Физика Земли и околоземного пространства

Введение

Физика Земли и её окрестностей

Геофизика ( /dʒ//iː//oʊ/'/f//ɪ//z//ɪ//k//s/) – это область естественных наук, изучающая физические процессы и физические свойства Земли и окружающего космического пространства, а также использующая количественные методы для их анализа. Геофизики, как правило, изучают геофизику, физику или одну из наук о Земле на уровне магистратуры или аспирантуры, и проводят исследования в широком спектре научных дисциплин. Классически термин «геофизика» относится к применению в изучении твердой Земли: формы Земли; её гравитационных, магнитных и электромагнитных полей; внутренней структуры и состава; динамики и её проявлений на поверхности в виде тектоники плит, образования магмы, вулканизма и образования горных пород. Однако современные геофизические организации и ученые используют более широкое определение, которое включает в себя круговорот воды, включая снег и лёд; динамику жидкостей океанов и атмосферы; электричество и магнетизм в ионосфере и магнитосфере, а также физику Солнечно-Земных взаимодействий; и аналогичные задачи, связанные с Луной и другими планетами. Хотя геофизика была признана самостоятельной дисциплиной только в XIX веке, её истоки уходят в древние времена. Первые магнитные компасы изготавливались из магнетита, а более современные магнитные компасы сыграли важную роль в истории навигации. Первый сейсмический прибор был создан в 132 году нашей эры. Исаак Ньютон применил свою теорию механики к изучению приливов и прецессии равноденствий; были разработаны инструменты для измерения формы Земли, её плотности и гравитационного поля, а также компонентов круговорота воды. В XX веке были разработаны геофизические методы для дистанционного изучения твердой Земли и океана, и геофизика сыграла важную роль в развитии теории тектоники плит. Геофизика применяется для решения социально значимых задач, таких как поиск минеральных ресурсов, смягчение последствий природных катастроф и защита окружающей среды. Гравитационные силы вызывают давление горных пород на более глубокие слои, увеличивая их плотность с глубиной. Измерения гравитационного ускорения и гравитационного потенциала на поверхности Земли и над ней могут использоваться для поиска месторождений полезных ископаемых (см. гравитационные аномалии и гравиметрию). Основными источниками тепла являются: первобытное тепло, выделяющееся при охлаждении Земли, и радиоактивный распад в верхней коре планеты. Вклад вносят также фазовые переходы. Тепло в основном переносится к поверхности посредством тепловой конвекции, хотя существуют два тепловых пограничных слоя – граница ядра и мантии и литосфера – в которых тепло переносится посредством теплопроводности. Часть тепла поднимается снизу мантии в виде мантийных плюмов. Тепловой поток на поверхности Земли составляет около 4,2 × 10^(13) Вт, что является потенциальным источником геотермальной энергии.

Geophysics (,/dʒ//iː//oʊ/'/f//ɪ//z//ɪ//k//s/) is a subject of natural science concerned with the physical processes and physical properties of the Earth and its surrounding space environment, and the use of quantitative methods for their analysis. Geophysicists, who usually study geophysics, physics, or one of the Earth sciences at the graduate level, complete investigations across a wide range of scientific disciplines. The term geophysics classically refers to solid earth applications: Earth's shape; its gravitational, magnetic fields, and electromagnetic fields ; its internal structure and composition; its dynamics and their surface expression in plate tectonics, the generation of magmas, volcanism and rock formation. However, modern geophysics organizations and pure scientists use a broader definition that includes the water cycle including snow and ice; fluid dynamics of the oceans and the atmosphere; electricity and magnetism in the ionosphere and magnetosphere and solar terrestrial physics; and analogous problems associated with the Moon and other planets. Although geophysics was only recognized as a separate discipline in the 19th century, its origins date back to ancient times. The first magnetic compasses were made from lodestones, while more modern magnetic compasses played an important role in the history of navigation. The first seismic instrument was built in 132 AD. Isaac Newton applied his theory of mechanics to the tides and the precession of the equinox; and instruments were developed to measure the Earth's shape, density and gravity field, as well as the components of the water cycle. In the 20th century, geophysical methods were developed for remote exploration of the solid Earth and the ocean, and geophysics played an essential role in the development of the theory of plate tectonics. Geophysics is applied to societal needs, such as mineral resources, mitigation of natural hazards and environmental protection. Gravitational forces make rocks press down on deeper rocks, increasing their density as the depth increases. Measurements of gravitational acceleration and gravitational potential at the Earth's surface and above it can be used to look for mineral deposits (see gravity anomaly and gravimetry). The main sources of heat are: primordial heat due to Earth's cooling and radioactivity in the planets upper crust. There is also some contributions from phase transitions. Heat is mostly carried to the surface by thermal convection, although there are two thermal boundary layers – the core–mantle boundary and the lithosphere – in which heat is transported by conduction. Some heat is carried up from the bottom of the mantle by mantle plumes. The heat flow at the Earth's surface is about 4.2 × 10^(13) W, and it is a potential source of geothermal energy.

