Геофизика

Геофизика — една од природните науки која се занимава со физичките процеси и физичките својства на Земјата и непосредната животна средина, како и за употреба на квантитативни методи за нивна анализа. Поимот ''геофизика'' понекогаш се однесува само за геолошките примени: Земјиниот облик, гравитациските и магнетните полиња,Земјината градба и состав, Земјината динамика и изгледеот на тектонските плочи, изливот на магмата, вулканизмот и создавањето на карпите. Сепак, современата геофизика користи поширока дефиниција која ги вклучува: кружниот тек на водата, (вклучувајќи снег и мраз), хидродинамиката на океаните и атмосферата, електрицитетот и магнетизмот во јоносферата и магнетосферата, како и сончево-земјените односи и сличните проблеми поврзани со Месечината и другите планетите.
Иако геофизиката беше призната како посебна наука во век, нејзините корени датираат од античките времиња. Првите магнетните компаси биле направени од магнетит, но современиот магнетен компас има важна улога во морската навигација. Првиот сеизмички инструмент била осмислен во 132 година п.н.е. Исак Њутн ја применил својата теорија за механиката и плимата и осеката и прецесијата на рамнодневницата, по што биле развиени инструменти за мерење на Земјиниот облик, густина и гравитациското поле, како и деловите на кружниот тек на водата. Во век, развиени се геофизички методи за посредно изучување на Земјата и океаните, со што геофизиката одигра важна улога во развојот на теоријата за тектонските плочи.
Геофизиката се применува за општествените потреби, како што се: минералните ресурси, справувањето со природните непогоди и заштитата на животната средина. Геофизичките истражувања и податоците добиени од нив се користат за анализа на можните нафтени басени и минерални наоѓалишта, да се изнајдат подземните води подземните води, да се изнајдат археолошки наоѓалишта, да се определи дебелината на ледниците и почвите и да се проценат местата за еколошко опоравување.
1 Физички појави
Геофизиката е полидисциплинарна наука, и геофизичарите придонесуваат за секоја од науките за Земјата. За да се обезбеди појасна идеја што всушност претставува геофизиката, во овој дел ќе се опишат појавите кои ги изучува физиката и како тие се поврзани со Земјата и нејзината околина.
1.1 Гравитација
Гравитациското привлекување меѓу Месечината и Сонцето обезбедува појава на две плими и две осеки при секој месечев ден, или пак на секои 24 часа и 50 минути. Од оваа причина, постои празнина од 12 часа и 25 минути меѓу секоја плима и осека.
Гравитациските сили ги притискаат камењата подлабоко во Земјата, зголемувајќи ја нивната густина, како што се зголемува длабочината. Мерењата на гравитациското забрзување и гравитацискиот потенцијал на Земјината над и на Земјината површина може да се искористи за потрага на минерални резерви (Погледајте гравитациска аномалија и гравиметрија). Површинското гравитациско поле дава информации за динамиката на тектонските плочи. Геопотенцијалот на површината наречен геоид е еден од описите на Земјиниот облик. Геодиот би бил светското средно ниво на морето доколку океаните се во рамнотежа и би се протегале низ континентите (налик на мали тесни канали).
1.2 Топлински проток
Земјата се лади, и добиениот топлински пренос го создава Земјиното магнетно поле преку геодинамото и тектониката на плочите преку плаштовото струење. Главните извори на топлина се првичната топлина и радиоактивноста, иако постојкат и придонеси од фазните премини. Топлината најмногу се носи на површината преку топлинското струење, иако постојат ва гранични топлински слоеви – Гутенберговиот прекин и литосферата – каде топлината се пренесува преку струење. Дел од топлината се носи од дното на Земјиниот плашт преку плаштови перјаници. Текот на топлината на Земјината површина е за , и потенцијален извор на геотермална енергија.
1.3 Вибрации
Сеизмичките бранови се вибрации кои патуваат низ внатрешноста на Земјата или по нејзината површина. Целата Земја може да осцилира во облици кои се нарекуваат нормални колебања или Земјини слободни осцилации. Движењата на тлото предизвикани од брановите или нормалните колебања се мерат со помош на сеизмографи. Ако брановите доаѓаат од месен извор како на пример земјотрес или пак експлозија, мерењата се вршат на повеќе од една местоположба и можат да се користат за определување на положбата на изворот. Местоположбите на земјотресите обезбедуваат информации за тектонските плочи и плаштовото струење..
