История геофизики
Историческое развитие геофизики было мотивировано двумя факторами. Одним из них является исследовательское любопытство человечества, связанное с планетой Земля и ее отдельными компонентами, ее событиями и проблемами. Второе — это экономное использование ресурсов Земли (рудные месторождения, нефть, водные ресурсы и т. д.) и опасностей, связанных с Землей, таких как землетрясения, вулканы, цунами, приливы и наводнения.
Классический и наблюдательный период
[ редактировать ]Примерно в 240 году до нашей эры Эратосфен Киренский измерил окружность Земли, используя геометрию и угол наклона Солнца более чем на одной широте в Египте. [1]
Некоторые сведения о землетрясениях имеются в , » Аристотеля «Метеорологии в «Естественной истории» Плиния Старшего и в Страбона « Географии» . Аристотель и Страбон записывали наблюдения за приливами и отливами .
Естественное объяснение вулканов впервые предпринял греческий философ Эмпедокл (ок. 490-430 до н. э.), который считал, что мир разделен на четыре стихийные силы: землю, воздух, огонь и воду. Он утверждал, что вулканы являются проявлением стихийного огня. Ветры и землетрясения будут играть ключевую роль в объяснении вулканов. Лукреций утверждал, что гора Этна была совершенно полой, а подземные пожары раздувались сильным ветром, циркулирующим вблизи уровня моря. Плиний Старший отмечал, что извержению предшествовало наличие землетрясений. Афанасий Кирхер (1602–1680) был свидетелем извержений Этны и Стромболи , затем посетил кратер Везувия и опубликовал свой взгляд на Землю с центральным огнем, связанным с многочисленными другими, вызванными горением серы , битума и угля .
Инструментально-аналитический период
[ редактировать ]Вероятно, первым современным экспериментальным трактатом был » Уильяма Гилберта ( «О магнете 1600 г.), в котором он пришел к выводу, что компасы указывают на север, потому что сама Земля магнитна. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои «Начала» , которые не только заложили основы классической механики и гравитации , но также объяснили множество геофизических явлений, таких как приливы и прецессия равноденствия .
Эти экспериментальные и математические анализы были применены к нескольким областям геофизики: форма Земли, плотность и гравитационное поле ( Пьер Буге , Алексис Клеро и Генри Кавендиш ), магнитное поле Земли ( Александр фон Гумбольдт , Эдмунд Галлей и Карл Фридрих Гаусс ), сейсмология ( Джон Милн и Роберт Маллет ), а также возраст Земли , тепло и радиоактивность ( Артур Холмс и Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин ).
Есть несколько описаний и обсуждений философской теории круговорота воды Маркуса Витрувия , Леонардо да Винчи и Бернара Палисси . пионеров гидрологии Среди — Пьер Перро , Эдм Мариотт и Эдмунд Галлей, изучавшие такие вещи, как количество осадков, сток, площадь водосбора, скорость, измерения поперечного сечения реки и расход. Достижения XVIII века включали Даниэля Бернулли пьезометр а и уравнение Бернулли, также трубку Пито Анри Пито. В 19 веке гидрология подземных вод получила дальнейшее развитие благодаря закону Дарси , формуле колодца Дюпюи-Тима и уравнению Хагена-Пуазейля для потоков через трубы. «Физическая география моря» , первый учебник океанографии, был написан Мэтью Фонтейном Мори в 1855 году. [2]
Термоскоп, или термометр Галилея , был сконструирован Галилео Галилеем в 1607 году. В 1643 году Евангелиста Торричелли изобрел ртутный барометр . Блез Паскаль (в 1648 году) заново открыл, что атмосферное давление уменьшается с высотой, и пришел к выводу, что над атмосферой существует вакуум.