Вибрации

Сейсмические волны – это колебания, распространяющиеся внутри Земли или по её поверхности. Вся Земля также может колебаться в формах, называемых нормальными модами или свободными колебаниями Земли. Сейсмографы используются для измерения колебаний грунта, вызванных волнами или нормальными модами. Если волны исходят от локализованного источника, такого как землетрясение или взрыв, измерения в нескольких точках могут быть использованы для определения местоположения источника. Расположение землетрясений предоставляет информацию о тектонике плит и конвекции в мантии. Регистрация сейсмических волн от искусственных источников позволяет получить информацию о среде, через которую они распространяются. При изменении плотности или состава горных пород волны отражаются. Отражения, зарегистрированные методами сейсморазведки отражением, дают обширную информацию о строении земной коры на глубине до нескольких километров и используются для углубления понимания геологии, а также для поиска нефти и газа. Изменения в направлении распространения волн, называемые преломлением, позволяют судить о глубоком строении Земли.

Электричество

Хотя мы замечаем электричество в основном во время гроз, у поверхности Земли всегда присутствует направленное вниз электрическое поле, которое в среднем составляет 120 вольт на метр. Ионизация атмосферы планеты, по отношению к твердой Земле, является результатом проникновения в нее галактических космических лучей, что придает ей общий положительный заряд. В глобальной электрической цепи протекает ток около 1800 ампер. Распределение плотности телюрического тока может быть использовано для выявления изменений электрического сопротивления подземных структур. Геофизики также могут создавать электрический ток искусственно (см. индуцированную поляризацию и электротомографию сопротивления).

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны возникают в ионосфере и магнитосфере, а также во внешнем ядре Земли. Считается, что «хор рассвета» вызывается высокоэнергетическими электронами, захваченными в радиационный пояс Ван Аллена. Свисты генерируются ударами молний. Шипение может быть вызвано как тем, так и другим. Электромагнитные волны также могут генерироваться землетрясениями (см. сейсмоэлектромагнетизм). В высокопроводящем жидком железе внешнего ядра магнитные поля генерируются электрическими токами посредством электромагнитной индукции. Волны Альфвена – это магнитогидродинамические волны в магнитосфере или ядре Земли. В ядре они, вероятно, оказывают незначительное наблюдаемое влияние на магнитное поле Земли, но более медленные волны, такие как магнитные волны Россби, могут быть одним из источников геомагнитных секулярных изменений. Электромагнитные методы, используемые для геофизических исследований, включают временную электромагнитную разведку, магнитотеллурику, поверхностный ядерный магнитный резонанс и электромагнитное каротажное исследование морского дна.

