurer werden, weil dann der Erdölbedarf größer sein wird als die Erdölfördermenge. Unter derzeitigen Voraussetzungen (das heißt bei gleichem Verbrauch, statische Reichweite) reichen die Erdöl-Reserven noch 43 Jahre. Es ist allerdings höchst wahrscheinlich, dass man in der Zukunft -([http://www.gegenstandpunkt.com/vlg/imp/i3_oel.htm auch dank höherer Erdölpreise]) - neue Reserven finden wird. Hauptförderer von Erdöl waren im Jahr 2003 Saudi-Arabien (496,800 Millionen Tonnen), Russland (420,000 Millionen Tonnen), USA (349,400 Millionen Tonnen), Mexiko (187,800 Millionen Tonnen) und Iran (181,700 Millionen Tonnen); die gesamte Weltförderung lag bei 3.608,600 Millionen Tonnen (siehe 1 für eine genaue Tabelle). Die Erdölförderung in Deutschland ist im internationalen Vergleich unbedeutend und findet fast ausschließlich in den Bundesländern Schleswig-Holstein und Niedersachsen statt.

Weltverbrauch

Erdölförderung in Deutschland Der tägliche Verbrauch weltweit liegt bei etwa 84 Millionen Barrel. USA (20,1 Millionen Barrel), Volksrepublik China (6 Millionen Barrel), Japan (5,5 Millionen Barrel) und Deutschland (2,7 Millionen Barrel) waren im Jahr 2003 Hauptverbraucher des Erdöls (siehe 1 für eine genaue Tabelle). Der Weltverbrauch steigt derzeit um 2% pro Jahr an. Der Pro-Kopf-Verbrauch liegt bei den Industriestaaten deutlich höher als bei Entwicklungsländern. So lag der Verbrauch in den USA 2003 bei 26,0 Barrel pro Einwohner, in Deutschland bei 11,7, während in China statistisch auf jeden Einwohner 1,7 Barrel kamen, in Indien 0,8 und in Bangladesch nur 0,2 Barrel pro Kopf verbraucht wurden. Deutschland importierte im Jahr 2004 110.140.000 Tonnen Rohöl. Haupteinfuhrstaaten sind Russland, Norwegen, Großbritannien und der OPEC-Staat Libyen.

Verschiedenes

Aufgrund seiner wirtschaftlichen Bedeutung ist Erdöl auch Gegenstand politischer Auseinandersetzung. Der Gewinn aus der Ölförderung besteht in der Differenz des Förderpreises von ca. 5$ pro Barrel zum Weltpreis von ca. 60$ - insgesamt ein jährlicher Reingewinn von über 1300 Milliarden $. In der Ölkrise versuchte die OPEC, Einfluss auf den Nahostkonflikt zu nehmen. Auch die gegenwärtigen Kriege und Krisen um den Irak sind nach Meinung vieler Kritiker Auseinandersetzungen um den Zugang zum Erdöl. Da die Erdölvorkommen der Welt endlich sind, werden Wege gesucht, regenerative Energie wie beispielsweise Sonnenenergie, Windenergie, Erdwärme, Biodiesel, Pflanzenöl zu nutzen. Deutschland ist im Bereich Erdöl stark importabhängig. Daher ist seit 1978 der Erdölbevorratungsverband mit der Schaffung einer Erdölnotreserve beauftragt. Die Produkte des Erdöls (Benzin und Heizöl) stellen gleichzeitig ein kompaktes Medium dar, um Energie zu speichern oder zu transportieren. Als Alternative wird über den Gebrauch von Wasserstoff als Energiespeicher nachgedacht. Dazu muss er aber erst einmal unter sehr hohem Energieaufwand mittels Elektrolyse oder anderer Verfahren aus Wasser hergestellt werden. Dann muss er für den Transport z.B. verflüssigt werden. Dazu wird nochmals viel Energie verbraucht. Wasserstoff könnte direkt verbrannt (thermische Nutzung) oder mittels Brennstoffzellen in elektrische Energie umgewandelt werden und Motoren (beispielsweise im Elektrofahrzeug) antreiben. Die Dichte von Erdöl (besonders Rohöl) wird in API-Grad gemessen. Das Raummaß von Erdöl wird in Barrel gemessen. Die Verarbeitungsketten in der Ölindustrie werden durch die Begriffe Downstream und Upstream charakterisiert. Im Handel und an den Börsen wird unterschieden zwischen "saurem" (sour) und "süßem" (sweet) Rohöl (crude oil), wobei dann noch einmal differenziert wird zwischen schwerem (heavy) oder leichtem (light). Die Klassifikationen dienen zur Einordnung der Verwend- bzw. Raffinierbarkeit. "Sauer" bedeutet, dass das Rohöl einen höheren Schwefelgehalt hat. Aus diesem Grund ist die Raffinierung aufwendiger.

