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.

היסטוריה 
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.

העת העתיקה והתקופה הקלאסית 

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.

המהפכה המדעית 
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.

תופעות פיזיקליות 
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.

כבידה 

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.

מעבר חום 

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-, והוא אחד המקורות האפשריים לאנרגיה הגאותרמית.

רעידות 

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.

תופעות חשמליות 
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 .
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 
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.

מגנטיות 

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 כמילון 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.

רדיואקטיביות 

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.

ראו גם

 דינמיקת זורמים (תחום משנה של מכניקת הזורמים)

לקריאה נוספת
 אביהו גינצבורג, מבוא לגאופיסיקה, האוניברסיטה הפתוחה, 2010.

קישורים חיצוניים
 התוכנית הגאומגנטית של סוכנות הסקר הגאולוגי של ארצות הברית
 תמונת היום באסטרונומיה
 המכון הגיאופיסי של ישראל

הערות שוליים