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Unter '''Gleichgewichtsfiguren''', genauer '''[[Hydrostatik|hydrostatischen]] Gleichgewichtsfiguren''', versteht die [[Geophysik]] und [[Astronomie]] einen flüssig gedachten, stabilen physikalischen Aufbau von [[Himmelskörper]]n, bei denen alle inneren [[Grenzfläche|Grenz-]] und [[Niveaufläche]]n sowie die [[Freie Oberfläche (Strömungslehre)|freie Oberfläche]] im völligen [[Gleichgewicht (Systemtheorie)|Gleichgewicht]] aller [[Kraft|Kräfte]] sind. In der Natur ist dieser [[Idealisierung (Physik)|Idealzustand]] jedoch nirgends zu 100 Prozent gegeben.

== Eine idealisierte Erde ==
Der mittlere [[Meeresspiegel]] der Erde – den man sich als [[Geoid]] unter den Kontinenten fortgesetzt denkt und allgemein als Höhenbezug verwendet – wäre auch bei Einebnung des Geländes noch keine exakte Gleichgewichtsfläche. Erst wenn das Wasser völlig unbewegt den ganzen Planeten bedecken würde und überall dieselbe Tiefe hätte, wäre der Meeresspiegel die Oberfläche einer hydrostatischen Gleichgewichtsfigur. Die [[Schwerkraft]] auf einer solchen (und auf jeder natürlichen) Niveaufläche ist zwar nicht überall gleich, wirkt aber immer [[lotrecht]] zur Oberfläche, sodass sich kein Wassertropfen von der Stelle bewegen würde.<ref>
Ohne Wind und Gezeiten wäre dies auch beim tatsächlichen [[Geoid]] der Fall, obwohl es infolge der Kontinente und Meerestiefen [[Undulation]]en bis 100 m hat.</ref> Allerdings müssten auch alle inneren Niveauflächen und [[Gestein]]sgrenzen einer analogen Bedingung genügen—was offensichtlich nicht ganz der Fall ist. Die [[Erdkruste]] ist nur zu etwa 90 % im Gleichgewicht, das flüssige [[Erdinneres|Erdinnere]] zu fast 100 %.

Um die ''Idealform'' der Erde oder eines [[Planet]]en berechnen zu können, muss das Modell vereinfacht werden: zumindest die unregelmäßig aufgebaute Kruste wäre einzuebnen und alle ihre Gesteinsschichten ebenfalls. Zur Berechnung eines Kräftegleichgewichts sind dann für jede innere Schicht der Erde mindestens 5 Größen relevant:
* Masse
* [[Druck (Physik)|Druck]]
* [[Dichte]]
* [[Gravitation]]
* [[Rotation (Physik)|Rotation]];
teilweise auch der Verlauf von
* [[Temperatur]] und
* [[Elastizität (Physik)|Elastizität]],
wenn in neuesten Modellen die [[Thermodynamik]] mitberücksichtigt wird.

Auch bei völlig „regularisierter“ Erdkruste (lt. [[Karl Ledersteger|K.Ledersteger]]) blieben Restabweichungen im Erdinnern. Je [[Homogenität|homogener]] aber das [[Magma]] des [[Erdmantel]]s und das Material im [[Erdkern]] sind, desto genauer kann auf ihre [[Diskontinuität (Geologie)|Trennflächen]] der Dichte und evtl. Temperatur geschlossen werden. Alle diese Phänomene wirken sich auf die äußere [[Erdfigur]] aus und sind damit von fundamentaler Bedeutung auch für die [[Geodäsie]]. Bei Gleichgewicht stellt ferner das [[Satz von Clairaut (Erdmessung)|Clairaut-Theorem]] eine einfache Beziehung zwischen [[Erdabplattung]] und [[Erdschwerefeld|Schwerefeld]] her.

== MacLaurin- und Wiechert-Modelle ==
Das einfachste Modell ist ein völlig homogenes, flüssiges [[Ellipsoid]], das genau die Masse, [[Erdradius|Größe]] und Rotation der Erde hat ([[MacLaurin-Ellipsoid]]). Die theoretische Lösung liegt in einer Bedingungsgleichung dieser drei Größen, die [[Colin Maclaurin]] [[1742]] in Edinburgh publiziert hat (''A Treatise of Fluxions''). Allerdings kommt eine Erdabplattung von 1:231 heraus, statt tatsächlich ''f = (a-b)/a = 1:298,25'' (Äquator[[Halbachsen der Ellipse|halbachse]] a = 6378,13 km und Polhalbachse b = 6356,74 km).