Магнетизм

Магнитное поле Земли защищает планету от смертоносного солнечного ветра и издавна используется для навигации. Оно возникает в результате движений жидкости во внешнем ядре Земли. Поле Земли в общих чертах напоминает наклонный диполь, но со временем изменяется (это явление называется геомагнитными секулярными вариациями). В основном геомагнитный полюс остаётся вблизи географического полюса, однако через случайные промежутки времени, в среднем от 440 000 до миллиона лет, происходит переполюсировка магнитного поля Земли. Эти геомагнитные переполюсовки, анализируемые в рамках шкалы геомагнитной полярности, содержат 184 интервала полярности за последние 83 миллиона лет, с изменением частоты с течением времени. Самый последний краткий полный переход, связанный с событием Лашампа, произошёл 41 000 лет назад во время последнего ледникового периода. Геологи наблюдают записи геомагнитных переполюсовок в вулканических породах, используя корреляцию магнитостратиграфии (см. естественную остаточную намагниченность), и их проявление можно увидеть в виде параллельных линейных полос магнитных аномалий на дне океана. Эти полосы предоставляют количественную информацию о расширении морского дна, являющемся частью тектоники плит. Они служат основой магнитостратиграфии, которая сопоставляет магнитные переполюсовки с другими стратиграфическими данными для построения геологических временных шкал. Кроме того, намагниченность горных пород может быть использована для измерения движения континентов. Основными теплообразующими изотопами являются калий-40, уран-238, уран-235 и торий-232. Радиоактивные элементы используются для радиометрического датирования – основного метода установления абсолютной временной шкалы в геохронологии. Нестабильные изотопы распадаются с предсказуемой скоростью, а скорости распада различных изотопов охватывают несколько порядков величины, поэтому радиоактивный распад позволяет точно датировать как недавние события, так и события в прошлые геологические эпохи. Радиометрическое картирование с использованием наземной и аэрогаммаспектрометрии позволяет картировать концентрацию и распределение радиоизотопов вблизи поверхности Земли, что полезно для картирования литологии и изменений в составе пород.

The Earth's magnetic field protects the Earth from the deadly solar wind and has long been used for navigation. It originates in the fluid motions of the outer core. The Earth's field is roughly like a tilted dipole, but it changes over time (a phenomenon called geomagnetic secular variation). Mostly the geomagnetic pole stays near the geographic pole, but at random intervals averaging 440,000 to a million years or so, the polarity of the Earth's field reverses. These geomagnetic reversals, analyzed within a Geomagnetic Polarity Time Scale, contain 184 polarity intervals in the last 83 million years, with change in frequency over time, with the most recent brief complete reversal of the Laschamp event occurring 41,000 years ago during the last glacial period. Geologists observed geomagnetic reversal recorded in volcanic rocks, through magnetostratigraphy correlation (see natural remanent magnetization) and their signature can be seen as parallel linear magnetic anomaly stripes on the seafloor. These stripes provide quantitative information on seafloor spreading, a part of plate tectonics. They are the basis of magnetostratigraphy, which correlates magnetic reversals with other stratigraphies to construct geologic time scales. In addition, the magnetization in rocks can be used to measure the motion of continents. The main heat producing isotopes are potassium 40, uranium 238, uranium 235, and thorium 232. Radioactive elements are used for radiometric dating, the primary method for establishing an absolute time scale in geochronology. Unstable isotopes decay at predictable rates, and the decay rates of different isotopes cover several orders of magnitude, so radioactive decay can be used to accurately date both recent events and events in past geologic eras. Radiometric mapping using ground and airborne gamma spectrometry can be used to map the concentration and distribution of radioisotopes near the Earth's surface, which is useful for mapping lithology and alteration.

Динамика жидкостей

Движения жидкости происходят в магнитосфере, атмосфере, океане, мантии и ядре. Даже мантия, несмотря на огромную вязкость, течет как жидкость на протяжении длительных промежутков времени. Этот поток проявляется в таких явлениях, как изостазия, постледниковый подъем суши и мантийные плюмы. Поток в мантии приводит в движение тектонику плит, а поток в ядре Земли – геодинамо. В ядре Земли циркуляция расплавленного железа организована в колонны Тейлора. Его физические свойства формируют гидросферу и являются важнейшей частью водного цикла и климата. Его термодинамические свойства определяют испарение и тепловой градиент в атмосфере. Различные типы осадков включают сложную комбинацию процессов, таких как коалесценция, переохлаждение и пересыщение. Часть выпавших осадков становится грунтовыми водами, а течение грунтовых вод включает явления, такие как фильтрация, при этом электропроводность воды делает электрические и электромагнитные методы полезными для отслеживания движения грунтовых вод. Физические свойства воды, такие как соленость, оказывают значительное влияние на ее движение в океанах.

