地球物理学
地球物理学（英语：geophysics）是透过定量物理方法研究地球的自然科学学科。通常使用地震波、重力、电磁、地热和放射能等方法。狭义的地球物理学专指地质学上的应用，包括地球的形状; 重力场和磁场; 内部结构和组成; 动力学和板块构造; 岩浆的产生; 火山活动和岩石形成等[1]。不过现代地球物理学组织使用更广泛的定义，包括了冰和水在内的水循环； 海洋和大气的流体动力学; 电离层和磁层中的电磁特性与日地关系; 以及月球和其他行星相关的类似问题[1][2][3]。
虽然地球物理学在19世纪才被认为是一门独立的学科，但起源可以追溯到古代。最早人类开始以天然磁石制作成指南针。公元132年张衡建立了第一台检验地震的仪器。艾萨克·牛顿将他的力学理论应用于潮汐和岁差，并开发了仪器来测量地球的形状、密度和重力场，以及水循环的流程。 20世纪以来，发展出使用远距离探测固体地球和海洋的地球物理学方法，地球物理学对于板块构造理论的发展影响相当大。
地球物理学有许多对于社会需求的应用，如矿产资源、自然灾害预防和环境保护[2] 。地球物理勘测数据则用于分析潜藏的油气和矿脉; 地下水层定位;寻找考古遗迹;确定冰川和土壤的厚度;评估环境复育的场址等等。
发展历史 编辑
地球物理学在19世纪才出现，由自然地理学、地质学、天文学、气象学和物理学的角度出发[4][5]。然而自古以来，人类已经对地磁、地震等许多地球物理现象进行了探讨。
古代 编辑
公元前240年，昔兰尼的埃拉托斯特尼推断地球是圆的，并使用三角学和夏至太阳在埃及两地的角度测量出地球的周长。他也设计出经度、纬度系统[6]。公元132年，发明家张衡发明了世界上最早的验震器[7]，或许是关于地震最早的研究。欧洲在1571年后，才由欧特费尔提出地震仪的设计，但并没有建成[8]。
世界上最早记载关于使用天然磁石制成的指南针，出现在北宋沈括《梦溪笔谈》。欧洲第一个关于指南针的纪录则是在1190年[9]。
现代科学的开始 编辑
威廉·吉尔伯特1600年出版的《论磁石》标志着现代科学的开始。提出一系列精细的磁力实验报告后，吉尔伯特推测，指南针指向北，是因为地球本身就有磁性[10]。1687年，艾萨克·牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，不仅为古典力学和引力奠定了基础，也解释各种地球物理现象，如潮汐和岁差[11]。詹姆斯·福布斯于1844年建造了第一台地震仪，能够持续地记录地震活动[8]。
方法 编辑
大地测量 编辑
地球物理测量是在特定时间、地点，精确测量位置、大地形变以及重力，属于大地测量学领域。大地测量学与地球物理学是两个各自独立，但彼此关系密切的领域，许多科学组织，如美国地球物理联盟（AGU）、加拿大地球物理联盟（AGU）和国际大地测量学与地球物理学联合会（IUGG）都同时包含这两者[12] 。要获得地表绝对位置最普遍的方式是透过全球定位系统（GPS），由4个以上的人造卫星资讯并参考1980年国际地球原子参数（GRS80）计算得到3维位置。另外也有大地天文学方法，结合天文坐标和局部重力向量来获得大地坐标。此方法只提供两个坐标位置，比GPS的使用更为困难。但它可以用于测量地球的运动，如章动和钱德勒摆动。两点或多点的相对位置可以使用甚长基线干涉测量决定[12][13][14]。
重力测量因为需要相关的地表测量做为参考座标，也属于大地测量的一部分。对于陆地的重力测量可以使用地面或直升机上的重力仪。从1960年代开始，地球重力场可以通过分析人造卫星的运动来推算。海平面也可以通过使用卫星上的雷达高度计来测量，有助于建立更准确的大地水准面[12]。2002年，美国国家航空航天局发射了重力回复及气候实验卫星（GRACE），以一对双卫星通过GPS和微波测距系统测量两颗卫星之间的距离，来获得精确度的地球重力场变化。 GRACE检测到的重力变化包括由洋流变化引起的重力变化; 径流和地下水耗尽; 融化的冰盖和冰川[15]。
人造卫星和太空探测器 编辑
太空中的人造卫星除了使用可见光，也可以使用其他电磁频谱进行观测。地球物理学和太空物理学研究每个行星独特的重力场和磁场。测量航天器在轨道上经历的加速度变化，可以绘制行星重力场的细节。例如在1970年代，透过月球轨道测量月海上方的重力场扰动，发现在了在雨海、澄海、危海、神酒海和湿海盆地下方，存在有质量异常集中的质量瘤[16]。
地球物理学分支 编辑
地球物理学包括许多分支。固体地球物理学同样是使用多种传统物理学方法，但研究目的不同。主要是研究地球内部结构及其起源、演化并预测其发展。例如预报天然地震即是固体地球物理学的重要研究课题之一。勘测地球物理学是使用地震、重力、磁、电和电磁等的方法来寻找石油、天然气、矿石、水等等具有经济开发价值的物体[17]。
参见 编辑
注解 编辑
- ^ 1.0 1.1 Sheriff 1991
- ^ 2.0 2.1 IUGG 2011
- ^ AGU 2011
- ^ Hardy & Goodman 2005
- ^ Schröder, W. History of geophysics. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 2010, 45 (2): 253–261. doi:10.1556/AGeod.45.2010.2.9.
