Heading

Was ist Isostasie?

LEE Boon-ying

Was ist Isostasie?

Modelle der Isostasie wurden vor mehr als einem Jahrhundert vorgeschlagen, um ungewöhnliche Schwerkraftmessungen (was ist Schwerkraft? wie wird sie gemessen?) zu erklären, die in verschiedenen Teilen der Erde gemacht wurden. Das Konzept der Isostasie besagt, dass Berge durch Massen geringerer Dichte unter den Bergen ausgeglichen werden, während Ozeane durch Massen höherer Dichte unter dem Wasser kompensiert werden.

So gesehen basiert die Isostase einfach auf dem archimedischen Prinzip — ein eingetauchtes Objekt erfährt eine Auftriebskraft, die gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist.

Was sind die ungewöhnlichen Gravitationsmessungen?

Die oben erwähnten ungewöhnlichen Gravitationsmessungen werden normalerweise als „Gravitationsanomalien“ bezeichnet. Einfach ausgedrückt, handelt es sich dabei um die Differenz zwischen einer (um verschiedene Faktoren korrigierten) Schwerkraftmessung und dem theoretischen Wert.

Abbildung 1 zeigt Plots der Schwerkraftanomalie jeweils über dem mittelatlantischen Rücken, den europäischen Alpen und den Kontinentalrändern Südostaustraliens. Auffallend ist, dass die Anomalie über den Ozeanen stark positiv ist und mit der Tiefe zunimmt, während sie über hochgelegenem Terrain deutlich negativ wird.

Welche Modelle der Isostasie gibt es?

Es gibt mehrere Modelle, die auf unterschiedlichen Annahmen bezüglich der unter der ersten Frage erwähnten Kompensation basieren. Die beiden am häufigsten genannten Modelle sind:-

1. Airy’s model – die Kruste ist von variabler Dicke, aber von konstanter Dichte und ist unter erhöhtem Gelände dicker als unter Vertiefungen wie Ozeanen. Die Tiefe der darunter liegenden „Wurzeln“ hängt mit der Höhe der darüber liegenden Topographie zusammen.
2. Pratt’s model – die Kruste ist von variabler Dichte, aber ihre Basis liegt in einer konstanten Tiefe unter dem Meeresspiegel. Die topografische Höhe hängt mit der Dichte der Kruste an diesem Punkt zusammen.

Abbildung 2 zeigt schematische Diagramme für die beiden Modelle.

Während beide Modelle auf nicht allzu realistischen Annahmen beruhen, beschreiben sie erstaunlich gut die Schwerkraft, die über Regionen mit variablem Terrain beobachtet wird, was darauf hindeutet, dass das Isostasie-Konzept über weite Teile der Welt befolgt wird.

Ist der Himalaya im isostatischen Gleichgewicht?

Nein. Isostasie kann nur einen Teil des Aufstiegs des Himalaya erklären. Wissenschaftler sind noch dabei, dies herauszufinden. Einige schlagen vor, dass der Himalaya durch die Nordwärtsbewegung der Indischen Platte ständig in immer größere Höhen gedrückt wird (siehe hier).

Was sind die isostatischen Effekte von Sedimentation und Erosion?

Wo Sedimentation auftritt, kann das Gewicht des Sediments dazu führen, dass die Kruste darunter sinkt. In ähnlicher Weise kann die Kruste dort, wo Erosion auftritt, zurückfedern.

Auch wenn sich Eisschilde bilden, kann die Kruste sinken. Umgekehrt, wenn sie schmelzen, kann sich die Kruste wieder erheben, wie es zum Beispiel um die Ostsee und die Hudson Bay in Kanada geschieht. Insbesondere Skandinavien und Schottland lagen während der Eiszeiten unter mehr als 300 Metern Eis, und die Hebung ist in der nördlichen Ostsee am schnellsten, wo sie immer noch mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Meter pro Jahrhundert, d. h. etwa einem Zentimeter pro Jahr, vor sich geht. Wie eine Wippe, mit weniger Eislast auf der anderen Seite der Landmasse, sinken nun die südliche Ostsee und Südengland.

Was ist Schwerkraft?

Objekte ziehen sich gegenseitig an, zum Beispiel die Anziehungskraft zwischen der Sonne und der Erde und die zwischen der Erde und einem Objekt auf der Erdoberfläche. Auf der Erdoberfläche gibt es eine weitere Kraft, die Zentrifugalkraft, die aus der täglichen Rotation der Erde resultiert. Die Schwerkraft ist die kombinierte Wirkung der Anziehungskraft (die wir Gravitation nennen) und der Zentrifugalkraft.

Viele von uns wissen, dass die Erdbeschleunigung g etwa 9,8 m/s2 beträgt. Sie variiert mit dem Breitengrad und der Höhe. So ist die oben erwähnte Fliehkraft am Äquator maximal, wirkt in entgegengesetzter Richtung und beträgt etwa 1/3% der Erdanziehung. Außerdem ändert sich g mit der Höhe mit einer Rate von etwa 3,1 x 10-6/s2.

Die Schwerkraft variiert auch von Ort zu Ort auf der Erdoberfläche, was die ungleichmäßige Verteilung der Masse in der Erdkruste und im Erdmantel widerspiegelt. Es gibt auch kleine kurzfristige Änderungen aufgrund der wechselnden Anziehungskraft von Sonne und Mond.

Wie wird die Schwerkraft gemessen?

Die Schwerkraft kann mit einem Pendel gemessen werden, da die Periode eines Pendels nur von seiner Länge und von der Schwerkraft abhängt. Die Gravitation ist also die Messung eines Zeitintervalls und der Länge — der Periode des Pendels und seiner effektiven Länge. Es gibt auch andere, weniger gebräuchliche Methoden, z.B. durch Zeitmessung eines frei fallenden Objekts.

Das oben Gesagte bezieht sich auf die absolute Messung der Schwerkraft. Die Schwerkraft kann auch relativ gemessen werden, und zwar mit Gravimetern, bei denen ein Gewicht an einer Spiralfeder hängt, deren Länge sich proportional zur Änderung der Schwerkraft ändert. Während sie nur Änderungen der Schwerkraft messen, sind Gravimeter empfindlicher für kleine Änderungen und außerdem einfacher und schneller zu bedienen. Aus diesem Grund werden die meisten Schwerkraftmessungen mit Gravimetern durchgeführt, die die Schwerkraft relativ zu einer Basisstation messen, an der die absolute Schwerkraft gemessen wurde. Im Vergleich zu Pendelgeräten sind Gravimeter um 3 oder 4 Größenordnungen präziser.

Die Schwerkraft wird heute routinemäßig an Bord von künstlichen Satelliten gemessen. Ganz einfach: Wenn ein Satellit eine Schwerkraftanomalie überfliegt, wird er in seiner Umlaufbahn beschleunigt/abgebremst. Während die Anomalie selbst relativ klein sein kann, wird die kumulative Beschleunigung/Verzögerung des Satelliten während aufeinanderfolgender Überflüge messbar.