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2017年12月16日 星期六

丁酉(鸡)年十月廿九

固体地球物理学、测绘学和空间科学 - 固体地球物理学、测绘学和空间科学 [回目录]

固体地球物理学、测绘学和空间科学 - 正文 [回目录]

  人类生息的地球及其远近空间是科学研究的重要对象。从地心到地表,到周围地球的大气层、行星际空间乃至更远区域的研究,已发展形成门类众多的学科。为了使用和编辑的方便,本卷只包括固体地球物理学测绘学空间科学。它们既相互区别又互相联系,本文仅作概要阐述。
     

固体地球物理学


  这是研究地球固体部分宏观物理现象的科学,包括许多分支学科,其中地震学地磁学的历史都很悠久。中国在这两方面都是先驱。东汉张衡在公元 132年设计制造了世界上最早的地动仪,这是人所共知的,但更重要的是他的科学概念。地动仪的设计充分证明张衡已经知道地震是由远处一定方向传来的地面震动。这是一个本质性的理解,现代地震学正是根据这种认识建立起来的。英国的米歇尔(J.Michell,1760)和马利特(R.Mallet,1848)在张衡之后一千多年才提出同样的概念。可惜张衡的地动仪的工作久已失传,而且后继无人。现代地震学只是到了20世纪初才又由外国传到中国。地磁现象的研究也是如此。中国在战国时期已经发现天然磁石的吸铁性和指极性。约在10世纪就已将指南针用于航海。北宋的沈括(1032~1096)在他的《梦溪笔谈》中已提到地磁有偏角。《武经总要》出版于1044年,其中所记指南鱼的做法显然是一种热致剩磁的现象,而现代的古地磁学就是根据岩石热剩磁而发展的。中国古代的科技成就是伟大的,这应当是我们的榜样和工作的一个动力。
  地球物理学起初是随着物理学的发展而发展的。重力学是牛顿万有引力定律的产物。19世纪时,数学家和物理学家因为研究“以太”而发展了弹性波在三维空间传播的理论。地震学在经过一段描述性的阶段后,部分地采用了这些成果而发展了地震波的研究,从而奠定了地震学的基础。特别值得提出的是20世纪初,德国和英国的科学家完善了由地面的地震观测资料反演地下不同深度的地震波速度的方法。这是一个突破性的成就,从此打开了研究地球内部的途径,其意义不仅限于地震学,对其他许多地球物理问题的研究也有影响。
  C.F.高斯于1838年首次用球谐分析的方法阐明地球的磁场绝大部分来源于地球内部。这是现代地磁学发展的一个里程碑。这个方法现在仍在使用,不仅用于基本磁场,也可用于变化磁场,而后者则大部起因于地外。变化磁场虽占地磁场的极小一部分,但是它们的来源和电离层的变化、极光、高空的环电流系统、太阳风和太阳活动都有联系。正由于此,地磁学发展的主流倾向于地外空间,形成固体地球物理学与空间物理学的一座桥梁。不过地球岩石磁性的研究,包括20世纪50年代以来加速发展的古地磁学也自有其学术和实用上的意义。
  固体地球物理学,除地磁、地电和地热外,主要都是讨论地球的力学问题。1911年,英国力学家洛夫(A.E.H.Love)在他的名著《地球动力学的几个问题》中只谈到造山运动、固体潮地球自由振荡和地震。在70年代国际地球动力学计划中,地球动力学一词是指地球内部的力和变化过程的研究,与地球内部物理学几乎同义。所以这个词的用法是不严格的,可能因作者不同而有不同的涵义。
  固体地球物理学的问题是综合性的,并不完全按物理学的部门来分类。这样的问题有:地下资源的勘探,自然灾害的预测,地球内部的探索和地球的信息。
  当地面上看不到地下矿床或地质构造的直接迹象时,地质的勘探方法就失去作用,但仍可借助于地质体的物理效应在地面上勘探它们的存在。这就是勘探地球物理学,也叫做应用地球物理学。由于不同的物理效应和不同类型的矿床或地质构造之间的对应关系不是单一的,地球物理勘探工作总要伴随着地质和理论的解释。由于物理方法,特别是地震方法,对于勘探储油构造取得显著效果,勘探地球物理学由30年代起就高速地发展,现已成为石油工业不可缺少的一门技术科学。
  自然灾害有多种,但大地震的破坏力最为猛烈而集中。地震的预测和预防在以前是认为不可能的,很少有人对这个问题认真对待。自1964年以后,由于许多毁灭性的地震都发生在人口和工业集中的地区,造成严重的灾难,所以多震的国家都将地震预测和预防的问题纳入国家的科研规划。中国于1971年成立了国家地震局,将这个工作统一领导起来。应当指出,地震预测不仅是一个地震学的问题,而且因为它必须涉及地震发生之前的现象,所以和许多科学部门,甚至生物学都有联系。
  自从德国地球物理学家E.维舍特在1897年提出有关地球内部构造的著名论文后,这个问题一直是固体地球物理学的核心。1909年,南斯拉夫的莫霍洛维奇(A.Mo-horovi呇i婞)首先发现以后以他的名字命名的地下间断面即地壳的底面; 1914年, B.古登堡测定了地核的深度为2900公里,比最近测定值不过相差十几公里。地球内核是丹麦女地震学家雷曼(I.Lehmann)于1936年发现的,深度约为5100公里。这是地球结构的粗框架。1936年,古登堡和李克特(C.F.Richter)以及Sir H.杰弗里斯K.E.布伦都算出了地震波速度在地球内部随深度的分布,两组数据基本相符,只是在细节上有些差别。根据速度的数据,布伦在一定的限制条件下,估计出地球内部密度随深度的分布。这样,地球内部的其他一些物理参数就可以计算出来。到了50年代,可以说地球内部的物理模式已经粗具轮廓。以后的发展着重在地球内部的横向不均匀性和非弹性的影响。1983年的地球模式虽然有不少更动,但老的轮廓仍隐约存在。
  在60年代的后半期,地学的固定论者渐渐地失去支持。板块大地构造学说取得极广泛的响应。国际地球动力学计划的提出主要就是为了解决板块的动力学问题,这对地球内部的结构和物理状况的了解也就提出更高的要求。这两方面是现代固体地球物理学理论研究的主流。
  在第二次世界大战结束之前,由于气象通信的封锁,地球物理学家曾利用地震脉动来追踪海上的风暴。进行地下核爆炸时,所产生的地震信号是最有效的监视手段。这些例子都说明地球本身可以看做是一个传播信息的介质。正如同电磁波在空中传播一样,机械波可以在地球内部传播。地球是一个低通滤波器。地面可观测到的机械振动的频带宽约达10个数量级,但现在地震观测中只利用到5个左右(102~10-3赫),还剩有很宽的有待研究的频段。地球内部在不断地运动中,它所送出的信息不仅仅是机械振动。地震前兆的研究也可以从这个角度来探索。
     