Мерењата на сеизмичките бранови претставуваат извор на информации за областа низ кои патуваат брановите. Ако густината или составот на карпата се промени одеднаш, дел од брановите се одбива. Одбиените бранови може да обезбедат информации за површинската структура. Промените во насоката на движење сее нарекува прекршување, и може да се искористи за одредување на длабинската структура на Земјата.
Земјотреси претставуваат опасност за луѓето. Разбирањето на нивниот механизам, што пак зависи од видот на земјотресот (на пример меѓуплочен или длабински), може да доведат до подобри проценки за опасноста од земјотресите и подобрување на земјотресното инженерство.
1.4 Електрична струја
Иако претежно ние струјата ја забележуваме за време на олуи со грмотевици, постои секогаш електрично поле насочено надолу во близина на површината кое во просек има 120 волти на метар. Релативно во однос на цвртата земја, атмосферата има збирен позитивен полнеж поради бомбардирањето од космичките зраци. Струја со јачина од 1800 ампери протекува низ целиот свет. Протекува надолу од јоносферата над поголем дел од Земјата и назад нагоре преку олујните облаци. Текот се прикажува преку молњите под облаците и црвените виленици над облаците.
Различни електрични методи се користат во геофизичките испитувања. Некои имаат спонтан потенцијал, потенцијал кој потекнува од земјата поради човековите или пак природните препреки. Земјините струи протекуваат во Земјата и океаните. Тие имаат две потекла: електромагнетна индукција од временско променливото, надворешно Земјиното магнетно поле и движењата на проводните тела (на пример морската вода) низ постојаното Земјино магнетно поле. Распределбата на густината на Земјините струи може да се искористи за забележување на промените во електроспроводливоста на подземните структурите. Герофизичарите можат исто така да ја искористат струјата (Погледајте индуцирана поларизација и електротомографија).
1.5 Електромагнетни бранови
Електромагнетни бранови се појавуваат во јоносферата и магнетосферата, како и на Земјиното надворешно јадро. Утринскиот хор се верува дека е предизвикан од високоенергетски електрони, кои се зафатени од Ван Аленовиот појас.Свиркачите настануваат како последица од удари на громови. Шушкањето може да биде создадено од двете појави. Електромагнетните бранови исто така може да се создадат и од земјотреси (Погледајте сеизмо-електромагнетика).
Во Земјиното надворешно јадро, течат електрични струи во спроводното течно железо и се создаваат магнетни полиња преку електромагнетна индукција (Погледајте геодинамо). Алфвеновите бранови се магнетохидродинамични бранови во магнетосферата или на Земјиното јадро. Во јадрото, тие веројатно имаат мал видлив ефект на Земјиното магнетно поле, но поспорите бранови како магнетните Росбиеви бранови можат да бидат еден од изворите на земјомагнетната секуларна промена.
Електромагнетните методи кои се користат за геофизички истражувања вклучуваат преминлива електромагнетика и земјомагнетика.
1.6 Магнетизам
Земјиното магнетно поле ја штити Земјата од смртоносниот сончев ветар и долго време се користело за навигација. Тоа потекнува од движењата на течностите во Земјиното надворешно јадро (Погледајте геодинамо). Магнетно поле во горната атмосфера доведува до појава на поларни светлини.
Земјиното поле е налик на закосен дипол, но се менува со текот на времето (појава наречена земјомагнетната секуларна промена). Претежно геомагнетниот пол останува во близина на географскиот пол, но во интервали кои траат од 440.000 до еден милион години пред поларитетот на полето на Земјата да се смени. Овие земјомагнетни смени на половите се разгледуваат во рамките на земјомагнетната временска скала на смена на половите, која содржи 184 интервали во последните 83 милиони години, со промена во честотата со текот на времето, со последната смена на половите при т.н. Лашампов настан од пред 41.000 години за време на последната ледена доба. Геолозите забележале земјомагнетна смена на половите во вулканските карпи, користејќи магнетостратиграфииски врски (Погледајте природна позадинска магнетизација), оставајќи сопствена трага која може да се види како паралелни линиски магнетни аномалиски ленти на морското дно. Овие ленти обезбедуваат квантитативна информација за ширењето на морското дно, како дел од тектониката на плочите. Тие се основата на магнетостратиграфијата, што ги поврзува магнетните смени на половите со останатите стратиграфии за да се добие геолошката временска скала. Покрај тоа, магнетизацијата на карпите може да се искористи за мерење на движењето на континентите.
