地球物理学









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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的自然科學学科。通常使用地震波、重力、电磁、地熱和放射能等方法。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; 電離層和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和歲差,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;確定冰川和土壤的厚度;評估環境復育英语environmental remediation的場址等等。




目录






  • 1 發展歷史


    • 1.1 古代


    • 1.2 現代科學的開始




  • 2 方法


    • 2.1 大地測量


    • 2.2 人造衛星和太空探測器




  • 3 地球物理學分支


  • 4 参見


  • 5 注解


  • 6 參考文獻





發展歷史




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、氣象學和物理學的角度出發[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


公元前240年,昔蘭尼的埃拉托斯特尼推斷地球是圓的,並使用三角學和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


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》,不僅為古典力學和引力奠定了基礎,也解釋各種地球物理現象,如潮汐和歲差[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



大地測量



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,如章動和錢德勒擺動。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; 融化的冰蓋和冰川[15]



人造衛星和太空探測器



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和磁場。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、神酒海和濕海盆地下方,存在有質量異常集中的質量瘤[16]



地球物理學分支


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、水等等具有经济开发价值的物体[17]



  • 固体地球物理学

  • 地球动力学

  • 地震学

  • 火山學

  • 地热学

  • 地磁学

  • 古地磁学

  • 大氣電學

  • 太空科學

  • 水文地理学

  • 海洋学

  • 气象学

  • 大地构造物理学

  • 地核构造学

  • 勘探地球物理学

  • 大地测量学

  • 大地天文学

  • 行星科学



参見




  • 地理学

  • 地質學

  • 天文学

  • 太空科學

  • 测绘学



注解





  1. ^ 1.01.1 Sheriff 1991


  2. ^ 2.02.1 IUGG 2011


  3. ^ AGU 2011


  4. ^ Hardy & Goodman 2005


  5. ^ Schröder, W. History of geophysics. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 2010, 45 (2): 253–261. doi:10.1556/AGeod.45.2010.2.9. 


  6. ^ Eratosthenes 2010


  7. ^ Temple 2006,第177–181页


  8. ^ 8.08.1 Dewey & Byerly 1969


  9. ^ Temple 2006,第162–166页


  10. ^ Merrill,McElhinny & McFadden(1996)


  11. ^ Newton 1999 Section 3


  12. ^ 12.012.112.2 National Research Council (U.S.). Committee on Geodesy 1985


  13. ^ Defense Mapping Agency 1984


  14. ^ Torge 2001


  15. ^ CSR 2011


  16. ^ Muller & Sjogren 1968


  17. ^ 什麼是「地球物理」(GEOPHYSICS)?. 台灣的活動斷層. 經濟部中央地質調查所. [2017-09-10]. (原始内容存档于2017-09-10) (中文(台灣)‎). 




參考文獻


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  • American Geophysical Union. Our Science. About AGU. 2011 [September 2011]. 


  • About IUGG. 2011 [September 2011]. 


  • Dewey, James; Byerly, Perry. The Early History of Seismometry (to 1900). Bulletin of the Seismological Society of America. 1969, 59 (1): 183–227. (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]. 


  • Defense Mapping Agency. Geodesy for the Layman (Technical report). National Geospatial-Intelligence Agency. 1984 [1959] [September 2011]. TR 80-003. 


  • 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). National Academies. 1985. 


  • 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. 









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