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Das Geheimnis der Geschwindigkeit seismischer Wellen: Die verborgene Struktur des Erdinneren wird enthüllt!
Die Geschwindigkeitsstruktur seismischer Wellen spiegelt die inneren Eigenschaften der Erde und anderer Planeten wider, einschließlich Materialzusammensetzung, Dichte, Porosität und Temperatur. Geophysiker sind auf die Analyse und Interpretation von Geschwindigkeitsstrukturen angewiesen, wenn es um die Rohstoffsuche, die Seismologie und ein tieferes Verständnis der geologischen Entwicklung der Erde geht.
„Ausgereifte seismologische Theorien und neue Daten haben uns ein tieferes Verständnis der Struktur des Erdinneren ermöglicht.“
Geschichte
Seit dem Aufkommen der modernen Seismologie hat es bedeutende Fortschritte in unserem Verständnis der Geschwindigkeitsstruktur seismischer Wellen gegeben. Die Erfindung des Seismometers im 19. Jahrhundert führte zu systematischen Forschungen und ermöglichte die Aufzeichnung und Analyse seismischer Wellen.
Durchbrüche des 20. Jahrhunderts
Im 20. Jahrhundert wurden wichtige Durchbrüche in der Seismologie erzielt. So identifizierte Andrea Mohorovich im Jahr 1909 beispielsweise eine wichtige Grenze innerhalb der Erde, die sogenannte Mohorovich-Diskontinuität. Sie stellt die Trennung zwischen Kruste und Mantel dar und geht mit einer deutlichen Zunahme der Geschwindigkeit seismischer Wellen einher. In den darauffolgenden Jahrzehnten wurden mit der Einrichtung eines weltweiten Netzwerks standardisierter Seismographen dramatische Fortschritte bei der Erfassung und dem Verständnis von Erdbebendaten erzielt.
Fortschritt im 21. Jahrhundert
Die Forschung im 21. Jahrhundert konzentriert sich auf eine genauere Modellierung der inneren Geschwindigkeitsstruktur der Erde, insbesondere der Eigenschaften des inneren Kerns, und auf die Entwicklung von Technologien wie der akustischen Bildgebung, wodurch detaillierte Modelle der inneren Struktur der Erde möglich werden.
Grundsätze der Geschwindigkeitsstruktur
Die Untersuchung der Geschwindigkeitsstruktur seismischer Wellen enthüllt systematisch die materielle Zusammensetzung und den physikalischen Zustand des Erdinneren. Variationen in der Wellengeschwindigkeit werden durch die Dichte und den Zustand des Materials beeinflusst, was uns Aufschluss über die Funktionsweise der Tiefenstruktur der Erde gibt.
„P-Wellen durchdringen sämtliche Materie, während S-Wellen nur feste Materie durchdringen. Dadurch spielen sie bei der Erforschung der Erdstruktur eine unterschiedliche Rolle.“
Geschwindigkeitsstruktur der Erde
Seismische Wellen breiten sich in verschiedenen Schichten der Erde mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus und diese Unterschiede hängen eng mit der entsprechenden Temperatur, Zusammensetzung und dem Druck zusammen. Zu den strukturellen Merkmalen der Erde gehören ausgeprägte seismische Diskontinuitäten, die Veränderungen der mineralischen Zusammensetzung oder des physikalischen Zustands darstellen.
Erdkruste
Die P-Wellen- und S-Wellengeschwindigkeiten der Erdkruste liegen zwischen 6,0 und 7,0 km/s bzw. 3,5 und 4,0 km/s. Seismische Geschwindigkeiten in der Erdkruste nehmen tendenziell mit der Tiefe zu, was hauptsächlich auf den zunehmenden Druck zurückzuführen ist, der das Material dichter macht.
Oberer Mantel
Die durchschnittliche P-Wellengeschwindigkeit im oberen Erdmantel beträgt 7,5–8,5 km/s und die S-Wellengeschwindigkeit 4,5–5,0 km/s. Der Anstieg der seismischen Geschwindigkeit ist hauptsächlich auf den erhöhten Druck zurückzuführen.
Unterer Mantel
Die durchschnittliche P-Wellen-Geschwindigkeit im unteren Mantel liegt zwischen 10 und 13 km/s, während die S-Wellen-Geschwindigkeit zwischen 5,5 und 7,0 km/s liegt. Die erhöhte Geschwindigkeit in dieser Schicht ist hauptsächlich auf die stärkere Druckumgebung zurückzuführen.
Äußerer Kern und innerer Kern
Die durchschnittliche P-Wellengeschwindigkeit des äußeren Kerns beträgt 8,0-10 km/s, während sich die S-Welle nicht ausbreiten kann, was auf ihren flüssigen Zustand hinweist; während die durchschnittliche P-Wellengeschwindigkeit des inneren Kerns etwa 11 km/ s und die S-Welle beträgt 3,5 km/s. /s, was zeigt, dass das Innere aus einem festen Stoff mit hoher Dichte besteht.
„Die Anisotropie des inneren Kerns führt dazu, dass die Geschwindigkeit seismischer Wellen je nach Bewegungsrichtung variiert. Dies legt die Vermutung nahe, dass auch die Erdrotation Auswirkungen auf die Ausrichtung der Kristalle im Kern hat.“
Geschwindigkeitsstrukturen anderer Planeten
Neben der Erde wurden auch die Geschwindigkeitsstrukturen des Mondes und des Mars umfassend untersucht. Die Aufzeichnungen der seismischen Wellengeschwindigkeit auf dem Mond stammen hauptsächlich aus den Daten der Apollo-Mission, während die seismischen Daten vom Mars hauptsächlich aus der InSight-Mission stammen.
Geschwindigkeitsstruktur des Mondes
Die Mondkruste ist etwa 60 km dick. Die P-Wellengeschwindigkeiten liegen zwischen 5,1 und 6,8 km/s und die S-Wellengeschwindigkeiten zwischen 2,96 und 3,9 km/s. Die Unterschiede in den inneren Schichten führen dazu, dass die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen erheblich variiert.
Geschwindigkeitsstruktur des Mars
Die Krustendicke des Mars beträgt 10–50 km und die Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen liegen zwischen 3,5–5 km/s bzw. 2–3 km/s. Mit zunehmender Tiefe führt der steigende Druck auch zu einer Geschwindigkeitssteigerung.
Zukunftspläne
Derzeit ist die seismische Erkundung anderer Körper im Weltraum relativ begrenzt. Es wird jedoch erwartet, dass künftige Weltraummissionen diese Studien auf einen größeren Bereich ausdehnen und Erkenntnisse über andere Planetentypen in unserem Sonnensystem und ihre inneren Strukturen liefern werden.
Wie viele neue Erkenntnisse können wir über diese verborgenen unterirdischen Welten gewinnen, nachdem wir die verschiedenen Komplexitäten der Geschwindigkeitsstruktur seismischer Wellen verstanden haben?