1.7 Радиоактивност
Радиоактивниот распад е причина за од Земјината внатрешна топлина, придвижувајќи го геодинамото и тектониката на плочите. Главните изотопи кои се причина за топлината се калиум-40, ураниум-238, ураниум-235 и ториум-232.
Радиоактивните елементи се користат за радиометриското датирање, првичен метод за воспоставување нба апсолутната временска скала во геохронологијата.
Нестабилните изотопи се распаѓаат во предвидени стапки, и стапките на распад за различните изотопи имаат неколку редови на големина, па радиоактивниот распад може да се користи за прецизно датирање неодамнешните и далечните настани во минатото т.е. геолошки ери. Радиометриското мапирање користи Земјина и воздушна гама спектрометрија за определување на концентрацијата и распределбата на радиоизотопите во близина на Земјината површина, која е корисна за мапирање на карпите и промените.
1.8 Динамика на флуидите
Движењата на флуидите се случуваат во магнетосферата, атмосферата, океаните, плаштот и јадрото. Дури и плаштот кој има голема вискозност, се движи како течност во долги временски интервали (Погледајте геодинамика). Овој тек се појавува во појавите како што се изостазијата, глациоизостазијата и плаштовите перјаници. Тековите во плаштот придонесуваат за постоењето на тектониката н плочите а тековите во Земјиното јадро го овозможуваат геодинамото.
Геофизичката динамика на флуидите е првична алатка за физичката океанографија и метеорологија. Вртењето на Земјата има значитерлни ефекти на Земјината динамика на флуидите, поради постоењето на Кориолисовиот ефект. Во атмосферата доведува до создавањето на големоразмерни шаблони како што се Росбиеви бранови и ја определува основната циркулација на движењата на бурите. Во океаните побудуваат големоразмерни шаблони како што се Келвиновите бранови и Екмановите спирали на океанската површина. Во Земјиното јадро, циркулацијата на стопеното железо е структурирана од Тејлоровите колони.
Брановите и другите појави во магнетосферата може да се моделираат користејќи магнетохидродинамика.
1.9 Минерална физика
Физичките својства на минералите мора да се познати за да се определи составот во Земјината внатрешност со употребата на сеизмологијата, геотоплинскиот градиент и други извори на информации. Минералните физичари ги изучуваат еластичните својства на минералите, нивните високопритисочни фазни дијаграми, точките на топење преку равенките на состојбата пори висок притисок, и реолошките својства на карпите, или пак нивната способност да течат. Деформирањето на карпите преку ползењето го овозможува течењето на карпите, иако на кратки временски интервали карпите се кршливи. Вискозноста на карпите е под влијание на температурата и притисокот, и на тој начин се определува чекорот со кој се движат тектонските плочи (Погледајте геодинамика).
Водата е сложена супстанција со единствени својства кои се од значење за животот. Нејзините физички својства ја образуваат хидросферата и се од важност за кружењето на водата и климата. Нејзините топлински својства го определуваат испарувањето и топлинскиот градиент во атмосферата. Многуте видови на врнежи вклучуваат сложена мешавина на процеси како што се срастувањето, суперладењето и суперзаситувањето. Дел од врнежите стануваат подземна вода, и овие води вклучуваат појави како што се филтрација, додека пак спроводливоста на водата овозможува елкектричните и електромагнетните методи да се корисни за следење на подземните текови. Физичките својства на водата како што се соленоста имаат голем ефект на движењето на океаните.
Многуте фази на мразот ја образуваат криосферата и ги има во облици познати како мразовите покривки, ледниците, морскиот мраз, слатководниот мраз, снегот, или смрзнатата земја (или постојан мраз).
2 Области на Земјата
2.1 Големина и облик на Земјата
Земјата е скоро топчеста, но набабрува кон екваторот, па може да се каже дека претставува елипсоид (Погледајте Земјин елипсоид). Ова набабрување се должи на Земјиното вртење и е во согласност со Земјата во хидростатска рамнотежа. Деталниот облик на Земјата, сепак, е под влијание на распределбата на континентите и океанските котлини, и до некој степен од динамиката на плочите.
