Schwerkraft und Gestalt der Erde

Schwerkraft (Gravitation) ist die gegenseitige Anziehungskraft zweier Körper, ihre Stärke hängt ab von der Masse der Körper und deren Entfernung voneinander. Die Intensität des Schwerefeldes der Erde ist deshalb proportional der Erdmasse, sie verringert sich mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche. Schwerkraft verursacht letztlich die Erosion an der Erdoberfläche. Regen fällt wegen der Schwerkraft, Flüsse fließen und Gletscher gleiten talwärts, weil es Schwerkraft gibt. Drehung und Gestalt der Erde
Die Rotation der Erde erzeugt eine Zentrifugalkraft, die am Äquator am stärksten ist. Dadurch ist der Erdkörper hier etwas ausgebaucht und an den beiden Polen ein wenig abgeflacht: Der Erddurchmesser am Äquator übertrifft den durch die Pole gezogenen Durchmesser, die Erdachse, um 43 km. Bezugsgrundlage von Messungen dieser Art wie überhaupt sämtlicher Höhenmessungen auf der Erde ist der Meeresspiegel, gedacht als in Ruhe befindliche Meeresfläche, im strengen Sinn das Mittel von Hoch- und Niedrigwasser (Mittelwasser). Die von der Kugelform abweichende, mathematisch nicht fassbare Erdfigur wird »Geoid« genannt. Die etwa im mittleren Meeresniveau verlaufende Oberfläche des Geoids ist nicht völlig gleichmäßig, da das Schwerefeld lokal variiert und von der ungleichen Massenverteilung in der Erdkruste beeinflusst wird. Ein großer Erzkörper oder eine Gebirgskette stören die sonst senkrechten Schwerelinien. Deshalb bestimmt man die Form des Geoids durch direkte Schweremessungen auf dem Lande oder durch Ermitteln von Näherungswerten auf dem Meer, wo die Wellenbewegung direkte Messungen ausschließt. Zur genauen Bestimmung der Geoidform werden heute auch die Abweichungen der Satellitenumlaufbahnen von ihren theoretischen Werten herangezogen. Die Gestalt des Geoids lässt sich annähernd durch ein Rotationsellipsoid beschreiben, das mit der Erdgestalt weitgehend übereinstimmt. Die maximale Differenz zwischen Rotationsellipsoid und Geoid beträgt 150 m. Die Theorien von Pratt und Airy
Im 19. Jahrhundert wurde Indien trigonometrisch vermessen. Dabei stellte sich heraus, dass einige Messpunkte, deren Position durch astronomische Methoden festgelegt worden war, nicht mit den neu ermittelten Daten übereinstimmten. So übt der Himalaja einen geringeren Einfluss auf das Schwerefeld aus, als man erwartet hatte. John H. Pratt (1809-71) und der Mathematiker und Astronom George B. Airy (1801-92) folgerten daraus, dass die Kontinente aus einem leichteren Material bestehen müssen, welches auf einem dichteren Untergrund schwimmt. Pratt nahm an, dass unterschiedlich hohe Berge durch Blöcke verschiedener Dichte zu erklären seien, die aber dasselbe Grundniveau hätten. Airy stellte dagegen die Hypothese auf, dass die Blöcke alle die gleiche Dichte, aber verschiedene Mächtigkeit besäßen und deshalb in unterschiedliche Tiefen hinabreichten. Heute wird Airys Theorie allgemein akzeptiert. Man kann sie sich auch folgendermaßen veranschaulichen: Das leichte Krustenmaterial schwimmt auf dem dichteren, leicht plastischen Erdmantel wie ein Kork auf dem Wasser. Belastet man den Korken mit einem kleinen Gewicht, wird er etwas mehr einsinken. Ähnlich verhält es sich mit der Erdkruste: Eine zusätzliche Belastung führt zu tieferem Absinken. Wenn die Belastung wieder aufgehoben wird, wie beim Abschmelzen der Gletscher am Ende der Eiszeit, wölbt sich die Kruste allmählich auf, um ein neues isostatisches Gleichgewicht herzustellen. Teile von Norwegen und Schweden heben sich immer noch infolge des Abschmelzens der dicken pleistozänen Eiskappe vor rd. 10 000 Jahren. Schätzungen lassen eine weitere Hebung von etwa 210 m erwarten, bis das Gleichgewicht völlig wiederhergestellt ist. Während sich jedoch Skandinavien hebt, sinken die Küsten der Niederlande und Teile Dänemarks ab, weil hier das in Richtung Skandinavien fließende Mantelmaterial abgezogen wird. Das isostatische Gleichgewicht wird also durch verschieden dicke Krustenteile aufrechterhalten. Die Geophysiker konnten nachweisen, dass jedes Gebirge mit tiefen »Wurzelzonen« im Mantelbereich der Erde verhaftet ist. Umgekehrt ist die Kruste unter den Ozeanen sehr dünn. Sie besitzt nur eine Mächtigkeit von höchstens 5 km, wogegen die kontinentale Kruste unter den großen Gebirgszügen Werte bis zu 60 km erreicht. Schwereanomalien
Gesteinskörper, deren Dichte sich deutlich von der des Nebengesteins unterscheidet, verursachen kleine Abweichungen oder Anomalien des örtlichen Schwerefeldes. Diese Anomalien können durch hochempfindliche Messgeräte erfasst werden. Schweremesser (Gravimeter) arbeiten nach dem Prinzip, dass Änderungen der Schwerkraft kleine Veränderungen in einer sehr feinen Quarzfeder hervorrufen. Durch die Messgeräte lassen sich selbst Schwereänderungen von einem zehnmillionste Gramm feststellen. Schweremessungen ergaben, dass große Salzdome nahe der Oberfläche, oft mit Öl- und Gasvorkommen, als negative Anomalien in Erscheinung treten. Die Messwerte müssen noch korrigiert werden, um die Einflüsse der geografischen Breite, der Höhenlage und des Gesteinsmaterials zwischen Beobachtungspunkt und Meeresniveau auszuschalten. Dieses Verfahren wird Bouguer-Korrektur genannt, die daraus entstehende Karte des Schwerefeldes Bouguer-Karte. Sie kann wertvolle Hilfe bei der Suche nach Erz- und Ölvorkommen und der Bestimmung ihrer Größe leisten.