Размер и форма Земли

Вопреки распространенному мнению, Земля не является полностью сферической, а обычно имеет эллипсоидную форму, являющуюся результатом центробежных сил, возникающих из-за постоянного движения планеты. Эти силы вызывают выпуклость диаметра планеты в районе экватора, формируя эллипсоид. Помимо этого, геологические особенности, такие как горы или океанические впадины, динамика тектонических плит и стихийные бедствия могут дополнительно искажать форму планеты. Реконструкция сейсмических отражений в недрах Земли указывает на существенные разрывы в скоростях распространения сейсмических волн, определяющие основные зоны Земли: внутреннее ядро, внешнее ядро, мантию, литосферу и кору. Сама мантия подразделяется на верхнюю мантию, переходную зону, нижнюю мантию и слой D′′. Между корой и мантией располагается разрыв Мохоровичича. Абсолютные координаты чаще всего определяются с помощью глобальной системы позиционирования (GPS). Трехмерная позиция рассчитывается на основе сигналов от четырех или более видимых спутников и привязывается к Геодезической системе отсчета 1980 года. Альтернативный метод – оптическая астрономия – комбинирует астрономические координаты и локальный вектор гравитации для получения геодезических координат. Этот метод предоставляет позицию только в двух координатах и сложнее в использовании, чем GPS. Однако он полезен для измерения движений Земли, таких как нутация и колебание Чендлера. Относительные положения двух или более точек могут быть определены с помощью радиолокационной интерферометрии со сверхдлинной базой. Измерения гравитации стали частью геодезии, поскольку они необходимы для привязки измерений на поверхности Земли к системе координат отсчета. Наземные измерения гравитации проводятся с помощью гравиметров, размещаемых как на поверхности, так и во время вертолетных облетов. С 1960-х годов гравитационное поле Земли измеряется путем анализа движения спутников. Уровень моря также может измеряться спутниками с помощью радиолокационной альтиметрии, что способствует повышению точности геоида.

Спутники и космические зонды

Спутники в космосе сделали возможным сбор данных не только в области видимого света, но и в других частях электромагнитного спектра. Планеты характеризуются своими силовыми полями: гравитацией и магнитными полями, которые изучаются геофизикой и космической физикой. Измерение изменений ускорения, испытываемого космическими аппаратами на орбите, позволило создать детальные карты гравитационных полей планет. Например, в 1970-х годах возмущения гравитационного поля над лунными морями были измерены с помощью лунных орбитальных аппаратов, что привело к обнаружению концентраций массы, масконов, под бассейнами Имбрия, Серенити, Кризиума, Нектариса и Хуморума.

Системы глобального позиционирования (GPS) и географические информационные системы (GIS)

Поскольку геофизика изучает форму Земли и, как следствие, картографирование объектов на и вокруг планеты, геофизические измерения включают высокоточные измерения GPS. Эти измерения обрабатываются для повышения их точности с помощью дифференциальной GPS-обработки. После обработки и инверсии геофизических измерений, интерпретированные результаты визуализируются с использованием ГИС. Программы, такие как ArcGIS и Geosoft, были разработаны для решения этих задач и включают множество встроенных геофизических функций, таких как продолжение ввысь и вычисление производных измерений, например, первой вертикальной производной. Многие геофизические компании разработали собственные геофизические программы, которые появились раньше ArcGIS и Geosoft, чтобы удовлетворить требования к визуализации геофизических данных.