2.2 Внатрешна градба
Доказите од сеизмологијата, топлинските текови на површината и минералната физика се спојува со Земјината маса и моментот на инерција за да се добие моделот за внатрешноста на Земјата – составот, густината, температурата, притисокот. На пример, Земјината средна специфична тежа е доста повисока од вообичаената специфична тежа на карпите на површината, што не доведува до заклучокот дека материјалот во длабочината е погуст. Ова може да се заклучи и од малиот момент на инерција (, споредено со за топка со постојана густина). Сепак, дел од густината се зголемува поради големите притисоци во внатрешноста на Земјата. Ефектот на притисокот може да се пресмета користејќи ја Адамс–Вилјамсоновата равенка. Заклучокот е дека само притисокот не е доволен за зголемувањето на густината. Наместо тоа, ние знаеме дека Земјиното јадро е составено од легура железо и други минерали.
Разгледувањето на сеизмичките бранови длабоко во внатрешноста на Земјата, покажуваат дека не постојат S-бранови во надворешното јадро. Ова ни кажува дека надворешното јадро е течно бидејќи течностите не можат да бидат раскинати. Надворешното јадро е течно, и движењето на оваа високоспроводлива течност го создава Земјиното магнетно поле (Погледајте геодинамо). внатрешното јадро, сепак, е цврсто поради големите притисоци.
Разгледувањето на сеизмичките одбивни бранови во длабоката внатрешност укажуваат на некои големи прекини во сеизмичките брзини, што пак ги означуваат големите слоеви од Земјата: внатрешното јадро, надворешното јадро, плаштот, литосферата и кора. Самиот плашт е поделен на горен плашт, област на премин, долен плашт и ''D′′'' слој. Меѓу кората и плаштот се наоѓа Мохоровичевиќевиот прекин.
Сеизмичкиот модел на Земнјата самиот по себе не го определува составот на слоевите. За целосен модел на Земјата, потребна е минералната физика за да се толкуваат сеизмичките брзини во однос на составот. Минералните својтва се температурно зависни, па мора да се определи и топлинскиот градиент. Па оттука потребно е и познавање на топлоспроводливоста и струењето и топлинскиот придонес од радиоактивните елементи. Главниот модел за радијалната структура на внатрешноста на Земјата е прелиминарениот рамковен Земјин модел (ПРЗМ). Некои делови од овој модел се надоградени со неодамнешните знаења од минералната физика (Погледајте постперовскит) и надополнет со сеизмичка томографија. Плаштот претежно се состои од силикати, и границите меѓу слоевите на плаштот се во согласност со фазните премини.
Плаштот се однесува како цврста супстанција за сеизмичките бранови, но под влијание на големите притисоци и температури се деформира па во текот на милионите години наликува на течност. На овој начин се овозможува тектониката на плочите. Геодинамиката е задолжена за изучувањето на течењето на течностите во плаштот и јадрото.
2.3 Магнетосфера
Ако планетарното магнетно поле е доволно силно, неговото заемодејство со сончевиот ветер ја создава магнетосферата. Првичните вселенски сонди го мапирале во реална големина Земјиното магнетно поле, кое се протега 10 Земјини полупречници кон Сонцето. Сончевиот ветер, поток од наелектризирани честички, тече во и околу магнетното поле и продолжувва зад магнетната опашка, стотици Земјини полупречници. Во внатрешноста на магнетосферата, постојјат релативно густи области од честички на сончевиот ветер наречени Ван Аленови појаси.
3 Методи
3.1 Геодезија
Геофизичките мерења вообичаено се во определено време и место. Прецизните мерења на местоположбата, заедно со деформацијата и тежата, се предмет на геодезијата. Додека пак геодезијата и геофизиката се посебни науки, двете се поврзани па многу научни организации како што се Американскиот геофизички сојуз, Канадскиот геофизички сојуз и Меѓународниот сојуз за геодезија и геофизика ги вклучуваат двете науки.
