WikiDer > История геофизики - Википедия

History of geophysics - Wikipedia

В историческое развитие геофизики был мотивирован двумя факторами. Одним из них является любопытство человечества к исследованию планеты Земля и ее компонентов, ее событий и проблем. Второй - это экономное использование ресурсов Земли (рудные месторождения, нефть, водные ресурсы и т. Д.) И связанных с Землей опасностей, таких как землетрясения, вулканы, цунами, приливы и наводнения.

Классический и наблюдательный период

Примерно в 240 г. до н. Э. Эратосфен Кирены измерили окружность Земли используя геометрию и угол Солнца более чем на одной широте в Египте.[1]

Есть информация о землетрясениях в Аристотельс Метеорология, в Naturalis Historia к Плиний Старший, И в Страбонс Geographica. Аристотель и Страбон записали наблюдения приливы.

Естественное объяснение вулканы был впервые предпринят греческим философом Эмпедокл (ок. 490-430 до н. э.), которые считали мир разделенным на четыре стихийные силы: землю, воздух, огонь и воду. Он утверждал, что вулканы были проявлением стихийного огня. Ветры и землетрясения сыграет ключевую роль в объяснении вулканов. Лукреций утверждал Гора Этна был полностью пустым, и подземные пожары приводились в движение сильным ветром, циркулировавшим у уровня моря. Плиний Старший отметил, что извержению предшествовало землетрясение. Афанасий Кирхер (1602–1680) был свидетелем извержений вулкана Этна и Стромболи, затем посетил кратер Везувий и опубликовал свой взгляд на Землю с центральным огнем, связанным с множеством других, вызванных горением сера, битум и каменный уголь.

Инструментально-аналитический период

Галилеев термометр

Возможно, первый современный экспериментальный трактат был Уильям Гилбертс De Magnete (1600), в котором он пришел к выводу, что компасы указывают на север, потому что сама Земля магнитная. В 1687 г. Исаак Ньютон опубликовал свой Начала, которые не только заложили основы классическая механика и гравитация но также объяснил различные геофизические явления, такие как приливы и отливы. прецессия равноденствия.

Этот экспериментальный и математический анализ применялся к нескольким областям геофизики: форме Земли, плотности и гравитационному полю (Пьер Бугер, Алексис Клеро и Генри Кавендиш), Магнитное поле Земли (Александр фон Гумбольдт, Эдмунд Галлей и Карл Фридрих Гаусс), сейсмология (Джон Милн и Роберт Маллет), а Возраст Земли, тепло и радиоактивность (Артур Холмс и Уильям Томсон, первый барон Кельвин).

Есть несколько описаний и дискуссий о философской теории круговорот воды к Марк Витрувий, Леонардо да Винчи и Бернар Палисси. Пионеры в гидрология включают Пьер Перро, Эдме Мариотт и Эдмунд Галлей в исследованиях таких вещей, как осадки, сток, площадь водосбора, скорость, измерения поперечного сечения реки и стока. Достижения 18 века включали Даниэль Бернуллис пьезометр и Уравнение Бернулли так же хорошо как Трубка Пито пользователя Анри Пито. В 19 веке гидрологии грунтовых вод способствовали Закон Дарси, то Формула Dupuit-Thiem well, а Уравнение Хагена-Пуазейля для потоков по трубам. Физическая география моря, первый учебник океанографии, был написан Мэттью Фонтейн Мори в 1855 г.[2]

Термоскоп, или Термометр Галилео, был построен Галилео Галилей в 1607 г. В 1643 г. Евангелиста Торричелли изобрел ртутный барометр. Блез Паскаль (в 1648 году) заново открыл, что атмосферное давление уменьшается с высотой, и сделал вывод, что над атмосферой существует вакуум.

Возникновение как дисциплина

Первое известное использование слова геофизика был от Юлиус Фребель в 1834 г. (на немецком языке). В последующие несколько десятилетий оно время от времени использовалось, но не прижилось до тех пор, пока не стали появляться журналы, посвященные этой теме, начиная с Beiträge zur Geophysik в 1887 году. Будущее Журнал геофизических исследований была основана в 1896 году с названием Земной магнетизм. В 1898 г. был основан Геофизический институт в г. Геттингенский университет, и Эмиль Вихерт стала первой в мире кафедрой геофизики.[3] Международные рамки геофизики были заложены с момента основания Международный союз геодезии и геофизики в 1919 г.[4]

20 век

XX век был революционным веком для геофизики. В рамках международного научного исследования с 1957 по 1958 г. Международный геофизический год или МГГ был одним из важнейших для научной деятельности всех дисциплин геофизики: Аврора и свечение, космические лучи, геомагнетизм, гравитация, физика ионосферы, определения долготы и широты (точное картирование), метеорология, океанография, сейсмология и солнечная активность.

