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Lexikon der Physik: Isostasie

Isostasie, das gravitative Gleichgewicht großer Teile der Erdkruste, welche auf dem dichteren Material des nachgiebigen obersten Erdmantels, der Asthenosphäre, ›schwimmen‹. Eine diesbezügliche Theorie wurde abgeleitet aus der astronomisch-geodätischen Vermessung der Erde am Rand von Gebirgsmassiven, beispielsweise der Anden, durch Pierre Bouguer 1735 bis 1745, bei der die durch die Massenanziehung des Gebirgskörpers bedingte Lotabweichung geringer ausfiel als aus der Gebirgsmasse zu erwarten wäre. 1855 schlossen J.H. Pratt und Sir George Airy hieraus auf ein Dichtedefizit im Untergrund der Gebirge und stellten zwei separate Hypothesen zur Erklärung dieses Effektes auf, für den 1889 erstmals der Begriff Isostasie verwendet wurde. Dabei entspricht das Massendefizit im Untergrund etwa der Masse des aufsitzenden Gebirgskörpers und folgt damit dem Archimedischen Prinzip, nach dem ein in einer ruhenden Flüssigkeit schwimmender Körper ein seiner Masse äquivalentes Flüssigkeitsvolumen verdrängt. Dieses Prinzip läßt sich auf die Lithosphäre und die in ihr enthaltenen Gebirgsmassive übertragen, die im isostatischen Gleichgewicht bis zu einer sogenannten Ausgleichstiefe in das dichtere Material der Asthenosphäre eingesunken ist. Außer in geodynamisch aktiven Zonen der Erde (Plattentektonik, globale), in denen es zu keinem isostatischen Ausgleich kommt (isostatische Schwereanomalien), wird unterhalb der Ausgleichstiefe der Auflastdruck pro Flächeneinheit nur noch durch seine hydrostatische Komponente bestimmt. Diese weniger dichte ›Gebirgswurzel‹ stellt damit gegenüber dem umgebenden dichteren Mantelmaterial ein Massendefizit dar und trägt durch ihren Auftrieb die herausragenden Gebirgsteile.

Nach Pratt besitzt ein Gebirgskörper eine einheitliche Ausgleichstiefe. Die unterschiedliche Höhe einzelner Gebirgsteile beruht dann auf stoff- und temperaturbedingten Dichtevariationen im Material (siehe Abb. 1). Airy dagegen nimmt für die ›schwimmende‹ Kruste eine einheitliche Dichte an, wodurch, ähnlich einem Eisberg, höheres Herausragen einzelner Gebirgsteile durch gleichzeitiges tieferes Eintauchen kompensiert wird (siehe Abb. 2).

In der Natur finden sich Hinweise auf beide Modelle. Aus seismischen Krustenuntersuchungen (Seismologie) ist ersichtlich, daß, im Sinne von Airy, die Kruste-Mantel-Grenze in ihrer Tiefenlage in groben Zügen ein Spiegelbild der Oberflächentopographie mit mächtigen Wurzeln unter den jungen Gebirgszügen (z.B. 50-60 km unter den Alpen) und dünner Kruste unter den Ozeanen liefert. Es gibt jedoch, z.B. in Kanada, auch starke Variationen der Krustenmächtigkeit ohne eine Entsprechung im topographischen Relief. Dort müssen zusätzlich laterale Dichtevariationen (Pratt-Modell) zur Isostasie beitragen. Isostatische Ausgleichsbewegungen fanden und finden auch im Zuge des eiszeitlichen Auf- und Abbaus von Gletschermassen statt. So hat sich Skandinavien seit dem Abschmelzen der letzten Inlandsvereisungen vor etwa 10 000 Jahren um etwa 270 m gehoben. Dieser Prozeß, der als postglaziale Hebung bezeichnet wird, findet heute noch statt. Im Zentralbereich des Bottnischen Meerbusens wird z.B. eine Hebung von 1 cm pro Jahr beobachtet, was dort vermutlich zu einer weiteren Hebung von etwa 250 m führen wird.



Isostasie 1: Modell des isostatischen Ausgleichs nach Pratt: Die unterschiedliche Höhe einzelner Gebirgsteile auf einer einheitlichen Basis beruht auf Dichteunterschieden im Material.



Isostasie 2: Modell des isostatischen Ausgleichs nach Airy: Die unterschiedliche Höhe einzelner Gebirgsteile mit gleicher Dichte beruht auf unterschiedlich tiefem Eintauchen der Säulen in das Untergrundmaterial.

Copyright 1998 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg
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Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
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Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
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Natalie Fischer, Dossenheim [NF] (A) (32)
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Thomas Fuhrmann, Heidelberg [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Heidelberg [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22; Essay Datenverarbeitungssysteme künftiger Hochenergie- und Schwerionen-Experimente)
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Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
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Uwe Grigoleit, Göttingen [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (A, B) (01, 16; Essay Dichtefunktionaltheorie)
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Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09; Essay Akustik)
Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
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Cand. Phys. Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
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Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
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Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29; Essay Atmosphäre)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Markus Wenke, Heidelberg [MW3] (A) (15)
Prof. Dr. David Wineland, Boulder, USA [DW] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Harald Wirth, Saint Genis-Pouilly, F [HW1] (A) (20)Steffen Wolf, Freiburg [SW] (A) (16)
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Mitarbeiter Band IV

Dr. Ulrich Kilian (verantwortlich)
Christine Weber

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Matthias Beurer

Physikhistorische Beratung:

Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin

Autoren (A) und Berater (B):

In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
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Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
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Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
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Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
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Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
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Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
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Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
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Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
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Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
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Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
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Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
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Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
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