Апсолутните положби најчесто се определуваат користејќи го глобалниот систем за позиционирањето (ГПС). Тридимензионалната местоположба се пресметува користејќи пораки од четири или повеќе сателити Геодетски појдовен систем од 1980. Поинаков систем, заснован на оптичка астрономија, ги користи астрономските координати и месниот тежински вектор за да се добијат геодетските кординати. Овој метод само ја обезбедува местоположбата во две координати и е многу потешко да се користи за разлика од ГПС. Сепак, е корисно за мерењето на движењата на Земјата како што се нутацијата и Чендлеровото лулање. Релативните местоположби на две или повеќе тоќки може да се определи со користење на долгобазичната интерферометрија.
Тежинските мерења станале дел од геодезијата бидејќи тие биле потребни за сврзаните мерења на Земјината површината во појдовниот координатен систем. Тежинските мерења на копното се вршат со користење на гравиметри поставени или на површината или пак во хеликоптери. Од 1960-ите, Земјиното тежинско поле се ммери со разгледување на движењето на сателитите. Морското ниво може да се мери од сателитите користејќи радарски висомер, придонесувајќи до попрецизниот геоид. Во 2002 година, НАСА го лансира GRACE, каде два подеднакви сателити ги мапираат проимените во Земјиното тежинско поле, мерејќи го растојанието меѓу двата сателита користејќи ГПС и микробранов дометен систем. Тежинските промени забележани од GRACE ги вклучуваат и оние предизвикани од промените во океанските струењ, истекувањето или исцрпувањето на подземните води, топењето на мразовите покривки и ледници.
3.2 Сателити и вселенски сонди
Сателитите во вселената овозможиле да се собираат податоци не само од оптичкиот дел на спектарот, туку и во другите делови на електромагнетниот спектар. Планетите можат да се опишат со нивните силови полиња: тежинските или магнетните полиња, кои се изучувани од геофизиката и вселенската физика.
Мерењето на промените во забрзувањето на вселенските летала додека се движат во орбита овозможило да се забележат фините детали на тежинските полиња на планетите. На пример, во 1970-ите, распределбата на тежинското поле над месечевите мориња била мерена со месечеви орбитери, што довело дооткривањето на групирања на маса, маскони, под котлините на Дождовното Море, Ведринското Море, Кризното Море, Нектарското Море и Влажносното Море.
4 Историја
Геофизиката се издвоила како посебна дисциплина во век, како пресек на физичката географија, геологијата, астрономијата, метеорологијата и физиката. Сепак, многу геофизички појави – како што се Земјиното магнетно поле и земјотреси – биле истражувани уште во стариот век.
4.1 Стара и класична ера
Магнетниот компас постоел во Кина уште од век п.н.е. Се користел како за фенг шуи така и за навигација на копно. Сè додека не се исковани првите челични игли, компасите не се користеле на морските површини, пред тоа, тие не можеле да го задржат доволно долго својот магнетизам за да бидат употребливи. Првпат компасот се спомнува во Европа во 1190 година.
Околу 240 п.н.е. Ерастотен од Кирена заклучил дека Земјата е округла и го измерил Земјиниот обем, користејќи тригонометрија и аголот на падот на сончевите зраци на повеќе од една географска мширина во Египет. Тој го развил системот на ширини и должини.
Веројатно првиот придонес кон сеизмологијата бил пронајдокот на сеизмоскопот од големиот пронаоѓач Џанг Хенг во 132 година. Овој инструмент бил осмислен да испушта бронзено топче од устата на змејот во устата на жабата. Гледајќи во која од осумте жаби паднало топчето, можела да се определи насоката на потеклото на земјотресот. Ова се случило 1571 година пред првата замисла за сеизмоскоп во Европа, на Жан де Отфеј. Но никогаш не била изработена.
4.2 Почетоците на современата наука
Еден од трудовите кои го најавувват почетокот на современата наука е оној на Гилбертовата ''De Magnete'' (1600), извештај за низа на прецизни експерименти за магнетизмот. Гилберт заклучил дека компасот покажува кон север бидејќи и самиата Земја е магнетна.
Во 1687 година Исак Њутн ја објавил својата ''Принкипија'', која не само што ги воспостави темелите за класичната механика и гравитацијата туку и објаснила бројни геофизички појави како што се плимите и осеките и прецесијата на рамнодневницата.
Првиот сеизмометар, инструмент способен непрекината да ја бележи сеизмичката активност, бил осмислен од Џејмс Форбс во 1844 година.
5 Поврзано
*Земјина ситематологија
*Список на геофизичари
*Опис на геофизиката
*Геодинамика
*Планетарна наука