Земные недра и сейсмология

Волна Рэлея

Определение физики недр Земли стало возможным благодаря разработке первых сейсмографов в 1880-х годах. Основываясь на поведении волн, отраженных от внутренних слоев Земли, было разработано несколько теорий относительно того, что может вызвать различия в скорости волн или потерю определенных частот. Это привело к тому, что такие ученые, как Инге Леманн, обнаружили присутствие ядра Земли в 1936 году. Бено Гутенберг и Гарольд Джеффрис работали над объяснением разницы в плотности Земли из-за сжатия и скорости сдвига волн.[5] Поскольку сейсмология основана на упругих волнах, скорость волн может помочь определить плотность и, следовательно, поведение слоев внутри Земли.[5]

На основании этих результатов была разработана номенклатура поведения сейсмических волн. Зубцы P и S-волны были использованы для описания двух возможных типов упругих объемных волн.[6] Волны любви и Волны Рэлея были использованы для описания двух возможных типов поверхностных волн.[6]

Ученые, внесшие вклад в развитие знаний о недрах Земли и сейсмология включают Эмиль Вихерт, Бено Гутенберг, Андрия Мохоровичич, Гарольд Джеффрис, Инге Леманн, Эдвард Буллард, Чарльз Фрэнсис Рихтер, Фрэнсис Берч, Фрэнк Пресс, Хироо Канамори и Вальтер Эльзассер.

Одна из самых обсуждаемых тем о недрах Земли - это мантийные плюмы. Теоретически это восходящая магма, ответственная за горячие точки в мире, такие как Гавайи. Первоначально теория заключалась в том, что мантийные перья поднимаются прямым путем, но теперь есть свидетельства того, что перья могут отклоняться на небольшую степень по мере подъема.[7] Было также обнаружено, что предполагаемая горячая точка под Йеллоустоуном не может быть связана с поднимающимся мантийным плюмом. Эта теория до конца не исследована.[8]

Тектоника плит

Во второй половине 20 века тектоника плит теория была разработана несколькими участниками, включая Альфред Вегенер, Морис Юинг, Роберт С. Дитц, Гарри Хаммонд Хесс, Уго Бениофф, Уолтер С. Питман, III, Фредерик Вайн, Драммонд Мэтьюз, Кейт Ранкорн, Брайан Л. Исакс, Эдвард Буллард, Ксавье Ле Пишон, Дэн Маккензи, В. Джейсон Морган и Джон Тузо Уилсон. До этого у людей были идеи о дрейфе континентов, но реальных доказательств не было до конца 20 века. Александр фон Гумбольдт наблюдал в начале 19 века геометрию и геологию берегов континентов Атлантического океана.[9] Джеймс Хаттон и Чарльз Лайель привела к идее постепенных изменений, униформизма, который помог людям справиться с медленным дрейфом континентов. Альфред Вегенер возглавил первоначальную теорию дрейфа континентов и большую часть своей жизни посвятил этой теории. Он предложил "Пангея", единый гигантский континент.[9]

Во время разработки теория дрейфа континентов, океаническая часть мира была изучена не так много, только континентальная. Когда люди начали обращать внимание на океан, геологи обнаружили, что дно расширяется, причем с разной скоростью в разных местах.[9] Плиты могут перемещаться тремя различными способами: преобразовать, расходящийся, и Сходящийся.[9] Также может быть Разломы, районы, где земля начинает раздвигаться.[10]

Океанография

Достижения в физическая океанография произошло в 20 веке. Глубина моря методом акустических измерений была впервые проведена в 1914 году. Немецкая экспедиция «Метеор» собрала 70 000 измерений глубины океана с помощью эхолот, исследуя Срединно-Атлантический хребет с 1925 по 1927 год. Великая глобальная трещина был обнаружен Морис Юинг и Брюс Хизен в 1953 г., а горный массив под Арктикой был обнаружен в 1954 г. Арктический институт СССР. Теория распространения морского дна была разработана в 1960 г. Гарри Хаммонд Хесс. В Программа морского бурения началось в 1966 году. Большое внимание уделялось применению крупномасштабных компьютеров в океанографии, чтобы позволить численные прогнозы состояния океана и как часть общего прогнозирования изменений окружающей среды.[нужна цитата]