Transport

Trotz der Tatsache, dass Erdöl die Grundlagen für die wichtigsten Treibstoffe ist, wird das Erdöl oft in unökonomischer Weise quer über die Ozeane und über Land transportiert. Dies geschieht über Wasser mit riesigen Öltankern, über Land mit Tanklastwagen und Pipelines.

Folgen

Das Erdöl hat im Laufe der Zeit zu der jetzigen Situation mancher Entwicklungsländer beigetragen. Pipelines werden angezapft und ganze Tanker beispielsweise in Nigeria von bewaffneten Gruppen entführt, um das gewonnene Gut (ca. 2,25 Mio. Barrel am Tag) gegen Waffen bei Hehlern zu verkaufen, da viele bewaffnete Gruppen des Nigerdelta sich von dem Staat oft verraten und vor allem von den größeren Mineralölkonzernen bestohlen und ausgebeutet fühlen. Dies führte unter anderem zur blinden Gewalt von Seiten des Staates, wobei eine ganze Kleinstadt dem Erdboden gleichgemacht wurde. Shell sprach von 1000 Gewaltopfern jährlich, amnesty international dagegen von rund 500 Opfern allein in einer Woche. Oft gelangt Öl in das Grundwasser o.a. Ebenso entstehen immense Schäden für das Ökosystem, wenn größere Mengen von Öl entzündet werden, da beispielsweise eine brennende Ölquelle oder evtl. sogar ein Ölfeld schwer zu löschen ist. Auch sogenannte Tankerunfälle können für die Umwelt sehr schädlich sein und ganze Sandstrände mit Teerklumpen verschmutzen oder mit einem schwarzen Ölteppich überziehen. Viele Tiere, vorrangig Vögel, denen das Öl das Gefieder verklebt und deren Nahrung verdirbt, verenden elendig. Es kommt auch vor, dass Öltanker auf dem Meer ihre Tanks mit Meerwasser ausspülen, einerseits zur Reinigung, andererseits, weil sie bestimmte Mengen an Wasser aus Stabilitätsgründen als Ballast geladen haben müssen. Siehe auch: Exxon Valdez

News

- Wikinews:Themenportal Ölpreis

Literatur

- Richard Heinberg: "The Party's Over. Das Ende der Ölvorräte und die Zukunft der industrialisierten Welt". Riemann Verlag, München 2004 ISBN 3-570-50059-4
- Rudolf Rechsteiner: Grün gewinnt, 2003, ISBN 3280050545, oder als PDF-Datei http://www.rechsteiner-basel.ch/download.cfm?ID=117 (vom Autor genehmigt und selbst ins Netz gestellt)
- Colin J. Campbell: Ölwechsel!, 2002, ISBN 342324321X
- F. William Engdahl: Mit der Ölwaffe zur Weltmacht, 2002, ISBN 3980737829
- Daniel Yergin: Der Preis. Die Jagd nach Öl, Geld und Macht, Frankfurt 1991, ISBN 3100958047
- Thomas Gold: Biosphäre der heißen Tiefe. Wiesbaden 2000, ISBN 3980737802
- Autorenkollektiv: Zur politischen Ökonomie des Erdöls - Ein strategisches Gut und sein Preis, in: GegenStandpunkt 1-01,
- Autorenkollektiv: Das Öl, in: Imperialismus 3, S. 169-194, München 1981, ISBN 392293501X

