Bis ins Jahr 1993 wurde der alte Flugplatz in Karlsruhe vom
amerikanischen Militär genutzt.
Alte Fotoaufnahmen zeigen die Bebauung mit Flugzeughangars und einem
Kontrollturm.
Nachdem das Gelände an die Stadt Karlsruhe übergeben wurde, wurden
Gebäude und Turm abgerissen und es bildete sich ein Biotop für
zahlreiche Spinnen, Insekten und Vögel, das heute zum Großteil unter
Naturschutz steht.
Kann man im Untergrund noch Überreste der früheren Bebauung finden,
die eventuell schädlich für das Biotop sind?
Solche archäologischen Fragestellungen werden mit geophysikalischen
Methoden, wie zum Beispiel der Geomagnetik, untersucht.
Mit ihrer Hilfe lassen sich unterirdische Strukturen ohne
Grabungsaufwand effektiv kartieren.
Alte Fundamente oder metallische Überreste beeinflussen das auf der
Erde vorherrschende Magnetfeld.
Wenn man die Variationen gegenüber dem natürlichen Erdmagnetfeld
misst, kann man Rückschlüsse auf die Ursachen im Boden ziehen.
Hallo und herzlich willkommen.
Ich stelle Ihnen in diesem Video die Methode der Geomagnetik vor.
Sie lernen dabei unterschiedliche Messinstrumente kennen, mit denen
Variationen des Magnetfelds untersucht werden können.
Sie werden typischerweise in großflächigen Kartierungen genutzt, um
die Lage magnetischer Anomalien zu bestimmen.
Eine Auswertung geomagnetischer Messungen wird am Ende des Videos
zeigen, wie Anomalien im Untergrund des alten Flugplatzes in Karlsruhe
interpretiert werden können.
Die Geomagnetik ist ein passives Potentialverfahren.
Sie nutzt das vorhandene Erdmagnetfeld und untersucht Variationen, die
durch magnetisierte und magnetisierbare Strukturen im Untergrund
hervorgerufen werden.
Das Erdmagnetfeld wird hauptsächlich im Inneren der Erde erzeugt.
Im äußeren Erdkern konvektiert heißes, elektrisch leitfähiges Gestein.
Durch ein vorhandenes, schwaches Magnetfeld wird so Strom induziert,
der das Magnetfeld weiter aufbaut.
Dieser selbst verstärkende Prozess wird Geodynamo genannt und führt
zur Bildung des Magnetfeldes, wie wir es auf der Erde kennen.
Magnetisierte oder magnetisierbare Körper in der Erde beeinflussen das
Erdmagnetfeld und rufen ein zusätzliches, lokal beschränktes
Magnetfeld hervor.
Dieses Feld überlagert das Hintergrundfeld der Erde, sodass ein
Gesamtfeld resultiert.
Aus Messungen dieses Gesamtfeldes kann man dann Rückschlüsse auf die
Lage der Störkörper im Untergrund ziehen.
Die Magnetisierbarkeit eines Körpers wird durch die magnetische
Suszeptibilität angegeben.
Sie ist einheitslos und kann Werte von –1 bis unendlich annehmen.
Die Suszeptibilität Kaba ist die Materialeigenschaft, die in der
Geomagnetik bestimmt wird.
Die Suszeptibilität kann allerdings nicht direkt gemessen werden.
Vielmehr misst man Variationen des Erdmagnetfeldes.
Die Größe des Feldes ist die magnetische Flussdichte b.
Sie ist die Messgröße der Geomagnetik.
Mit Hilfe von Modellen kann man daraus auf die Verteilung von
magnetisierten Körpern im Untergrund schließen.
Weist ein Körper ohne äußeres Feld eine Magnetisierung auf, wird er
als remanent magnetisiert bezeichnet.
Hält die Magnetisierung nur an, wenn ein äußeres Feld anliegt, spricht
man von induzierter Magnetisierung.
Beide Auswirkungen sind mit der Geomagnetik messbar.
Variationen des Feldes resultieren aber nicht nur aus den Anomalien im
Untergrund.
