Heading

Wat is isostasie?

LEE Boon-ying

Wat is isostasie?

Modellen van isostasie werden meer dan een eeuw geleden voorgesteld om ongewone zwaartekrachtmetingen (wat is zwaartekracht? hoe wordt het gemeten?) in verschillende delen van de Aarde te verklaren. Het concept van isostasie is dat bergen worden gecompenseerd door massa’s met een kleinere dichtheid onder de bergen, terwijl oceanen worden gecompenseerd door massa’s met een hogere dichtheid onder het water.

Zo bezien is isostasie eenvoudigweg gebaseerd op het principe van Archimedes — een ondergedompeld voorwerp ondervindt een opwaartse kracht die gelijk is aan het gewicht van de verplaatste vloeistof.

Wat zijn de ongebruikelijke zwaartekrachtmetingen?

De hierboven genoemde ongebruikelijke zwaartekrachtmetingen worden gewoonlijk “zwaartekrachtanomalieën” genoemd. Eenvoudig gezegd is dit het verschil tussen een zwaartekrachtmeting (gecorrigeerd voor diverse factoren) en de theoretische waarde.

Figuur 1 toont plots van de zwaartekrachtanomalie respectievelijk boven de mid-Atlantische bergkam, de Europese Alpen, en de continentale randen van zuidoost Australië. Opvallend is dat de anomalie boven de oceanen sterk positief is en met de diepte toeneemt, terwijl hij boven hooggelegen terrein duidelijk negatief wordt.

Wat zijn de modellen van isostasie?

Er zijn verschillende modellen, gebaseerd op verschillende veronderstellingen ten aanzien van de compensatie die onder de eerste vraag hierboven is genoemd. De twee meest genoemde modellen zijn:-

1. Airy’s model – de korst is van variabele dikte maar van constante dichtheid en is dikker onder hooggelegen terrein dan onder depressies zoals oceanen. De diepte van de onderliggende ‘wortels’ is gerelateerd aan de hoogte van de bovenliggende topografie.
2. Pratt’s model – de korst heeft een variabele dichtheid maar de basis ligt op een constante diepte onder de zeespiegel. De topografische hoogte is gerelateerd aan de dichtheid van het aardkorstoppervlak op dat punt.

In figuur 2 staan de schematische diagrammen van de twee modellen.

Hoewel beide modellen gebaseerd zijn op aannamen die niet al te realistisch zijn, beschrijven zij verbazend goed de zwaartekracht die is waargenomen over regio’s met variabel terrein, hetgeen aangeeft dat het isostasie-concept over een groot deel van de wereld wordt gehoorzaamd.

Is de Himalaya in isostatisch evenwicht?

Nee. Isostasie kan slechts een deel van de stijging van de Himalaya verklaren. Wetenschappers zoeken dit nog steeds uit. Sommigen stellen voor dat de Himalaya voortdurend naar steeds grotere hoogten wordt geduwd door de noordwaartse beweging van de Indiase Plaat (zie hier).

Wat zijn de isostatische effecten van sedimentatie en erosie?

Waar sedimentatie optreedt, kan het gewicht van het sediment de onderliggende korst doen zinken. En waar erosie optreedt, kan de korst weer opveren.

Zo ook kan, wanneer ijskappen worden gevormd, de korst zinken. Omgekeerd kan bij het smelten van ijskappen de korst weer opveren, zoals nu gebeurt rond de Oostzee en in het gebied van de Hudson Baai in Canada. Met name Scandinavië en Schotland lagen tijdens de ijstijden onder meer dan 300 meter ijs en de opheffing is het snelst in het noordelijke deel van de Oostzee, waar deze nog steeds doorgaat met een snelheid van ongeveer een meter per eeuw, d.w.z. ruwweg een centimeter per jaar. Als een wip, met minder ijs aan de andere kant van de landmassa, zinken nu het zuiden van de Oostzee en het zuiden van Engeland.

Wat is zwaartekracht?

Voorwerpen trekken elkaar aan, bijvoorbeeld de aantrekkingskracht tussen de zon en de aarde, en die tussen de aarde en een voorwerp op het aardoppervlak. Op het aardoppervlak is er nog een andere kracht, de middelpuntvliedende kracht, die ontstaat door de dagrotatie van de aarde. De zwaartekracht is het gecombineerde effect van de aantrekkingskracht (die wij gravitatie noemen) en de middelpuntvliedende kracht.

Velen van ons weten dat de versnelling ten gevolge van de zwaartekracht van de aarde, g, ongeveer 9,8 m/s2 bedraagt. Zij varieert met de breedtegraad en de hoogte. Zo is de bovengenoemde middelpuntvliedende kracht maximaal aan de evenaar, werkt zij in de tegenovergestelde richting en bedraagt zij ongeveer 1/3% van de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Ook verandert g met de hoogte met een snelheid van ongeveer 3,1 x 10-6/s2.

De zwaartekracht varieert ook van plaats tot plaats op het aardoppervlak, als gevolg van de ongelijke verdeling van de massa in de aardkorst en de aardmantel. Er zijn ook kleine kortetermijnveranderingen als gevolg van de veranderende aantrekkingskracht van de zon en de maan.

Hoe wordt de zwaartekracht gemeten?

De zwaartekracht kan worden gemeten met een slinger, omdat de periode van een slinger alleen afhangt van zijn lengte en van de zwaartekracht. De zwaartekracht is dus de meting van een tijdsinterval en van een lengte — de periode van de slinger en zijn effectieve lengte. Er zijn andere, minder gebruikelijke methoden, b.v. door het timen van een vrij vallend voorwerp.

Het bovenstaande heeft betrekking op absolute meting van de zwaartekracht. De zwaartekracht kan ook relatief worden gemeten met behulp van gravimeters, waarbij een gewicht wordt opgehangen aan een opgerolde veer waarvan de lengte verandert in verhouding tot een verandering van de zwaartekracht. Hoewel zij alleen veranderingen in de zwaartekracht meten, zijn gravimeters gevoeliger voor kleine veranderingen en zijn zij eenvoudiger en sneller te bedienen. Daarom worden de meeste zwaartekrachtmetingen verricht met behulp van gravimeters die de zwaartekracht meten ten opzichte van een basisstation waar de absolute zwaartekracht is gemeten. Vergeleken met slingerapparatuur zijn gravimeters 3 of 4 orden van grootte nauwkeuriger.

De zwaartekracht wordt nu routinematig gemeten aan boord van kunstsatellieten. Simpel gezegd: als een satelliet over een zwaartekracht-anomalie gaat, wordt hij in zijn baan versneld/vertraagd. Hoewel de anomalie zelf betrekkelijk klein kan zijn, wordt de cumulatieve versnelling/vertraging van de satelliet tijdens opeenvolgende doorgangen meetbaar.