地球物理学

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
false color image
海床年代。定年資訊大部分來自於磁異常

地球物理学英语:Geophysics)是透過定量物理方法研究地球自然科學学科。通常使用地震波重力电磁地熱放射能等方法。狹義的地球物理學專指地質學上的應用,包括地球的形狀; 重力場和磁場; 內部結構和組成; 動力學和板塊構造; 岩漿的產生; 火山活動和岩石形成等[1]。不過現代地球物理學組織使用更廣泛的定義,包括了冰和水在內的水循環; 海洋和大氣的流體動力學; 電離層磁層中的電磁特性與日地關係; 以及月球和其他行星相關的類似問題[1][2][3]

雖然地球物理學在19世紀才被認為是一門獨立的學科,但起源可以追溯到古代。最早人類開始以天然磁石製作成指南針。公元132年張衡建立了第一台檢驗地震的儀器。艾薩克·牛頓將他的力學理論應用於潮汐歲差,並開發了儀器來測量地球的形狀、密度和重力場,以及水循環的流程。 20世紀以來,發展出使用遠距離探測固體地球和海洋的地球物理學方法,地球物理學對於板塊構造理論的發展影響相當大。

地球物理學有許多對於社會需求的應用,如礦產資源自然災害預防和環境保護[2] 。地球物理勘測數據則用於分析潛藏的油氣和礦脈; 地下水層定位;尋找考古遺跡;確定冰川土壤的厚度;評估環境復育英语environmental remediation的場址等等。

發展歷史[编辑]

地震學家約翰·米爾恩英语John Milne構想的古代中國候風地動儀外形。

地球物理學在19世紀才出現,由自然地理學地質學天文學氣象學物理學的角度出發[4][5]。然而自古以來,人類已經對地磁地震等許多地球物理現象進行了探討。

古代[编辑]

公元前240年,昔蘭尼埃拉托斯特尼推斷地球是圓的,並使用三角學夏至太陽在埃及兩地的角度測量出地球的周長。他也設計出經度緯度系統[6]。公元132年,發明家張衡發明了世界上最早的驗震器[7],或許是關於地震最早的研究。歐洲在1571年後,才由歐特費爾英语Jean de Hautefeuille提出地震儀的設計,但並沒有建成[8]

世界上最早記載關於使用天然磁石製成的指南針,出現在北宋沈括夢溪筆談》。歐洲第一個關於指南針的紀錄則是在1190年[9]

現代科學的開始[编辑]

威廉·吉爾伯特1600年出版的《論磁石》標誌著現代科學的開始。提出一系列精細的磁力實驗報告後,吉爾伯特推測,指南針指向北,是因為地球本身就有磁性[10]。1687年,艾薩克·牛頓發表了《自然哲學的數學原理》,不僅為古典力學引力奠定了基礎,也解釋各種地球物理現象,如潮汐歲差[11]詹姆斯·福布斯英语James Forbes於1844年建造了第一台地震儀,能夠持續地記錄地震活動[8]

方法[编辑]

大地測量[编辑]

地球物理測量是在特定時間、地點,精確測量位置、大地形變以及重力,屬於大地測量學領域。大地測量學與地球物理學是兩個各自獨立,但彼此關係密切的領域,許多科學組織,如美國地球物理聯盟(AGU)、加拿大地球物理聯盟(AGU)和國際大地測量學與地球物理學聯合會(IUGG)都同時包含這兩者[12] 。要獲得地表絕對位置最普遍的方式是透過全球定位系統(GPS),由4個以上的人造衛星資訊並參考1980年國際地球原子參數英语Geodetic Reference System 1980(GRS80)計算得到3維位置。另外也有大地天文學英语Geodetic astronomy方法,結合天文坐標和局部重力向量來獲得大地坐標。此方法只提供兩個坐標位置,比GPS的使用更為困難。但它可以用於測量地球的運動,如章動錢德勒擺動。兩點或多點的相對位置可以使用甚長基線干涉測量決定[12][13][14]

重力測量因為需要相關的地表測量做為參考座標,也屬於大地測量的一部份。對於陸地的重力測量可以使用地面或直昇機上的重力儀英语Gravimeter。從1960年代開始,地球重力場可以通過分析人造衛星的運動來推算。海平面也可以通過使用衛星上的雷達高度計來測量,有助於建立更準確的大地水準面[12]。2002年,美國國家航空暨太空總署發射了重力回復及氣候實驗衛星(GRACE),以一對雙衛星通過GPS和微波測距系統測量兩顆衛星之間的距離,來獲得精確度的地球重力場變化。 GRACE檢測到的重力變化包括由洋流變化引起的重力變化; 徑流和地下水耗盡; 融化的冰蓋冰川[15]

人造衛星和太空探測器[编辑]

太空中的人造衛星除了使用可見光,也可以使用其他電磁頻譜進行觀測。地球物理學和太空物理學研究每個行星獨特的重力場磁場。測量航天器在軌道上經歷的加速度變化,可以繪製行星重力場的細節。例如在1970年代,透過月球軌道測量月海上方的重力場擾動,發現在了在雨海澄海危海神酒海濕海盆地下方,存在有質量異常集中的質量瘤[16]

地球物理學分支[编辑]

地球物理學包括許多分支。固體地球物理学同樣是使用多種傳統物理學方法,但研究目的不同。主要是研究地球內部結構及其起源、演化并預測其發展。例如預報天然地震即是固體地球物理學的重要研究課題之一。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等等具有经济开发价值的物体。

参見[编辑]

注解[编辑]

參考文獻[编辑]