Nukleare Geophysik meint jenen Teilbereich der Geophysik, der bei der Untersuchung der physikalischen Vorgänge und Eigenschaften der Atmosphäre, Hydrosphäre (Gewässer) und der festen Erde (Erdkruste) entweder kernphysikalische Prozesse oder Eigenschaften zum Gegenstand hat oder kernphysikalische Methoden einsetzt.
Besonders wichtig für Untersuchungen auf dem Gebiet der nuklearen Geophysik sind die folgenden Erscheinungen:
a) Radioaktivität: Kernarten, die unter Aussendung radioaktiver Strahlung in andere übergehen, können mittels ihres Zerfalls besonders gut nachgewiesen werden.
b) Isotopieeffekte: Atomkerne eines gegebenen Elements (bestimmte Ordnungszahl) können mit etwas unterschiedlichen Kernmassen auftreten. Die Isotope eines Elements stehen i.a. in fixen Mengenverhältnissen; Abweichungen können bewirkt werden, wenn eines der Isotope durch radioaktiven Zerfall zusätzlich produziert wird, oder wenn gewisse chemische Prozesse (z.B. Photosynthese) oder physikalische Vorgänge (z.B. Schmelzen, Verdampfen) einen Isotopentrenneffekt aufgrund des Massenunterschieds bewirken.
c) Kernreaktionen: Teilchen der kosmischen Strahlung reagieren mit Atomkernen in Atmosphäre, Erdkruste und Gewässern. Die dabei produzierten Kerne, darunter oft radioaktive Isotope, nennt man kosmogene (Radio-)Nuklide.
Beispiele für Anwendung dieser Effekte
Die Verfolgung von radioaktiven Atomen in Substanzen (z.B. Tritium von den Kernwaffentests in Wassermolekülen der Ozeane) läßt Schlüsse auf Bewegungsvorgänge zu, z.B. die Zirkulationsmuster der Meere. Eine solche radioaktive Markierung wird auch gezielt zum Studium von Transportphänomenen eingesetzt (Tracing).
Methoden der physikalischen Altersbestimmung (radiometrische Datierung) beruhen auf dem Zerfall von natürlich vorkommenden radioaktiven Kernen und messen entweder den Schwund an Mutterkernen (14C ® 14N, Halbwertszeit 5730 Jahre; "Radiokarbonmethode") oder den Zuwachs an Tochterkernen (z.B. 40K ® 40Ar, Halbwertszeit 1.25 Milliarden Jahre). Altersbestimmung von Bestandteilen von Gesteinen, Eisbohrkernen, Gewässern, Böden etc. (Geochronologie) wird eingesetzt zum Studium der Vergangenheit der irdischen Umwelt (Paläoökologie). Eine spezielle Anwendung der 14C-Datierung auf eine geophysikalische Problemstellung ist die Messung des mittleren zeitlichen Abstands von Erdbeben durch Altersbestimmung der verworfenen Platten.
Im Erdinnern befinden sich mehrere langlebige Radionuklide (40K, 235,238U, 232Th). Da beim radioaktiven Zerfall Energie frei wird, bewirken sie eine Aufheizung des Erdinnern und dadurch die Bewegungen des Materials des Erdmantels.
Isotopenverhältnisse können experimentell bestimmt werden (Massenspektrometrie, insbesondere Beschleunigermassenspektrometrie). Dies läßt Schlüsse auf die Prozesse zu, die die Isotopenverhältnisse bestimmt haben (Isotopengeologie). Z.B. führt die Fällung von Kalziumkarbonat aus Wasser zu einer Verschiebung des Isotopenverhältnisses von Sauerstoff im Karbonat. Da Fällung ein temperaturabhängiger Prozeß ist, kann die Messung von Sauerstoffisotopenverhältnissen in Meeressedimenten zu einer Ermittlung von Temperaturänderungen der Ozeane im Verlauf der geologischen Vergangenheit führen.