测 绘 学


  测绘学的任务是测定地球形状、重力场和地面点的几何位置,以及测制各种地图,为地球和空间科学提供有关地球内部结构、地球动态及其外部重力场等方面的信息,并为国家经济建设和国防建设提供有关地球表面自然形态和人工设施的几何分布以及某些社会信息和自然信息的地理分布等方面的资料。
  地球形状、重力场和地面点几何位置的测定是大地测量学的任务,它也是测绘学的基础。大地测量学首先是为了测定地球形状发展起来的,是一门古老的学科。
  地球是一个圆球的概念古已有之。埃及人在公元前3世纪就对这个球体的大小做过测量,但是他们的测量精度还没达到可信的程度。中国唐朝的一行和南宫说在公元 724年测量过许多地方的夏至日影长度和北极高度。他们的结果折合成现在的单位是一度子午线的长度约为132.3公里,比现代的数值只大20%。到了17世纪末,牛顿从力学观点创立了地扁说,认为地球是两极略扁的椭球。这一学说为法国在1735~1744年期间的大地测量结果所证实。从地圆说到地扁说,是人类对地球形状的认识的一次飞跃,但却经历了两千年。
  1743年法国的A.C.克莱洛论证了地球的几何扁率与动力扁率之间的数学关系,奠定了物理大地测量学的基础。在此之前,大地测量只是采用几何方法,称为几何大地测量学。用几何方法和物理方法互为补充来解决大地测量的任务,极大地丰富了大地测量学的内容。
  从力学观点来看,地球形状定义为大地水准面,它是一个物理表面,处处与重力方向正交,因而是地球重力场的几何表象。地面点上的重力值与地球内部的质量分布有关,于是地球形状与地球内部结构发生了联系。大地水准面比椭球面更接近于地球真实形状,这是人类对地球形状认识的又一次飞跃。
  克莱洛在推导他的公式时,曾对地球内部的质量分布作过某种假定。英国的Sir G.G.斯托克斯于1849年进一步发展了物理大地测量学,提出了利用大地水准面的重力值确定大地水准面形状的理论,这个理论要求在大地水准面之外不存在质量,因此把地面实测重力值归算到大地水准面上的时候要考虑大地水准面以外的质量。但是这种归算不能完全严格地执行。为了克服这种困难,苏联的M.C.莫洛坚斯基于1945年提出了直接利用地面重力数据研究地球形状的理论。但是无论哪一种理论都要求进行全球重力测量。而至今完全用重力测量的方法,独立地解决地球形状问题,还是有困难的。
  从50年代末开始形成的卫星大地测量学,给大地测量带来了巨大变革。它突破了常规大地测量的局限性,建立了全球大地网和全球地心坐标系。由卫星轨道摄动观测、海洋卫星测高和地面大地测量数据,建立了地球重力场模型,由此得出了精确的地球扁率,而且在不断精化中。不但如此,测定地球形状和重力场的大地测量方法还用于测定太阳系其他天体的形状和重力场。地球科学和空间科学的研究都涉及重力场的数据。如推算空间飞行器的轨道,导弹发射等既需要地球重力场信息,又需要发射场和目标的地心坐标。
  现在地面重力测量的精度已达到了10微伽,电磁波测距技术能以千万分之一的精度测量两地面点间的距离。最新发展的甚长基线干涉测量技术可以建立三维惯性坐标系,测定极移和地球自转速度变化,以及以厘米级的精度测定相距几千公里的两点间在这一坐标中的坐标差。
  卫星大地测量和声呐技术促进了海洋测绘的发展。现在已由卫星雷达测高技术测定了海洋大地水准面,已有可能建立海底控制网,用于海面和水下定位和导航以及测绘海底地形。