Геомагнетизм

Геомагнитная полярность, поздний кайнозой

Движение проводящего расплавленного металла под земной корой или земной корой. динамо, отвечает за существование магнитного поля. Взаимодействие магнитного поля и солнечной радиации влияет на то, сколько радиации достигает поверхности Земли, и на целостность атмосферы. Было обнаружено, что магнитные полюса Земли несколько раз менялись местами, что позволило исследователям получить представление о состоянии поверхности планеты в то время.[11] Причина магнитные полюса меняются местами неизвестно, а интервалы изменения различаются и не соответствуют постоянному интервалу.[12] Считается, что инверсия коррелирует с мантией Земли, хотя как именно это все еще обсуждается.[13]

Искажения магнитного поля Земли вызывают явление Северное сияние, обычно называемое Северным сиянием.[14] Магнитное поле хранит энергию космических частиц, известных как солнечный ветер, который заставляет силовые линии магнитного поля расширяться.[14] Когда линии сужаются, они высвобождают эту энергию, что можно увидеть как северное сияние.[14]

Атмосферные влияния

Климат Земли со временем меняется из-за состава атмосферы планеты, яркости Солнца и возникновения катастрофических событий.[15]:75

Состав атмосферы влияет и находится под влиянием биологических механизмов, действующих на поверхности Земли. Организмы влияют на количество кислорода по сравнению с углекислым газом через дыхание и фотосинтез. Они также влияют на уровень азота через фиксация, нитрификация, и денитрификация.[16] Океан способен поглощать углекислый газ из атмосферы, но это зависит от уровня содержания азота и фосфора в воде.[17]:57 Люди также сыграли роль в изменении атмосферного состава Земли за счет промышленных побочных продуктов, вырубка леса, и автотранспорт.

Светимость Солнца увеличивается по мере прохождения его жизненного цикла и становится видимой в течение миллионов лет. На поверхности Солнца могут образовываться солнечные пятна, что может привести к большей изменчивости выбросов, которые получает Земля.[15]:69

Вулканы формируются, когда две плиты встречаются и одна погружается под другую.[18] Таким образом, они образуются вдоль большинства границ плит; то Огненное кольцо является примером этого.[19] Изучение вулканов вдоль границ плит показало корреляцию между извержениями и климатом. Алан Робок предполагает, что вулканическая активность может влиять на климат и приводить к глобальному похолоданию на долгие годы.[20] Основная идея, основанная на извержениях вулканов, заключается в том, что диоксид серы Выброшенный из вулканов имеет большое влияние на охлаждение атмосферы после извержения.[21]

Удары крупных небесных тел, обычно астероиды, создают ударные волны, которые толкают воздух и распространяют пыль в атмосферу, блокируя солнечный свет.[22] Это вызывает глобальное похолодание, которое может привести к гибели и возможному вымиранию многих видов.

Промышленное применение

Промышленные приложения геофизики были разработаны по требованию нефть разведка и восстановление в 1920-х гг. Позже нефть, добыча полезных ископаемых и грунтовые воды геофизика. Минимизация опасности землетрясений и исследования почвы / участка в сейсмоопасных районах были новыми приложениями геофизической инженерии в 1990-х годах.

Сейсмология используется в горнодобывающей промышленности для чтения и построения моделей событий, которые могли быть вызваны или способствовали процессу добычи полезных ископаемых.[23] Это позволяет ученым прогнозировать опасности, связанные с добычей полезных ископаемых в этом районе.[23]

Как и в горнодобывающей промышленности, сейсмические волны используются для создания моделей недр Земли. Геологические особенности, называемые ловушки, которые обычно указывают на присутствие нефти, могут быть идентифицированы по модели и использованы для определения подходящих участков для бурения.[24]

