גאופיזיקה

גאופיזיקה היא המדע העוסק בפיזיקה של כדור הארץ וסביבתו בחלל והעיסוק המדעי בחקר כדור הארץ בשיטות פיזיקליות-כמותיות. המונח "גאופיזיקה" משמש לעיתים לתיאור תכונותיו הגאולוגיות של כדור הארץ: צורתו, שדה הכבידה והשדה המגנטי שלו, מבנהו הפנימי והרכבו ופני השטח שלו באמצעות טקטוניקת הלוחות וחקר היווצרות סלעים, זרמי המאגמה והגעשיות. עם זאת, ארגוני גאופיזיקה מודרניים עושים שימוש בהגדרה רחבה יותר, הכוללת גם את מחזור המים, דינמיקת האוקיינוסים והאטמוספירה, התופעות האלקטרומגנטיות של היונוספירה והמגנטוספירה, השפעות השמש על כדור הארץ ותופעות מקבילות בירח ובכוכבי לכת אחרים. על אף שהוכרה כדיסציפלינה נפרדת רק במאה ה־19, לגאופיזיקה היסטוריה עתיקה. המצפנים הראשונים מתוארכים למאה הרביעית לפנה"ס והסייסמוגרף הראשון נבנה בשנת 132 לפנה"ס. שיטות גאופיזיקליות יושמו לצורכי ניווט ימי עוד מימי קדם. ניוטון יישם את תורת המכניקה שלו כדי לתאר את מחזורי הגאות והשפל ואת נקיפת ציר כדור הארץ. התקנים שונים למדידת צורת הכדור הארץ, צפיפותו, שדה הכבידה שלו ומחזור המים שעליו נבנו לאורך ההיסטוריה. במהלך המאה ה־20, פותחו שיטות גאופיזיקליות לחקר מרחוק של היבשות והאוקיינוסים והגאופיזיקה שיחקה תפקיד מרכזי בפיתוח תאוריית טקטוניקת הלוחות. בגאופיזיקה נעשה שימוש גם לצרכים חברתיים כגון חקר וניהול המשאבים הטבעיים של כדור הארץ, מניעת אסונות טבע וקידום חקר הגנת הסביבה. סריקות גאופיזיקליות מתבצעות תכופות במטרה להעריך היתכנות להמצאות מאגרי נפט, גז טבעי או מינרלים, לצורך חיפוש מאגרי מים תת-קרקעיים, לצרכים ארכאולוגיים, להערכת עוביים של קרחונים וקרקעות ולתכנון והכנה של פרויקטי שימור סביבתיים. רק במאה ה-19 הופיעה הגאופיזיקה כדיסציפלינה נפרדת ששילבה תחומים מתוך גאוגרפיה פיזית, גאולוגיה, אסטרונומיה, מטאורולוגיה ופיזיקה. אף-על-פי-כן, תופעות גאופיזיקליות רבות כגון רעידות אדמה והשדה המגנטי של כדור הארץ נחקרו עוד בעת העתיקה. המצפן היה קיים בסין העתיקה כבר במאה הרביעית לפנה"ס ונעשה בו שימוש לצורכי ניווט יבשתי ופנג שואי. מצפנים לשימוש ימי הופיעו רק כאשר ניתן היה לייצר מחטים איכותיות ממתכת. עד אז היכולת של המצפן לשמור על המגנוט שלו לאורך זמן הייתה מוגבלת מאוד. האזכור הראשון של מצפן באירופה מופיע בשנת 1190. בערך בשנת 240 לפנה"ס, בהישג מדעי נדיר, הסיק ארטוסתנס שהארץ כדורית ומדד את היקפה. את החישוב ביצע באמצעות מדידת הזוויות בין כדור הארץ לשמש בקווי רוחב שונים. ארטוסתנס אף פיתח מערכת קואורדינאטות על פני כדור הארץ וחישב את נטיית ציר הסיבוב שלו. התרומה הראשונה בהיסטוריה לסייסמולוגיה הייתה ככל הנראה המצאת הסייסמוגרף הראשון על ידי הממציא הסיני ג'אנג הנג בשנת 132 לספירה. המכשיר תוכנן בצורת לוע של דרקון שהפיל מתוכו כדור מתכת לתוך אחד משמונה לועות של צפרדעים שסימנו את רוחות השמיים. כיוון הנפילה של הכדור סימן את כיוון מקור רעידת האדמה. 1571 שנים מאוחר יותר, תוכנן לראשונה באירופה סייסמוגרף על ידי ז'אן דה-הוטפויי. הוא לא נבנה מעולם. אחד הפרסומים שסימנו את תחילתה של המהפכה המדעית היה על המגנט של ויליאם גילברט משנת 1600, מאמר על סדרה של ניסויים מדויקים בנושא מגנטיות. גילברט הגיע להבנה שהסיבה לכך שמצפנים מצביעים כולם לאותו כיוון נובעת מהעובדה שכדור הארץ עצמו הוא מגנטי. בשנת 1687 פרסם ניוטון את חיבורו עקרונות בו הניח את היסודות לא רק לתורת המכניקה הקלאסית והכבידה אלא גם נתן הסברים לשורה של תופעות גאופיזיקליות כגון גאות ושפל ונקיפת ציר כדור הארץ. הסייסמוגרף, מכשיר העוקב אחר פעילות סייסמית, הראשון נבנה בסקוטלנד בשנת 1844 על ידי ג'יימס פורבס. גאופיזיקה היא דיסציפלינה