  19世纪的测图方法是在实地上直接测绘地形,经过综合取舍,按一定的比例绘制成图。这种方法的作业效率很低,而且受到自然条件的限制。20世纪30年代,用航空摄影测量测绘地图的方法逐渐完备,形成了摄影测量学。用这种方法测图,绝大部分工作都在室内进行,克服了自然条件的限制,因而得到了广泛应用。50年代创立了解析摄影测量的基本理论。60年代出现了由精密立体坐标量测仪和小型电子计算机组成的解析测图仪。新兴的航天遥感技术,通过图像处理、相片量测、判读和计算等过程,可以测定地面点坐标和进行测图。航空摄影图像也可以通过数字化变换成为大量的和密集的灰度数字,存储在磁带上。因此,通过航天遥感和航空摄影技术可以实现测图的完全自动化。
  各种工程建设在设计、施工和管理阶段,都需要进行测绘工作,有的还有些特殊要求,工程测量学则是为了适应这些特殊要求而产生的。
  由测图过程所得的成品是地形原图,需要进一步加工,才能产生各种比例尺的地图、航海图、航空图和各类专题地图。为此,必须进行地图投影地图编制地图整饰地图制印等项工作。这些属于地图制图学的范围。虽然地图的出现可以追溯到上古时代,但只是到现代应用了电子计算机后,地图制图工作才发生了巨大的变革。目前,以电子计算机、数字化台、自动绘图机和软件组成的机助制图系统正被用来实现地形图、地籍图绘制和地图编制的自动化。
     

空 间 科 学


  空间科学,主要是利用空间飞行器对宇宙空间的物理、化学和生命现象进行研究而形成的一门科学。它有空间物理学、空间天文学空间化学空间地质学空间生命科学等分支学科。空间物理学是地球物理学的自然延伸。在早期,人们借助于比较间接的方式,如利用流星辉迹、声波异常传播、地磁场变化以及太阳辐射的吸收光谱等方法来研究高层大气结构,主动地从地面向电离层投射无线电波来研究电离层的物理状态。后来,又利用探空气球和火箭的直接方式来探测大气结构、极光、宇宙线、电离层和太阳辐射等。从而使高空大气物理学取得了许多成就。
  1957年苏联首先发射了第一颗人造地球卫星,次年美国也发射了人造地球卫星。这标志着人类从此开创了空间科学的崭新领域。人们利用空间飞行器从事空间科学研究,很快地就取得了引人注目的成果,如地球辐射带、太阳风和磁层的发现和证实等。人类登上月球更是空间科学和空间技术发展的一个高潮。研究月球和行星内部的方法都是脱胎于地球物理学,特别是地震学和地磁场起源的理论。月岩样品分析也是地质年代学的方法。空间地质学和空间化学也是随着空间技术的发展才进到了现代的阶段。空间天文学的出现使天文学又发生了一次巨大的飞跃。它的发展将不断地把人类的视野引向宇宙新的深处。人类在空间的活动愈益频繁起来,由此空间生命科学也得到了迅速地发展。此外,科学家们还以很大的志趣探索着地外生命现象。空间科学的发展已给自然科学增添了许多崭新的知识,也使天体起源、地球起源、生命起源和人类起源的研究有了重大进展。
  在空间的众多极端条件下,人们可以研制空间材料、医药制品等,还可进行物理、化学和生命等科学的实验,并利用空间资源以实现空间工业化。这标志着人类将进入探索和开发宇宙空间的新阶段。

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更新时间 : 2009-03-23

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