Etwa ein Prozent stammt aus Feldschwankungen in der hohen Atmosphäre.
Um die Messergebnisse von zeitabhängigen Störungen bereinigen zu
können, wird an einem Basispunkt in kurzen Abständen das Magnetfeld
aufgezeichnet.
Die eigentliche Kartierung des Untergrunds geschieht parallel dazu.
Mit verschiedenen Instrumenten geht man das Untersuchungsgebiet ab, um
ortsabhängige Variationen des magnetischen Feldes aufzufinden.
Die Messinstrumente unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und in
ihrer Messgröße.
Vier Instrumente stelle ich Ihnen hier vor.
Ich beginne mit dem sogenannten Torsionsmagnetometer.
Es ist das älteste Funktionsprinzip und wird hauptsächlich zu
Demonstrationszwecken verwendet, da es die Wirkung des Magnetfeldes
sehr gut veranschaulicht.
Allerdings ist es nur für Einzelmessungen geeignet, da es vor jeder
Messung neu kalibriert werden muss.
Im Instrument ist ein kleiner Stabmagnet zwischen zwei Metallfäden
drehbar aufgehängt.
In einem Magnetfeld erfährt nun der Stabmagnet ein Drehmoment d, das
durch die Torsion der Fäden kompensiert werden kann.
Das mechanische Drehmoment entspricht dann gerade dem magnetischen
Drehmoment, das von außen einwirkt.
Durch Gleichsetzen der beiden Größen lässt sich dann die
Magnetfeldkomponente orthogonal zu den Torsionsfäden und dem
Stabmagnet berechnen.
Hier im Beispiel die Vertikalkomponente v.
Um die Horizontalkomponente h zu messen, wählt man eine horizontale
Aufhängung.
Das Protonenmagnetometer hingegen misst die Größe der Totalintensität
t.
Das Instrument besteht aus einem nichtmagnetischen Gefäß, das in den
meisten Fällen mit Petroleum oder auch Wasser gefüllt ist.
Beide enthalten viele Wasserstoffatome, die für die Messung notwendig
sind.
Um das Gefäß ist eine Spule angebracht, mit der zunächst ein starkes
Magnetfeld angelegt wird.
Dieses Feld richtet den Kernspinn der Protonen in die Richtung des
Magnetfeldes aus.
Dann wird das künstliche Magnetfeld entfernt und die Protonen sind nur
noch dem äußeren, zu messenden Magnetfeld ausgesetzt.
Die Protonenspins beginnen dann, um die Richtung des Erdmagnetfeldes
zu präzedieren, man könnte auch Kreiseln sagen, und induzieren eine
Spannung in der Spule, die gemessen werden kann.
Die Präzessionsfrequenz ist dabei proportional zur Stärke des
Magnetfeldes.
Die Messung mit dem Protonenmagnetometer ist sehr präzise und hat eine
Genauigkeit von etwa einem Nanotesla.
Auch dieses Verfahren ist nicht für kontinuierliche Messungen
geeignet, da die Protonenpräzession schnell abklingt.
Für kontinuierliche Messungen hingegen eignen sich zwei Instrumente,
die ich Ihnen jetzt vorstelle.
Das Fluxgate-Magnetometer und das Gradiometer.
Mit einem Fluxgate-Magnetometer kann man je nach Ausrichtung eine
Vektorkomponente des Magnetfeldes messen.
Mit einem künstlich angeregten Feld der Stärke h magnetisiert man zwei
Magnetspulenkerne aus Weicheisen.
Das tut man periodisch, immer bis zur Sättigung, also maximaler
magnetischer Flussdichte b.
Dabei sind beide Kerne jeweils von zwei Spulen entgegengesetzt
umwickelt.
Ohne äußeres Magnetfeld würden sich so die künstlich induzierten
Spannungen aufheben.
Anders sieht es aus, wenn ein äußeres Magnetfeld anliegt.
Dann erzeugt die Magnetfeldkomponente, die in Richtung der Kerne
zeigt, ein Signal proportional zum angelegten Feld.
Dadurch verschiebt sich der Nullpunkt der Magnetisierungskurve.