- ^ Eratosthenes 2010
- ^ Temple 2006，第177–181页
- ^ 8.0 8.1 Dewey & Byerly 1969
- ^ Temple 2006，第162–166页
- ^ Merrill, McElhinny & McFadden 1996
- ^ Newton 1999 Section 3
- ^ 12.0 12.1 12.2 National Research Council (U.S.). Committee on Geodesy 1985
- ^ Defense Mapping Agency 1984
- ^ Torge 2001
- ^ CSR 2011
- ^ Muller & Sjogren 1968
- ^ 什麼是「地球物理」(GEOPHYSICS)？. 台湾的活动断层. 经济部中央地质调查所. [2017-09-10]. （原始内容存档于2017-09-10） （中文（台湾））.
参考文献 编辑
- American Geophysical Union. Our Science. About AGU. 2011 [September 2011]. （原始内容存档于2013-03-18）.
- About IUGG. 2011 [September 2011]. （原始内容存档于2017-07-02）.
- Dewey, James; Byerly, Perry. The Early History of Seismometry (to 1900). Bulletin of the Seismological Society of America. 1969, 59 (1): 183–227 [2017-07-15]. （原始内容存档于2011-11-23）.
- GRACE: Gravity Recovery and Climate Experiment. University of Texas at Austin Center for Space Research. 2011 [September 2011]. （原始内容存档于2009-12-01）.
- Defense Mapping Agency. Geodesy for the Layman (技术报告). National Geospatial-Intelligence Agency. 1984 [1959] [September 2011]. TR 80-003. （原始内容存档于2017-03-11）.
- Eratosthenes. Eratosthenes' "Geography". Fragments collected and translated, with commentary and additional material by Duane W. Roller. Princeton University Press. 2010. ISBN 978-0-691-14267-8.
- Hardy, Shaun J.; Goodman, Roy E. Web resources in the history of geophysics. American Geophysical Union. 2005 [September 2011]. （原始内容存档于2013-04-27）.
- Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle. International Geophysics Series 63. Academic Press. 1998. ISBN 978-0124912458.
- Muller, Paul; Sjogren, William. Mascons: lunar mass concentrations. Science. 1968, 161 (3842): 680–684. Bibcode:1968Sci...161..680M. PMID 17801458. doi:10.1126/science.161.3842.680.
- National Research Council (U.S.). Committee on Geodesy. Geodesy: a look to the future (pdf) (报告). National Academies. 1985 [2017-07-15]. （原始内容存档 (PDF)于2017-04-29）.
- Newton, Isaac. The Principia, Mathematical principles of natural philosophy. A new translation by I Bernard Cohen and Anne Whitman, preceded by "A Guide to Newton's Principia" by I Bernard Cohen. University of California Press. 1999. ISBN 978-0-520-08816-0.
- Sheriff, Robert E. Geophysics. Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics 3rd. Society of Exploration. 1991. ISBN 978-1-56080-018-7.
- Temple, Robert. The Genius of China. Andre Deutsch. 2006. ISBN 0-671-62028-2.
- Torge, W. Geodesy 3rd. Walter de Gruyter. 2001. ISBN 0-89925-680-5.