地球物理学
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地球物理學（英語：Geophysics）是透過定量物理方法研究地球的自然科學學科。通常使用地震波、重力、電磁、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；評估環境復育的場址等等。
發展歷史
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（GRS80）計算得到3維位置。另外也有大地天文學方法，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。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]。
参見
注解
- ^ 1.0 1.1 Sheriff 1991
- ^ 2.0 2.1 IUGG 2011
- ^ AGU 2011
- ^ Hardy & Goodman 2005
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- ^ Eratosthenes 2010
- ^ Temple 2006，第177–181頁
- ^ 8.0 8.1 Dewey & Byerly 1969
- ^ Temple 2006，第162–166頁
- ^ Merrill, McElhinny & McFadden 1996
- ^ Newton 1999 Section 3
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- ^ Defense Mapping Agency 1984
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- ^ CSR 2011
- ^ Muller & Sjogren 1968
- ^ 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（臺灣））.
參考文獻
- 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 (技术报告). 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）.
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- 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) (报告). 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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