In den Phasen, in denen das angelegte Wechselfeld parallel zum äußeren
Feld ist, entsteht so ein resultierendes Magnetfeld, das durch eine
weitere Spule gemessen wird.
Sie umgibt beide Kerne und die inneren Spulen.
Das letzte Instrument, das ich Ihnen vorstelle, ist das Gradiometer.
Es enthält zwei Fluxgate-Magnetometer, die jeweils aus drei Sensoren
in den drei Raumrichtungen bestehen.
Die beiden Instrumente sind vertikal übereinander angeordnet.
Damit kann man nun Variationen in der Vertikalkomponente des
Magnetfeldes messen.
Eine magnetische Anomalie tief in der Erde erzeugt am oberen und
unteren Sensor sehr ähnliche Werte.
Die Differenz ist also klein.
Bei oberflächennahen Störkörpern hingegen ist der Unterschied größer.
Gradiometer sind also sehr sensitiv auf oberflächennahe Anomalien.
Ein Vorteil von solchen Gradientenmessungen ist, dass sich zeitliche
Änderungen des natürlichen Magnetfeldes nicht auf die Messungen
auswirken.
Gradiometermessungen eignen sich besonders gut zur großflächigen
Kartierung eines Untersuchungsgebiets.
Ich zeige Ihnen hier das Ergebnis einer Messung am Rande des alten
Flugplatzes in Karlsruhe.
Ziel der Messung war zu untersuchen, ob alte, anthropogene Strukturen
wie Fundamente damit aufzufinden sind.
Hier sehen Sie das kombinierte Ergebnis verschiedener
Gradiometermessungen.
Positive Anomalien sind in blau, negative in rot dargestellt.
Während im gesamten Bereich viele unkorrelierte Anomalien zu erkennen
sind, finden sich gerade im Südwesten des Geländes Strukturen, die von
den alten Flugzeughangars oder auch dem Fundament des Kontrollturms
hier stammen könnten.
Die Interpretation der gemessenen Magnetfeldanomalien ist wie bei
allen Potentialverfahren nicht eindeutig.
Ein und dasselbe Magnetfeld kann prinzipiell durch unendlich viele
verschiedene Untergrundmodelle erklärt werden.
Eine weitere Schwierigkeit bei Geomagnetikmessungen ist, dass die
gemessene Magnetisierung induziert oder remanent sein kann.
Um die möglichen Untergrundmodelle einzuschränken, ist es in jedem
Fall sinnvoll, die Messung mit weiteren Untersuchungsmethoden zu
kombinieren.
Dieses Beispiel aus der jüngeren Archäologie zeigt, wie sich mit
Geomagnetik Strukturen unter der Erde kartieren lassen, ohne sie zu
zerstören.
Daneben eignet sich die Geomagnetik sehr gut zum Auffinden
anthropogener Quellen wie Leitungen oder metallischer Wasserrohre zum
Beispiel.
Auch in der Deponierkundung oder der Untersuchung von Altlasten spielt
die Magnetik eine wichtige Rolle.
Natürliche Störkörper wie magnetische Intrusionen sind daneben auch
ein wichtiges Anwendungsgebiet der Geomagnetik.
In diesem Video habe ich Ihnen vier unterschiedliche Instrumente zur
Messung von Magnetfeldanomanien qualitativ vorgestellt.
Erstens das Torsionsmagnetometer, in dem ein Stabmagnet zwischen zwei
Torsionsfäden aufgehängt ist.
Zweitens das Protonmagnetometer, welches die Präzision des Protonspins
in Wasserstoffatomen nutzt.
Als drittes habe ich Ihnen das Fluxgate-Magnetometer vorgestellt, in
welchem Verschiebungen der Magnetisierungskurven ausgewertet werden.
Diese Sensoren werden auch im vierten Instrument, dem Gradiometer,
verwendet, das den vertikalen Gradienten des Magnetfeldes misst.
Am Beispiel des alten Flugplatzes in Karlsruhe haben Sie gesehen, wie
damit magnetische Anomalien in der Erde untersucht und lokalisiert
werden können.