Die Hintergrundeigenschwingungen der Erde

Abstract

Gegenstand der Arbeit sind die Hintergrundeigenschwingungen der Erde. Das Ziel war es, die Ursachen der permanenten Anregung der sphäroidalen Fundamentalmoden zu ermitteln, die auch zu Zeiten ohne starke Erdbeben nachgewiesen werden kann. Dies sollte durch die Analyse seismischer Daten geschehen, wobei der Schwerpunkt auf der Anwendung von Methoden der Array-Seismologie - z.B. der Frequenz-Wellenzahl-Analyse - auf die Daten seismischer Breitbandnetzwerke liegen sollte. Die Untersuchung der mit dem German Regional Seismic Network und zwei weiteren Netzwerken in Japan und Kalifornien aufgezeichneten vertikalen Daten ergab, daß die den Hintergrundeigenschwingungen entsprechenden Hintergrund-Rayleigh-Wellen im regelmäßigen jahreszeitlichen Wechsel ihre dominante Ausbreitungsrichtung ändern. Im Nordwinter kamen die stärksten Rayleigh-Wellen aus dem Nordpazifik, im Südwinter aus dem Südatlantik und dem Indischen Ozean. Dies deutet darauf hin, daß die Hintergrundeigenschwingungen ihren Ursprung in den Ozeanen haben. Der Nachweis der Anregung langperiodischer Rayleigh-Wellen im direkten Zusammenhang mit Stürmen über dem Nordatlantik unterstreicht dies. Im Rahmen dieser Arbeit wurde entdeckt, daß neben den sphäroidalen auch die toroidalen Fundamentalmoden permanent angeregt sind. Da alle bisher für die permanente Anregung der fundamentalen Sphäroidalmoden in Betracht gezogenen Modellvorstellungen auf Druckkräften basieren, diese aber wohl nicht in der Lage sind, wie beobachtet zu gleichen Teilen sphäroidale und toroidale Moden anzuregen, erfordert diese Entdeckung ein Umdenken bei der Suche nach den Ursachen. Eine detailliertere Untersuchung der toroidalen Hintergrundeigenschwingungen und ihrer Quellen konnte, da die toroidalen Hintergrundeigenschwingungen im Gegensatz zu den sphäroidalen nur in den mit einem wesentlich höheren Rauschpegel belegten horizontalen seismischen Daten nachweisbar sind, nicht durchgeführt werden.

The subject of this thesis are the background oscillations of the Earth. The aim of the presented work was to identify the sources of the continuous excitation of spheroidal fundamental modes which can be observed even in the abscence of strong earthquakes. This should be done by analyzing seismic data, in particluar by applying methods of array seismology, e.g., the frequency-wavenumber analysis, to the data of broadband seismic networks. The analysis of vertical data obtained from the German Regional Seismic Network and two networks in Japan and California showed that the dominant propagation directions of the background Rayleigh waves which make up the background oscillations change regularly with the seasons. During northern winter, the strongest Rayleigh waves came from the Northern Pacific, during southern winter from the Southern Atlantic and the Indian Ocean. This argues for an oceanic excitation of the background oscillations, and evidences of the excitation of long-period Rayleigh waves during large storms over the Northern Atlantic further corroborate this assumption. In the course of this work, it was discovered that not only the spheroidal but also the toroidal fundamental modes are permanently excited. All theoretical models for the permanent excitation of spheroidal modes considered before were based on pressure forces. Since such forces, however, seem to be incapable of exciting spheroidal and toroidal modes with equal amplitudes as it is observed, new source models are required. In contrast to the spheroidal background oscillations, the toroidal ones can only be observed in horizontal seismic data which show much higher noise levels compared to vertical data. Therefore, a more detailed analysis of the toroidal background oscillations and their sources could not be performed.