Возникновение как дисциплина
[ редактировать ]Первое известное использование слова «геофизика» было Юлиусом Фребелем в 1834 году (на немецком языке). В течение следующих нескольких десятилетий он время от времени использовался, но не получил распространения до тех пор, пока не начали появляться журналы, посвященные этой теме, начиная с Beiträge zur Geophysik в 1887 году. Будущий журнал геофизических исследований был основан в 1896 году под названием «Земной магнетизм » . был основан Геофизический институт В 1898 году в Геттингенском университете , и Эмиль Вихерт стал первой в мире кафедрой геофизики. [3] Международная основа геофизики была обеспечена основанием Международного союза геодезии и геофизики в 1919 году. [4]
20 век
[ редактировать ]XX век стал революционным веком для геофизики. Как международное научное мероприятие между 1957 и 1958 годами, Международный геофизический год или МГГ был одним из наиболее важных для научной деятельности всех дисциплин геофизики: полярного сияния и свечения воздуха , космических лучей , геомагнетизма , гравитации, физики ионосферы, определения долготы и широты ( прецизионное картографирование), метеорология, океанография, сейсмология и солнечная активность.
Недра Земли и сейсмология
[ редактировать ]Определение физики недр Земли стало возможным благодаря разработке первых сейсмографов в 1880-х годах. На основе поведения волн, отраженных от внутренних слоев Земли, было разработано несколько теорий относительно того, что может вызвать изменения в скорости волн или потерю определенных частот. Это привело к тому, что такие ученые, как Инге Леманн, обнаружили наличие 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 основе этих результатов была создана номенклатура поведения сейсмических волн. P-волны и S-волны использовались для описания двух возможных типов упругих объемных волн. [6] Волны Лява и волны Рэлея использовались для описания двух возможных типов поверхностных волн. [6]
В число ученых, внесших вклад в развитие знаний о недрах Земли и сейсмологии, входят Эмиль Вихерт , Бено Гутенберг , Андрия Мохоровичич , Гарольд Джеффрис , Инге Леманн , Эдвард Буллард , Чарльз Фрэнсис Рихтер , Фрэнсис Берч , Фрэнк Пресс , Хироо Канамори и Уолтер Эльзассер .
Одной из широко обсуждаемых тем о недрах Земли являются мантийные шлейфы. Предполагается, что это поднимающаяся магма, которая ответственна за такие горячие точки в мире, как Гавайи. Первоначально теория заключалась в том, что мантийные плюмы поднимались вверх по прямому пути, но теперь есть свидетельства того, что плюмы могут немного отклоняться по мере своего подъема. [7] Также было обнаружено, что предполагаемая горячая точка под Йеллоустоуном может не быть связана с поднимающимся мантийным шлейфом. Эта теория не была полностью исследована. [8]
Тектоника плит
[ редактировать ]Во второй половине 20-го века теория тектоники плит была разработана несколькими авторами, в том числе Альфредом Вегенером , Морисом Юингом , Робертом С. Дитцем , Гарри Хаммондом Хессом , Хьюго Бениоффом , Уолтером К. Питманом III , Фредериком Вайном , Драммондом Мэтьюзом , Китом. Ранкорн , Брайан Л. Айзакс , 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 выдвинули идею постепенных перемен, униформизма, которая помогла людям справиться с медленным дрейфом континентов. Альфред Вегенер возглавил оригинальную теорию дрейфа континентов и посвятил ей большую часть своей жизни. Он предложил « Пангею », единый гигантский континент. [9]
В период развития теории дрейфа континентов океаническая часть мира мало исследована, только континентальная. Когда люди начали обращать внимание на океан, геологи обнаружили, что дно расширяется, причем в разных местах с разной скоростью. [9] Существует три основных способа перемещения плит: трансформация , расхождение и схождение . [9] Также могут быть Разломы , области, где земля начинает раздвигаться. [10]
Океанография
[ редактировать ]Достижения в физической океанографии произошли в 20 веке. Глубина моря с помощью акустических измерений была впервые произведена в 1914 году. Немецкая экспедиция «Метеор» собрала 70 000 измерений глубины океана с помощью эхолота , исследуя Срединно-Атлантический хребет в период с 1925 по 1927 год. Экспедиция HMS «Челленджер» под руководством Томаса Гаскелла определила глубину моря с помощью акустических измерений. рекордная Бездна Челленджера в 1951 году. Великий Глобальный Разлом был открыт Морисом Юингом и Брюсом Хизеном в 1953 году, а горный массив под Арктикой был обнаружен в 1954 году Арктическим институтом СССР . Теория распространения морского дна была разработана в 1960 году Гарри Хаммондом Хессом . Программа океанского бурения началась в 1966 году. Большое внимание уделялось применению крупномасштабных компьютеров в океанографии, чтобы обеспечить численный прогноз состояния океана и как часть общего прогнозирования изменений окружающей среды. [ нужна ссылка ]
