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关于地球物理学,这里有个大笑话-易百科
2022-10-21 09:13:01
Mars
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来源:易百科

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

1.3亿光年外的引力波刚被人类探测到了,而引力波能做啥暂时未知。但地球上一直以来都那么轰轰烈烈的地震波,它们能做的事却是早已确定了的——用来探测地球内部并将其分层。

给我一个超声波,然后……我从孕妇圆圆的肚皮上探测出了胎儿的形状。

好吧,现在给你一个地震波,你又该如何探索地球内部?

咱们一步一步来。

地球物理学


地震波不是一种波,它是三种波的统称,分别是P波,S波和表面波。

地震时,表面波来得最晚,但把人类伤得最深,因为它的振幅最大。

而P波和S波对地球物理学家们帮助最大,本文着重说这两种波。

P波的特点是,其振动方向和前进方相同,故在所有地震波中,它的速度最快,也最早抵达。最需要注意的一点是,P波能在固体和液体中传递。

S波的特点是,其振动方向垂直于波的前进方向(如上图),S波的速度仅次于P波。需要我们牢记的是,S波只能在固体中传播。

准备工作已做好。万事俱备,只欠地震!

…………

终于等到你,来自北极的地震:

上面的动图中,蓝色的波为P波,因为它总是一马当先。而红色的为S波。

奇怪的是,我们在南半球的地震监测站只收到P波,而S波却不见踪影,这是为什么?

回头复习一下,嗯,S波不能在液体中传播!于是,我们推断,在地球内部某个深度下一定有着熔融状的液体。

可不能乱下结论!所以,我们还得继续试验:

如上图,“蝌蚪状”的S波依然不能穿透地球内部,当它到达一定深度后要么反弹回来,要么反射到其他方向。问题是,这个深度到底是多少?

由于S波的速度我们是知道的,根据其来回所耗用的时间,我们就能得到一个数据,那就是在我们脚下,2885公里深的地方,有一个液态的面,那里的物质呈熔融状。

这个面,就叫做“古登堡界面”。1914年,德国地球物理学家宾诺·古登堡发现地下2885公里处,地震波的传播速度有明显变化,其中P波的速度明显下降,而横波则完全消失。后来证实,这个面是地核与地幔的分界层。

发现古登堡界面后,咱们继续施放地震,或者在地下十几公里深处来一颗氢弹。

如上面的动图,注意动图中标注的那条线,也就是那道波,它跟前一道波相比,走的路径更长,但它却比前一道波先到达地面!

这更奇怪了。面对这种现象,来自克罗地亚的地震学家莫霍洛维奇百思不得其解。

1909年,克罗地亚国内发生了地震。莫霍洛维奇拿到多个地震观测站的数据后开始比对,结果,他惊讶地发现,有的地震波是以7~8千米每秒的速度向更远的地震站传播的。

到底是另一种速度更快的地震波,还是同一种波选择了另一条捷径?

最终,莫霍洛维奇经过深思熟虑后,他得出结论,这是P波走了捷径的缘故,在厚厚的地壳下,有着另一层不同于地壳的物质,它就是我们现在说的地幔,地幔中的物质密度更大,所以地震波传播得更快。

为了纪念莫霍洛维奇,故把地壳和地幔的分界面叫做莫霍面。

地球物理学是一门充满着各种争论的学科,然而,100年过去了,地球内部的“莫霍面”和“古登堡面”却是地球物理学公认的基石之一。

方法补充

上文我们用地震波回顾了一下历史上莫霍面、古登堡面的发现过程。关于地震波,我们还需要补充一些知识。

地震波的速度取决于介质的密度和弹性。又因为地球密度随深度增加而增加,所以地震波的速度范围从地壳中的大约2到8公里/秒,到深地幔中的13公里/秒。

水槽中加满水后,激光的折射与反射。

跟光波一样,地震波也会反射和折射。当它在地球内部传播,遇到不同的介质时,路径就会改变。

如上面的动图,当P波穿过地球内部,并从外核进入地幔时,发生了明显的折射。另外,动图顶部的地震波走的明显是曲线,原因如下,如果物质的密度是均匀的,则地震波将走直线,但如果物质的密度是一个渐变的过程,则地震波走的也将是一个渐变的曲线。正是以上这些原因的存在,我们看到,在南半球的一部分地震监测站检测不到P波,这就是P波的阴影区。同理,S波也存在阴影区。而两个阴影区交叠的地方,地震站将接受不到任何地震波。

根据以上方法(当然还有别的方法),地球物理学家们将地球分成了以上结构。不过,如果是根据机械性能的不同,我们又可以将其这样分:岩石圈、软流层、地幔、外核和内核。

轻松一刻

地球物理学是一门通过地震波、重力、电磁、地热和放射能等方法研究地球的学科,而关于地球物理学有不少笑话,其中一个是这样的:

一个老板让地质学家、工程师和地球物理学家到他的办公室。然后,他问每个人,2 + 3等于几?

工程师答:5.0000000。

地质学家答:4到6之间。

地球物理学家靠近老板,回答道:老板,你想要什么?

对这个笑话若不深入了解,难免会对地球物理学家们有误解。实际上,这个笑话跟一个著名的理论有关,这就是“地球物理反演理论”。

要懂得什么是反演?先得知道什么是正演。这里,中国地球物理学家杨文采院士给我们做了一个形象的比喻。他说:

将一瓶香水放到房间中央,从扩散方程得知,一天之后小房间内将布满大致均匀分布的香水分子,这就是正演。

而反演就是,已知屋子内的香水分布,然后让你推算出,香水是何时放到屋子里的?装香水的瓶子又是什么形状?

地球表面被坚硬的岩石所覆盖,而人类至今钻探的最深井也就1万多米。所以,没有人见过15公里以下的岩石什么样。

而现在,人类却对地球内部的物理性质已经有了不同程度的了解,但这些知识多数是来自于对地球物理的反演,而不是来自于钻井。

既然是反演,就必然存在多解性。正如地球物理学家刘光鼎院士在一次报告中强调的那样:任何地球物理的反演问题都是多解的,不唯一的。

比如前面的“香水问题”,反演时,我们显然是无法求出“香水何时放置?”的精确时间的,也就是得不到一个唯一解。

所以笑话中,地球物理学家才如此回答:老板,你想要什么?

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本文关键词: 地球物理学
本文标签: 地球  

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