Siehe auch

- Erdöl/Tabellen und Grafiken
- Mineralölunternehmen
- Wintershall
- Ölressourcen
- Peak-Oil
- Eine interessante Alternative ist der Kraftstoff Pflanzenöl

Weblinks

- [http://www-x.nzz.ch/folio/archiv/2004/09/articles/interview.html Wann ist das Erdöl alle?, NZZ Folio]
- [http://www.oilcrisis.com/ The coming global oil crisis]
- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Erd%F6l Erdöl im Mineralienatlas WiKi]
- [http://www.chemie.uni-marburg.de/~butenuth/648/erdoel.html Protokoll: Erdöl und Erdölprodukte]
- [http://www.gasresources.net/DisposalBioClaims.htm Dismissal of the Claims of a Biological Connection for Natural Petroleum]
- [http://www.deutsches-erdoelmuseum.de Homepage des Deutschen Erdölmuseums in Wietze]
- [http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/daten/oel-gas.htm Erdöl/Erdgas: Daten,Statistiken, Infografiken] "Agenda 21 Treffpunkt" im Bildungsserver learn:line NRW
- [http://www.erdoel-erdgas-museum-twist.de/ Erdöl- und Erdgasmuseum in Twist]
- [http://www.peakofoil.de Peak of Oil Szenarien, Literatur, Links]
- [http://www.n-tv.de/572745.html?tpl=zwei&counter=1 n-tv: Immer neue Rekorde: Die Geschichte des Ölpreises]
- [http://www.gegenstandpunkt.com/vlg/imp/i3_oel.htm Das Öl - ein Geschäftsartikel erster Klasse] Kategorie:Bergbau ! ja:石油 ko:석유

Lagerstätte

Lagerstätte ist ein bergmännischer Begriff für bestimmte Bereiche der Erdkruste, in denen sich natürliche Konzentrationen von festen, flüssigen, oder gasförmigen Rohstoffen, deren Abbau sich wirtschaftlich lohnt (bauwürdige Lagerstätte), oder in der Zukunft lohnen könnte (nutzbare Lagerstätte). Im englischen Sprachraum ist der deutsche Begriff Lagerstätte als Fremdwort geläufig, jedoch bezeichnet er dort eine (besonders reichhaltige) Fossilfundstätte. Die korrekte englische Übersetzung für Lagerstätte lautet statt dessen: mineral deposit (wobei dieser Begriff zuweilen aber nur auf Erzlagerstätten begrenzt ist). Der wirtschaftlich interessante Teil einer Lagerstätte wird als resource (Vorrat) bezeichnet. Genauer wäre jedoch: non renewable resource (nicht erneuerbare Vorräte).

Allgemeine Bewertungsfaktoren

So lange die vorhandenen Minerale oder Gesteine nicht abbauwürdig sind, werden sie als Vorkommen bezeichnet, und nicht als Lagerstätte. Der Mindestgehalt (cut-off-grade) bei der sich der Abbau einer Lagerstätte noch lohnt, hängt dabei nicht allein von der Qualität der Rohstoffe ab, sondern auch von vielen wirtschaftlichen, technischen und zuweilen sogar politischen Faktoren ab.
- Die Erschließungskosten können sich zum Beispiel durch die abgelegene Lage des Vorkommens, extreme Klimabedingungen und mangelhafte Infrastruktur deutlich erhöhen.
- Die Abbaukosten hängen unter anderem von der Tiefenlage in der Erdkruste (Teufe), der Menge des anfallenden Grundwassers, und den technischen Eigenschaften der Rohstoffe ab. Zuweilen kann eine ungünstige Metallurgie den Abbau sogar ganz verhindern. So konnte das 1956 entdeckte polymetallische Vorkommen McArthur River in Australien, trotz seines hohen Metallgehaltes, bis heute nicht ausgebeutet werden, weil die Minerale, wegen der extrem kleinen Korngröße, nich