Далекое зондирование

Геофизика разведки – это раздел прикладной геофизики, включающий разработку и применение различных сейсмических или электромагнитных методов для исследования энергетических, минеральных и водных ресурсов. Это достигается посредством использования различных платформ дистанционного зондирования, таких как спутники, самолеты, суда, беспилотные летательные аппараты, оборудование для исследования скважин и сейсмические приемники. Данное оборудование часто применяется совместно с различными геофизическими методами, включая магнитные, гравиметрические, электромагнитные, радиометрические и барометрические, для сбора данных. Платформы дистанционного зондирования, используемые в геофизике разведки, не являются идеальными и требуют корректировки для точного учета влияния, которое сама платформа может оказывать на полученные данные. Например, при сборе аэромагнитных данных (магнитных данных, полученных с самолета) с использованием обычного самолета с фиксированным крылом, необходимо вносить поправки в показания, чтобы учесть электромагнитные токи, генерируемые платформой при движении в магнитном поле Земли.

Обработка сигналов

Геофизические измерения часто регистрируются в виде временных рядов с данными GPS-позиционирования. Обработка сигналов включает в себя коррекцию данных временных рядов для удаления нежелательного шума или ошибок, возникающих из-за измерительной платформы, например, вибраций самолета при измерении гравитационного поля. Она также включает в себя уменьшение влияния источников шума, таких как суточные вариации в магнитных данных. В сейсмических, электромагнитных и гравиметрических данных обработка продолжается после коррекции ошибок и включает в себя методы вычислительной геофизики, приводящие к окончательной интерпретации геофизических данных и их геологической интерпретации.

История

Геофизика выделилась в самостоятельную дисциплину лишь в XIX веке, возникнув на стыке физической географии, геологии, астрономии, метеорологии и физики. Первое зафиксированное употребление термина "геофизика" (нем. Geophysik) относится к 1834 году и принадлежит Юлиусу Фрёбелю. Однако многие геофизические явления – такие как магнитное поле Земли и землетрясения – изучались ещё с древних времён.

Античная и классическая эпохи

Магнитный компас существовал в Китае еще в IV веке до н.э. Он использовался как для фэн-шуй, так и для навигации на суше. Компас стали использовать для морской навигации только после того, как научились ковать качественные стальные иглы; до этого они не могли сохранять магнетизм достаточно долго, чтобы быть полезными. Первое упоминание о компасе в Европе относится к 1190 году нашей эры. Около 240 года до н.э. Эратосфен Киренский пришел к выводу, что Земля имеет форму шара, и с большой точностью измерил ее окружность. Он разработал систему координат широты и долготы. Вероятно, самым ранним вкладом в сейсмологию стало изобретение сейсмоскопа выдающимся изобретателем Чжан Хэном в 132 году нашей эры. Этот прибор был сконструирован таким образом, чтобы бронзовый шар выпадал из пасти дракона в пасть жабы. Определив, под какой из восьми жаб оказался шар, можно было установить направление землетрясения. Прошло 1571 год, прежде чем первый проект сейсмоскопа был опубликован в Европе Жаном де ла Готефуилем. Он так и не был реализован.

Начало современной науки

В XVII веке произошли важные события, ознаменовавшие начало современной науки. В 1600 году Уильям Гилберт опубликовал труд «De Magnete» (1600), в котором описал серию экспериментов с природными магнитами (называемыми «магнитными камнями») и искусственно намагниченным железом. Его эксперименты привели к наблюдениям за небольшой стрелкой компаса (версорием), которая повторяла магнитное поведение под воздействием сферического магнита, а также демонстрировала «магнитное наклонение», когда она вращалась вокруг горизонтальной оси. В своих работах Ньютон заложил основы классической механики и теории гравитации, а также объяснил различные геофизические явления, такие как прецессия равноденствий (движение целых созвездий вдоль оси эклиптики). Теория гравитации Ньютона имела столь большой успех, что основная цель физики в ту эпоху изменилась – она стала заключаться в раскрытии фундаментальных сил природы и установлении их закономерностей. Первый сейсмометр, прибор, способный непрерывно регистрировать сейсмическую активность, был создан Джеймсом Форбсом в 1844 году.