בינתחומית בבסיסה וגאופיזיקאים תורמים לכל תחומי מדעי כדור הארץ. על-מנת לספק תיאור בהיר על התחומים המרכיבים את הגאופיזיקה, סעיף זה יעסוק בתופעות פיזיקליות והקשר שלהן לכדור הארץ וסביבתו. משיכת כח הכובד של הירח ושל השמש גורמת על פני כדור הארץ לשני מחזורי גאות ושפל בכל יממה ירחית של 24 שעות ו-50 דקות. כתוצאה מכך, קיים פער של כ-12 שעות ו-25 דקות בין כל גאות לגאות. כוחות הכבידה מפעילים מאמצים על סלעים הנמצאים בעומק האדמה וגורמים להגדלת הצפיפות ככל שמעמיקים לכיוון מרכז כדור הארץ. מדידות של תאוצת הכובד והאנרגיה הפוטנציאלית על-פני שטח כדור הארץ ומעליו יכולות לשמש בחיפוש אחר מרבצי מינרלים בבטן האדמה שדה הכבידה על-פני השטח מספק מידע על טקטוניקת הלוחות. הפוטנציאל הגרוויטציוני, המכונה גאואיד, משמש כהגדרה אפשרית אחת מבין כמה לצורת פני השטח של כדור הארץ. הגאואיד הוא למעשה גובה פני הים הממוצע לו היו האוקיינוסים בשיווי משקל וניתן היה להמשיך ולמתוח אותם באותו גובה מתחת לפני השטח היבשתיים. כדור הארץ מתקרר, ומעבר החום כתוצאה מכך גורם להיווצרות השדה המגנטי של כדור הארץ על ידי גאו-דינמו וטקטוניקת הלוחות באמצעות מנגנון זרמי הערבול. המקורות העיקריים לחום הם החום המקורי של הכדור ורדיואקטיביות, על-אף שתהליכי מעברי פאזה תורמים ליצירתו אף הם. מעבר החום לעבר פני השטח מתבצעת בעיקר על ידי הסעת חום, על אף קיומן של שני תחומי שכבות בתוך הכדור, תחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג והליתוספירה, שבהן מעבר החום מתבצע באמצעות הולכה ולא הסעה. הסעת חלק מהחום מתבצעת מתחתית המעטפת לכיוון פני השטח באמצעות תימרות מעטפת. מעבר החום על פני השטח של הכדור שווה לכ- 4.2 × 10 13 W {\displaystyle 4.2\times 10^{13}W} , והוא אחד המקורות האפשריים לאנרגיה הגאותרמית. ערך מורחב – סייסמולוגיה גלים סייסמיים הם רעידות המתקדמות בתווך הפנימי של כדור הארץ ועל פני השטח שלו. כדור הארץ כולו יכול גם להתנדנד באופנים המכונים אופני תנודה עצמיים. תנועות על פני השטח הנובעות מגלים סייסמיים ומאופני התנודה נמדדים באמצעות סייסמוגפים הממוקמים בעשרות אלפי תחנות סייסמוגרפיות הפזורות על פני הגלובוס. אם מקור הגלים הוא מקומי, כמו במקרה של רעידת אדמה או פיצוץ, מדידות במקומות שונים על פני השטח יכולות לסייע באיכון, איתור מקור הגלים. מיקומן ושכיחותן של רעידות אדמה מספקים מדע על טקטוניקת הלוחות וזרמי הערבול. מדידות גלים סייסמיים מספקות גם מידע על התווך בו מתקדמים הגלים. אם הרכב או צפיפות הסלע משתנים באופן פתאומי, חלק מהגלים מוחזר. החזרות יכולות לספק מידע על מבנים קרובים לפני השטח. רעידות אדמה מהוות סיכון לבני אדם. הבנה טובה יותר של מנגנון הפעולה שלהם, התלוי בסוג הרעידה, יכולה להוביל להערכה טובה יותר של הסיכון ולשיפור בתחום הנדסת רעידות אדמה. על אף שעיקר התופעות החשמליות הטבעיות שאנו מבחינים בהן על פני כדור הארץ מקורן בסערות ברקים, קיים קרוב לפני השטח באופן תמידי שדה חשמלי בעוצמה ממוצעת של 120 V m − 1 {\displaystyle 120Vm^{-1}} . לעומת הקרקע המוצקה, האטמוספירה של כדור הארץ טעונה במטען חשמלי חיובי כתוצאה מפגיעה של הקרינה הקוסמית. כתוצאה מכך, זורם לכיוון פני כדור הארץ זרם חשמלי בעוצמה ממוצעת של 1,800 אמפר. הזרם זורם מטה מהיונוספירה על פני רוב שטחו של כדור הארץ וחוזר חזרה מעלה דרך סופות ברקים. סקרים גאופיזיים סוקרים מגוון תופעות חשמליות. חוקרים מודדים את הפוטנציאל הספונטני, פוטנציאל באדמה שמקורו בהפרעות טבעיות או מעשה ידי אדם. זרמי טלורי הזורמים באדמה ובאוקיינוסים נחקרים אף הם וגורמים להם השראה אלקטרומגנטית של השדה המגנטי של כדור הארץ ותנועות של מוליכים (כגון מי ים) על פני כדור הארץ. ההתפלגות של צפיפות הזרמים הללו יכולה לשמש בגילוי שינויים בהתנגדות החשמלית של מבנים תת-קרקעיים. גאופיזיקאים יכולים גם ליצור בעצמם את הזרמים החשמליים לצורכי הדמיה בבטן האדמה. גלים אלקטרומגנטיים מופיעים ביונוספירה ובמגנטוספירה וכמו כן בגלעין כדור הארץ. גלים אלו, יחד עם סופות ברקים, הם המקור לתופעות הקשורות בגלי רדיו נמוכים הנמדדות על פני השטח של כדור הארץ. גם רעידות אדמה יכולות לגרום להיווצרותם של גלים אלקטרומגנטיים בכדור הארץ. בגלעין החיצוני, בו קיים ריכוז גבוה של מתכת הברזל המוליכה, זרמים חשמליים יוצרים שדות מגנטיים כתוצאה מהשראה. גלי אלפבן הם גלים מגנטו-הידרודינמיים (גלים בתווך מוליך נוזלי) הנוצרים בגלעין ובמגנטוספירה. בגלעין אין להם השפעה מרובה על השדה הגאומגנטי אולם גלים איטיים יותר נחשבים לגורם אפשרי לשינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ. בסקרים גאופיזיים עושים שימוש בהדמיה מגנטית ובפולסים חשמליים חזקים כדי לאסוף מידע על התנהגות השדות על כדור הארץ ובסביבתו. ערך מורחב – השדה המגנטי של כדור הארץ השדה המגנטי של כדור הארץ מגן עליו מפני רוח השמש הקטלנית ושימש מאז העת העתיקה לצורכי ניווט. מקורו בתנועת הנוזלים בגרעין החיצוני (ראה תאוריית הדינמו). השדה המגנטי בחלקה העליון של האטמוספירה הוא המקור לתופעת הזוהר הצפוני. השדה המגנטי של כדור הארץ ניתן לתיאור בתורה גסה כדיפול מגנטי מוסט, אך הוא משתנה עם הזמן. ברוב הזמן הקוטב המגנטי נותר קרוב לקוטב הגאוגרפי, אך במרווחי זמן מסדר גודל של כמיליון שנה עובר השדה היפוך כיוון. עדויות לתהליך הזה ניתן למצוא בסלעים ובקרקעית הים. רצועות מגנטיות על פני קרקעיות האוקיינוסים מספקות מידע על היפרדות שטחים בקרקעית כחלק מטקטוניקת הלוחות, והשוואה של תקופות המגנטיזציה לממצאים סטרטיגרפיים מסייעת בהבנה ואפיון תקופות זמן גאולוגיות. בנוסף, המגנטיזציה של סלעים משמשת למדידת נדידת היבשות. ערך מורחב – תיארוך רדיומטרי רדיואקטיביות מהווה 80% מהחום הפנימי של כדור הארץ והספק האנרגיה העיקרי לגאודינמו ולתנועת הלוחות. האיזוטופים מייצרי החום העיקריים הם פוטסיום-40, אוראניום-238, אוראניום-235, ותוריום-232. יסודות רדיואקטיביים משמשים בתיארוך רדיומטרי, השיטה העיקרית לקביעת תקופות זמן גאולוגיות. איזוטופים בלתי-יציבים מתפרקים בקצב ידוע, וקצבי ההתפרקות של סוגי איזוטופים שונים מכסים כמה סדרי גודל של זמן כך שניתן לעשות שימוש בשיטה לצורך תארוך קצר מועד וגם לצורך קביעת זמנים גאולוגיים מסדרי גודל של מאות מיליוני שנים. דינמיקת זורמים (תחום משנה של מכניקת הזורמים) אביהו גינצבורג, מבוא לגאופיסיקה, האוניברסיטה הפתוחה, 2010. התוכנית הגאומגנטית של סוכנות הסקר הגאולוגי של ארצות הברית תמונת היום באסטרונומיה המכון הגיאופיסי של ישראל (אורכב 28.10.2013 בארכיון Wayback Machine) science/physical-geology גאופיזיקה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) גאופיזיקה, דף שער בספרייה הלאומית Sheriff, Robert E. (1991). "Geophysics". Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics(3rd ed.). Society of Exploration. ISBN 978-1560800187 American Geophysical Union (2011). "Our Science". About AGU. Retrieved September 2011. American Geophysical Union (2011). "Our Science". About AGU. Retrieved September 2011. Gary Mavko, 4D seismic monitoring of oil and gas production., SEG - Society of Exploration Geophysicists Hardy, Shaun J.; Goodman, Roy E. (2005). "Web resources in the history of geophysics".American Geophysical Union. Retrieved September 2011. Temple, Robert (2006). The Genius of China. Andre Deutsch. ISBN 0671620282. Erastothenes (2010). Eratosthenes' "Geography". Fragments collected and translated, with commentary and additional material by Duane W. Roller. Princeton University Press.ISBN 978-0691142678. Dewey, James; Byerly, Perry (1969). "The Early History of Seismometry (to 1900)". Bulletin of the Seismological Society of America 59 (1): 183–227. Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle. International Geophysics Series.63. Academic Press. ISBN 0-12-49125-1. Newton, Isaac (1999). 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. ISBN 978-0-520-08816-0. Ross, D.A. (1995). Introduction to Oceanography. HarperCollins. ISBN 0134914082. Poirier, Jean-Paul (2000). Introduction to the Physics of the Earth's Interior. Cambridge Topics in Mineral Physics & Chemistry. Cambridge University Press. ISBN 0-521-66313-X. Telford, William Murray; Geldart, L. P.; Sheriff, Robert E. (1990). Applied geophysics.Cambridge University Press. ISBN 9780521339384. Lowrie, William (2004). Fundamentals of Geophysics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-46164-2. Davies, Geoffrey F. (2001). Dynamic Earth: Plates, Plumes and Mantle Convection.Cambridge University Press. ISBN 0-521-59067-1. Fowler, C.M.R. (2005). The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics (2 ed.).Cambridge University Press. ISBN 0-521-89307-0. Pollack, Henry N.; Hurter, Suzanne J.; Johnson, Jeffrey R. (1993). "Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set". Reviews of Geophysics 31 (3): pp. 267–280.doi:10.1029/93RG01249. Stein, Seth; Wysession, Michael (2003). An introduction to seismology, earthquakes, and earth structure. Wiley-Blackwell. ISBN 0-86542-078-5. Bozorgnia, Yousef; Bertero, Vitelmo V. (2004). Earthquake Engineering: From Engineering Seismology to Performance-Based Engineering. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1439-1. Harrison, R. G.; Carslaw, K. S. (2003). "Ion-aerosol-cloud processes in the lower atmosphere". Reviews of Geophysics 41 (3): 1012. Bibcode 2003RvGeo..41.1012H.doi:10.1029/2002RG000114. Lanzerotti, Louis J.; Gregori, Giovanni P. (1986). "Telluric currents: the natural environment and interactions with man-made systems". In Geophysics Study Committee; Geophysics Research Forum; Commission on Physical Sciences, Mathematics and Resources et al. The Earth's Electrical Environment. National Academy Press. pp. 232–258. ISBN 0-309-03680-1. Kivelson, Margaret G.; Russell, Christopher T. (1995). Introduction to Space Physics.Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-45714-9. Opdyke, Neil D.; Channell, James T. (1996). Magnetic Stratigraphy. Academic Press. ISBN 0-12-527470-X. Turcotte, Donald Lawson; Schubert, Gerald (2002). Geodynamics (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-66624-4. Sanders, Robert (2003-12-10). "Radioactive potassium may be major heat source in Earth's core". UC Berkeley News. Retrieved 2007-02-28. Renne, P.R.; Ludwig, K.R.; Karner, D.B. (2000). "Progress and challenges in geochronology".Science Progress 83: 107–121. PMID 10800377.