Подземные воды очень уязвимы к промышленным загрязнениям и выбросам отходов. Чтобы сохранить качество источников пресной воды, создаются карты глубины подземных вод и сравниваются с местоположением источников загрязнения.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Руссо, Лучио (2004). Забытая революция. Берлин: Springer. п.67–68. ISBN 9783540200680.
  2. ^ Мори, М. Ф. (1855). Физическая география моря. Харпер и братья.
  3. ^ Шредер 2010
  4. ^ Хорошо 2000
  5. ^ а б Олсон, П. (2015). «8.01 Основная динамика: введение и обзор». Трактат по геофизике. 8 (2-е изд.). Дои:10.1016 / B978-0-444-53802-4.00137-8.
  6. ^ а б Эндсли, Кевин. "Что такое сейсмология и что такое сейсмические волны?". www.geo.mtu.edu. Получено 2018-04-20.
  7. ^ Агиус, Мэтью Р .; Rychert, Catherine A .; Хармон, Николас; Ласке, Габи (2017). «Составление карты переходной зоны мантии под Гавайями с помощью функций приемника Ps: свидетельство нисходящего потока горячего шлейфа и холодной мантии». Письма по науке о Земле и планетах. 474: 226–236. Bibcode:2017E и PSL.474..226A. Дои:10.1016 / j.epsl.2017.06.033. ISSN 0012-821X.
  8. ^ Гао, Стивен С .; Лю, Келли Х. (2014). «Разрывы переходной зоны мантии под прилегающими к ней Соединенными Штатами». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 119 (8): 6452–6468. Bibcode:2014JGRB..119.6452G. Дои:10.1002/2014jb011253. ISSN 2169-9313.
  9. ^ а б c d Кири, Филипп; Klepeis, Keith A; Вайн, Фредерик Дж. (2009). Глобальная тектоника (3-е изд.). Оксфорд: Wiley-Blackwell. С. 5–8. ISBN 978-1405107778.
  10. ^ «Рифтовая долина: определение и геологическое значение». ethiopianrift.igg.cnr.it. Получено 2018-04-05.
  11. ^ Коно, М. (2015). «Геомагнетизм: введение и обзор». В Коно, М. (ред.). Геомагнетизм. Трактат по геофизике. 5 (2-е изд.). Эльзевир. С. 1–31. Дои:10.1016 / B978-0-444-53802-4.00095-6. ISBN 978-0444538031.
  12. ^ Лутц, Тимоти М. (1985). «Запись перемагничивания не является периодической». Природа. 317 (6036): 404–407. Bibcode:1985Натура.317..404Л. Дои:10.1038 / 317404a0. ISSN 1476-4687.
  13. ^ Glatzmaier, Gary A .; Коу, Роберт С .; Хонгре, Лайонел; Робертс, Пол Х. (1999). «Роль мантии Земли в управлении частотой геомагнитных инверсий». Природа. 401 (6756): 885–890. Bibcode:1999Натура.401..885Г. Дои:10.1038/44776. ISSN 1476-4687.
  14. ^ а б c Администратор НАСА (07.06.2013). «Спутники THEMIS узнают, что вызывает извержение северного сияния». НАСА. Получено 2018-04-13.
  15. ^ а б Поллак, Джеймс Б. (1982). «5. Солнечные, астрономические и атмосферные воздействия на климат». Климат в истории Земли: исследования по геофизике. Издательство национальных академий. С. 68–76. Дои:10.17226/11798. ISBN 978-0-309-03329-9.
  16. ^ Штейн, Лиза Ю .; Клотц, Мартин Г. (февраль 2016 г.). «Азотный цикл» (PDF). Текущая биология. 26 (3): R94 – R98. Дои:10.1016 / j.cub.2015.12.021. PMID 26859274. Получено 13 апреля 2018.
  17. ^ Артур, Майкл А. (1982). «4. Углеродный цикл - меры контроля за атмосферным CO2 и климатом в геологическом прошлом». Климат в истории Земли: исследования по геофизике. Издательство национальных академий. С. 55–67. Дои:10.17226/11798. ISBN 978-0-309-03329-9.
  18. ^ Океанографическое учреждение Вудс-Хоул (7 апреля 2017 г.). «Вулканические дуги образуются в результате глубокого плавления горных смесей». Science Daily.
  19. ^ Оппенгеймер, Клайв (2011). Извержения, потрясшие мир. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521641128. OCLC 699759455.
  20. ^ Робок, Алан; Ammann, Caspar M .; Оман, Люк; Шинделл, Дрю; Левис, Самуил; Стенчиков, Георгий (27 мая 2009 г.). «Произошло ли извержение вулкана Тоба, произошедшее примерно 74 тыс. Лет назад, вызвало широкое оледенение?. Журнал геофизических исследований. 114 (D10): D10107. Bibcode:2009JGRD..11410107R. Дои:10.1029 / 2008JD011652.
  21. ^ Я, Стивен; Чжао, Цзин-Ся; Holasek, Rick E .; Торрес, Ронни С.; Кинг, Алан Дж. (1993). Атмосферное воздействие извержения вулкана Пинатубо в 1991 году (Отчет). Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. 19990021520.
  22. ^ Физики, Институт им. «Удары метеоров и астероидов». www.iop.org. Получено 2018-04-13.
  23. ^ а б Бялик, Роберт; Майданьски, Мариуш; Москалик, Матеуш (14.07.2014). Достижения, история и вызовы в геофизике: 60 лет Институту геофизики Польской академии наук. Springer. ISBN 9783319075990.
  24. ^ Дасгупта, Шиваджи Н .; Аминзаде, Фред (2013). Геофизика для инженеров-нефтяников. Берлингтон: Elsevier Science. ISBN 9780080929613.
  25. ^ Хао, Цзин; Чжан, Юнсян; Цзя, Янвэнь; Ван, Хао; Ниу, Кунвэнь; Ган, Йонгде; Гонг, Ичэн (2017). «Оценка уязвимости подземных вод и их несоответствия качеству подземных вод на основе модифицированной модели DRASTIC: тематическое исследование в районе Чаоян города Пекин». Арабский журнал наук о Земле. 10 (6). Дои:10.1007 / s12517-017-2885-4.