Der [[Erdkern]] muss also wesentlich dichter sein als der Durchschnitt der gesamten Erde (5,52 g/cm³). Das nächstbessere Modell ist ein ''Zweischalen-Modell'' mit flüssig-homogenem Mantel und ebensolchem Kern. Seine theoretische Lösung ist bereits wesentlich komplizierter (in Lit.2 immerhin 10 Seiten), weil der Druck im „Erdkern“ auch vom Gewicht des Mantels abhängt. Sie stammt von [[Emil Wiechert]] (''Über die [[Massenverteilung]] im Erdinnern'', Nachr. Kgl. Ges. Wiss. Göttingen [[1897]]), weshalb das Modell von den Geowissenschaftern [[Wiechert-Modell]] genannt wird. Die Frage, wo die [[Kern-Mantel-Grenze]] anzusetzen ist, richtet sich nach dem Ergebnis: erst wenn die beiden Dichtewerte plausibel sind und den o.a. Abplattungswert ''f'' (plus einen zusätzlichen „Formparameter“ aus der [[Satellitengeodäsie]]) ergeben, kann das Modell realistisch sein. Von den unendlich vielen Möglichkeiten hält K. Ledersteger (1966, Zeitschrift für Geophysik) die Dichtewerte 4,17 und 12,44 g/cm³ sowie eine Kerntiefe von 2900 km für jene, die dem [[Seismik|seismisch]] erforschten [[Innerer Aufbau der Erde|Erdaufbau]] am nächsten kommen.

Tatsächlich beträgt aber die [[Gesteinsdichte|Krustendichte]] im Mittel 2,7 g/cm³, während die Dichte des [[Erdmantel]]s nach innen von 3,3 bis über 5 g/cm³ zunimmt, und die des Erdkerns vermutlich 10 bis 14 g/cm³ beträgt. Daher bietet sich ein drittes Modell an, dessen Dichte nach innen [[Linearität (Physik)|linear]] zunimmt – mit einem noch zu bestimmenden Faktor. Karl Ledersteger und [[László Egyed]] (s.Lit.3) nennen diese Modellfolge „[[einparametrig]]e Gleichgewichtsfiguren“.

Das Ideal wäre nun, die um die Erdkruste „[[Prinzip der Entblätterung|entblätterte]]“ Erde durch eine Kombination des ''Wiechert''- und des ''einparametrigen'' Modells anzunähern. Die theoretische Lösung ist freilich äußerst kompliziert und wird heute umgangen, indem [[numerische Integration|numerisch]] statt analytisch [[Integralrechnung|integriert]] wird. Für eine in passend kleine Körper „zerlegte“ Erde (z. B. durch [[Homöoid]]-Schalen) die Gleichgewichts-Bedingungen zu formulieren, ist allerdings ein eigenes Problem.

== Gleichgewichtsfiguren in anderen Fachgebieten ==
In der [[Astrophysik]] spielen Modelle für das Innere der [[Sonne]] und von [[Stern]]en eine zunehmende Rolle. Ihre Grundzüge können hier aber nicht mehr dargestellt werden, weil die herrschenden [[Temperatur]]en (einige Tausend bis viele Millionen Grad) andere physikalische Vorgänge in den Vordergrund rücken. Ebenso wichtig wie das [[Hydrostatik|hydrostatische]] Gleichgewicht im Innern eines so heißen [[Gas]]balls ist nämlich die [[Energieerhaltungssatz|Energiebilanz]]: nur jene Modelle können plausibel sein, bei denen ''jede'' Schicht des Sonneninneren ebenso viel Energie weitergibt, wie sie von unten empfängt. Im Zentrum erzeugt die [[Kernfusion]] von Wasserstoff in Helium eine intensive [[Gammastrahlung]], die nach oben in [[Röntgenstrahlung|Röntgen-]] und [[UV]]-Strahlung und erst zuletzt in [[Licht]] übergeht. Dazwischen muss eine markante Schicht liegen, ab der der Energietransport durch [[Konvektion]] erfolgt. Erst in den letzten Jahren ist es gelungen, solche komplizierten Modelle an [[Großcomputer]]n zu simulieren.

Im [[Bauwesen]] kennt man ebenfalls das Problem des Gleichgewichts, etwa bei der Formfindung von [[Flächentragwerk]]en. Ein möglicher Modellansatz ist, dass sich alle [[Knoten (Statik)|Netzknoten]] im Kräftegleichgewicht befinden, während die Randknoten der Fläche im Raum fixiert (d. h. durch äußere Bedingungen vorgegeben) sind.<ref>{{Literatur |Online={{ZOBODAT |nurURL=1 |pfad=pdf/Rudolfinum_2007_0075-0077.pdf}} |Titel=Workshop „Leichte Flächentragwerke - Bauen mit Membranen“ |Autor=Gert Eilbracht |Sammelwerk=Rudolfinum |Datum=2007 |Seiten=75-77 |Sprache=de |Format=pdf |Abruf=2018-02-05}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* [[Heinrich Bruns (Mathematiker)|Heinrich Bruns]], ''Die Figur der Erde'', Berlin [[1878]].
* Karl Ledersteger, Band V (J.E.K.), ''[[Astrogeodäsie|Astronomische]] und [[Physikalische Geodäsie]]'', 871 p., Verlag J.B.Metzler, [[Stuttgart]] 1969.
* Laszlo Egyed, ''Physik der festen Erde'', 370 p., Akadémiai Kiadó, Budapest 1969.
* Kiepenheuer/Hanslmeier, Einführung in die Sonnenphysik?



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[[Kategorie:Astrophysik]]
[[Kategorie:Geodäsie]]
[[Kategorie:Geophysik]]

Gleichgewichtsfigur - Versionsgeschichte

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