Геомагнетизм
[ редактировать ]Движение проводящего расплавленного металла под земной корой или земного динамо отвечает за существование магнитного поля. Взаимодействие магнитного поля и солнечной радиации влияет на то, сколько радиации достигнет 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 смены магнитных полюсов неизвестна, а интервалы изменения различаются и не показывают постоянного интервала. [12] Считается, что разворот коррелирует с мантией Земли, хотя как именно это до сих пор обсуждается. [13]
Искажения магнитного поля Земли вызывают явление Северного сияния , обычно называемого Северным сиянием. [14] Магнитное поле хранит энергию, исходящую от космических частиц, известных как солнечный ветер, что заставляет линии магнитного поля расширяться. [14] Когда линии сжимаются, они высвобождают эту энергию, которую можно увидеть как Северное сияние. [14]
Атмосферные влияния
[ редактировать ]Климат Земли со временем меняется из-за состава атмосферы планеты, светимости 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 и углекислого газа посредством дыхания и фотосинтеза . Они также влияют на уровень азота посредством фиксации , нитрификации и денитрификации . [16] Океан способен поглощать углекислый газ из атмосферы, но это зависит от уровня азота и фосфора, присутствующих в воде. [17] : 57 Люди также сыграли свою роль в изменении состава атмосферы Земли посредством побочных продуктов промышленности, вырубки лесов и автомобилей.
Светимость Солнца увеличивается по мере его жизненного цикла, и его можно увидеть в течение миллионов лет. На поверхности Солнца могут образовываться солнечные пятна, что может привести к большей изменчивости выбросов, которые получает Земля. [15] : 69
Вулканы образуются, когда две плиты встречаются и одна погружается под другую. [18] Таким образом, они формируются вдоль границ большинства плит; является Огненное Кольцо примером этого. [19] Изучение вулканов вдоль границ плит показало корреляцию между извержениями и климатом. Алан Робок предполагает, что вулканическая активность может повлиять на климат и привести к глобальному похолоданию на долгие годы. [20] Основная идея, основанная на извержениях вулканов, заключается в том, что диоксид серы , выделяемый вулканами, оказывает большое влияние на охлаждение атмосферы после извержения. [21]
Удары крупных небесных тел, обычно астероидов , 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 исчезновению многих видов.
Промышленное применение
[ редактировать ]Промышленные применения геофизики были развиты в связи с потребностью в нефти разведке и добыче в 1920-х годах. Позже нефти, горного дела и подземных вод были усовершенствованы геофизика . Минимизация опасности землетрясений и исследование почвы/площадок в сейсмоопасных районах были новыми применениями геофизической инженерии в 1990-х годах.
Сейсмология используется в горнодобывающей промышленности для считывания и построения моделей событий, которые могли быть вызваны или чему способствовал процесс добычи полезных ископаемых. [23] Это позволяет ученым прогнозировать опасности, связанные с добычей полезных ископаемых в этом районе. [23]
Подобно добыче полезных ископаемых, сейсмические волны используются для создания моделей недр Земли. Геологические особенности, называемые ловушками , которые обычно указывают на наличие нефти, можно выявить на основе модели и использовать для определения подходящих мест для бурения. [24]
Подземные воды очень уязвимы к загрязнению, вызванному промышленностью и вывозом отходов. Чтобы сохранить качество источников пресной воды, создаются карты глубины грунтовых вод и сравниваются с расположением источников загрязняющих веществ. [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Руссо, Лусио (2004). Забытая революция . Берлин: Шпрингер. п. 67 –68. ISBN 9783540200680 .
- ^ Мори, МФ (1855 г.). Физическая география моря . Харпер и братья .
- ^ Шредер 2010
- ^ Хорошо 2000
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Олсон, П. (2015). «8.01 Основная динамика: введение и обзор». Трактат по геофизике . Том. 8 (2-е изд.). стр. 1–25. дои : 10.1016/B978-0-444-53802-4.00137-8 . ISBN 9780444538031 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Эндсли, Кевин. «Что такое сейсмология и что такое сейсмические волны?» . www.geo.mtu.edu . Проверено 20 апреля 2018 г.