дальнейшее чтение

  • Анонимный (1995). «Введение в комитет истории геофизики». Eos, Transactions American Geophysical Union. 76 (27): 268. Bibcode:1995EOSTr..76..268.. Дои:10.1029 / 95EO00163.
  • Кисть, Стивен Г. (сентябрь 1980 г.). «Открытие ядра Земли». Американский журнал физики. 48 (9): 705–724. Bibcode:1980AmJPh..48..705B. Дои:10.1119/1.12026.
  • Кисть, Стивен Г. (2003). «Геофизика». В Grattan-Guinness, I. (ed.). Сопутствующая энциклопедия истории и философии математических наук. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. С. 1183–1188. ISBN 9780801873973.
  • Гиллмор, С. Стюарт, изд. (2013). История геофизики: Том 1. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665213.
  • Гиллмор, С. Стюарт, изд. (2013). История геофизики: Том 2. Вашингтон: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665244.
  • Гиллмор, К. Стюарт; Ланда, Эдвард Р .; Инс, Саймон; Назад, Уильям, ред. (2013). История геофизики: Том 3: История гидрологии. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665398.
  • Гиллмор, С. Стюарт, изд. (2013). История геофизики: Том 4. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665534.
  • Гиллмор, К. Стюарт; Спрейтер, Джон Р., ред. (1997). Серия История геофизики: Том 7: Открытие магнитосферы. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665435.
  • Хорошо, Грегори А., изд. (2013). История геофизики: Том 5: Земля, небеса и Вашингтонский институт Карнеги. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665312.
  • Хорошо, Грегори А. (2000). «Ассамблея геофизики: научные дисциплины как рамки консенсуса». Исследования по истории и философии науки Часть B: Исследования по истории и философии современной физики. 31 (3): 259–292. Bibcode:2000ШПМП..31..259Г. Дои:10.1016 / S1355-2198 (00) 00018-6.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Юрист Ли К .; Бейтс, Чарльз С.; Райс, Роберт Б. (2001). Геофизика в делах человечества: личная история разведочной геофизики (2-е изд.). Талса: Общество геофизиков-исследователей. ISBN 9781560800873.
  • Оливер, Джек (1996). Сотрясения и камни: сейсмология в революции тектонических плит: история землетрясений и великой революции в науке о Земле 1960-х годов. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9780875902807.
  • Шредер, В. (2010). «История геофизики». Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 45 (2): 253–261. Дои:10.1556 / AGeod.45.2010.2.9.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Шериф, У. М. Телфорд; Л. П. Гелдарт; Р. Э. (2001). Прикладная геофизика (2-е изд.). Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 9780521339384.
  • Вуд, Роберт Мьюир (1985). Темная сторона земли. Лондон: Аллен и Анвин. ISBN 978-0045500338.

внешняя ссылка