- ^ Агиус, Мэтью Р.; Рихерт, Кэтрин А.; Хармон, Николас; Ласке, Габи (2017). «Картирование мантийной переходной зоны под Гавайями с помощью функций приемника Ps: свидетельства горячего плюма и холодных мантийных нисходящих потоков» . Письма о Земле и планетологии . 474 : 226–236. Бибкод : 2017E&PSL.474..226A . дои : 10.1016/j.epsl.2017.06.033 . ISSN 0012-821X .
- ^ Гао, Стивен С .; Лю, Келли Х. (2014). «Разрывы переходной зоны мантии под прилегающими Соединенными Штатами» . Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 119 (8): 6452–6468. Бибкод : 2014JGRB..119.6452G . дои : 10.1002/2014jb011253 . ISSN 2169-9313 . S2CID 20104124 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Кири, Филип; Клепейс, Кейт А; Вайн, Фредерик Дж. (2009). Глобальная тектоника (3-е изд.). Оксфорд: Уайли-Блэквелл. стр. 5–8. ISBN 978-1405107778 .
- ^ «Рифтовая долина: определение и геологическое значение» . ethiopianrift.igg.cnr.it . Проверено 5 апреля 2018 г.
- ^ Коно, М. (2015). «Геомагнетизм: введение и обзор». Ин Коно, М. (ред.). Геомагнетизм . Трактат по геофизике. Том. 5 (2-е изд.). Эльзевир. стр. 1–31. дои : 10.1016/B978-0-444-53802-4.00095-6 . ISBN 978-0444538031 .
- ^ Лутц, Тимоти М. (1985). «Запись перемагничивания не является периодической». Природа . 317 (6036): 404–407. Бибкод : 1985Natur.317..404L . дои : 10.1038/317404a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 32756319 .
- ^ Глатцмайер, Гэри А.; Коу, Роберт С.; Хонгре, Лайонел; Робертс, Пол Х. (1999). «Роль мантии Земли в контроле частоты геомагнитных инверсий». Природа . 401 (6756): 885–890. Бибкод : 1999Natur.401..885G . дои : 10.1038/44776 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4425966 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Администратор НАСА (07.06.2013). «Спутники THEMIS выяснили, что вызывает извержения северного сияния» . НАСА . Проверено 13 апреля 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Поллак, Джеймс Б. (1982). «5. Солнечное, астрономическое и атмосферное воздействие на климат» . Климат в истории Земли: исследования по геофизике . Пресса национальных академий. стр. 68–76. дои : 10.17226/11798 . ISBN 978-0-309-03329-9 .
- ^ Штейн, Лиза Ю.; Клотц, Мартин Г. (февраль 2016 г.). «Азотный цикл» (PDF) . Современная биология . 26 (3): Р94–Р98. Бибкод : 2016CBio...26..R94S . дои : 10.1016/j.cub.2015.12.021 . ПМИД 26859274 . Проверено 13 апреля 2018 г.
- ^ Артур, Майкл А. (1982). «4. Углеродный цикл — контроль над атмосферным CO2 и климатом в геологическом прошлом» . Климат в истории Земли: исследования по геофизике . Пресса национальных академий. стр. 55–67. дои : 10.17226/11798 . ISBN 978-0-309-03329-9 .
- ^ Океанографический институт Вудс-Хоул (7 апреля 2017 г.). «Вулканические дуги образуются в результате глубокого плавления горных смесей» . Наука Дейли .
- ^ Оппенгеймер, Клайв (2011). Извержения, потрясшие мир . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521641128 . OCLC 699759455 .
- ^ Робок, Алан; Амманн, Каспар М.; Оман, Люк; Шинделл, Дрю; Левис, Сэмюэл; Стенчиков, Георгий (27 мая 2009 г.). «Привело ли извержение вулкана Тоба примерно 74 тыс. лет назад к повсеместному оледенению?» . Журнал геофизических исследований . 114 (Д10): Д10107. Бибкод : 2009JGRD..11410107R . дои : 10.1029/2008JD011652 . S2CID 37420327 .
- ^ Селф, Стивен; Чжао, Цзин-Ся; Холасек, Рик Э.; Торрес, Ронни С.; Кинг, Алан Дж. (1993). Атмосферное воздействие извержения горы Пинатубо в 1991 году (Отчет). 19990021520.
{{cite report}}
: Неизвестный параметр|agency=
игнорируется ( помогите ) - ^ Физика, Институт им. «Удары метеорита и астероида» . www.iop.org . Проверено 13 апреля 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Бялик, Роберт; Майданьский, Мариуш; Москалик, Матеуш (14 июля 2014 г.). Достижения, история и вызовы геофизики: 60 лет Институту геофизики Польской академии наук . Спрингер. ISBN 9783319075990 .
- ^ Дасгупта, Шиваджи Н.; Аминзаде, Фред (2013). Геофизика для инженеров-нефтяников . Берлингтон: Elsevier Science. ISBN 9780080929613 .
- ^ Хао, Цзин; Чжан, Юнсян; Цзя, Янвэнь; Ван, Хао; Ню, Цунвен; Ган, Юндэ; Гун, Ичэн (2017). «Оценка уязвимости подземных вод и ее несоответствия качеству подземных вод на основе модифицированной модели DRASTIC: тематическое исследование в районе Чаоян города Пекин». Арабский журнал геонаук . 10 (6): 144. Бибкод : 2017ArJG...10..144H . дои : 10.1007/s12517-017-2885-4 . S2CID 132334208 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Аноним (1995). «Введение в комитет по истории геофизики». Эос, Труды Американского геофизического союза . 76 (27): 268. Бибкод : 1995EOSTr..76..268. . дои : 10.1029/95EO00163 .
- Браш, Стивен Г. (сентябрь 1980 г.). «Открытие ядра Земли». Американский журнал физики . 48 (9): 705–724. Бибкод : 1980AmJPh..48..705B . дои : 10.1119/1.12026 .
- Браш, Стивен Г. (2003). «Геофизика». В Grattan-Guinness, I. (ред.). Сопутствующая энциклопедия истории и философии математических наук . Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джонса Хопкинса. стр. 1183–1188. ISBN 9780801873973 .
- Гиллмор, К. Стюарт, изд. (2013). История геофизики: Том 1 . Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665213 .
- Гиллмор, К. 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, К. Стюарт, изд. (2013). История геофизики: Том 4 . Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. ISBN 9781118665534 .
- Гиллмор, К. Стюарт; Спрайтер, 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 Институт Карнеги в Вашингтоне . 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. Бибкод : 2000ШПМП..31..259Г . дои : 10.1016/S1355-2198(00)00018-6 .
- Юрист Ли С.; Бейтс, Чарльз К.; Райс, Роберт Б. (2001). Геофизика в делах человечества: персонализированная история разведочной геофизики (2-е изд.). Талса: Общество геофизиков-разведчиков. ISBN 9781560800873 .
- Оливер, Джек (1996). Толчки и камни: сейсмология в революции тектоники 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 . S2CID 122239663 .
- Шериф, В.М. Телфорд; Л. П. Гелдарт; РЭ (2001). Прикладная геофизика (2-е изд.). Кембридж: Кембриджский университет. Нажимать. ISBN 9780521339384 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - Вуд, Роберт Мьюир (1985). Темная сторона земли . Лондон: Аллен и Анвин. ISBN 978-0045500338 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- АГУ История геофизического комитета :* АГУ История геофизического комитета. «Исторические статьи Эоса, Труды Американского геофизического союза 1969–1999» . Американский геофизический союз. Архивировано из оригинала 17 августа 2011 года . Проверено 16 марта 2018 г.
- АГУ История геофизического комитета. «Публикации по интересам» . Американский геофизический союз. Архивировано из оригинала 17 августа 2011 года . Проверено 16 марта 2018 г.
- Харди, Шон Дж.; Гудман, Рой Э. (19 сентября 2005 г.). «Веб-ресурсы в истории геофизики» . История Комитета геофизики . Американский геофизический союз. Архивировано из оригинала 27 апреля 2013 года . Проверено 16 марта 2018 г.
- IAGA (31 мая 2016 г.). «Межотделенная комиссия по истории» . Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии . Проверено 7 апреля 2018 г.