Upload
others
View
20
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Geofizyka jako dyscyplina naukowa
Geofizyka to dziedzina nauki ktora wyodr ↪ebniła si ↪e z astronomii ifizyki (nauk przyrodniczych) jako nauka zajmuj ↪aca si ↪e badaniemZiemi jako ciała fizycznego przy uzyciu metod i technik typowychdla fizyki.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 1
Geofizyka - motywacja
Rozwoj geofizyki zwi ↪azany był i jest nadal z trzema apsek-tami działalnosci ludzkiej:
F ch ↪eci ↪a poznania planety na ktorej zyjemy i zrozumienia pro-cesow wyst ↪epuj ↪acych na niej
F zabezpieczenia si ↪e przed kataklizmami naturalnymi
F racjonalne i ekonomiczne wykorzystanie jej zasobow
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 2
Geofizyka - podział
F Fizyka litosfery
F Hydrologia
F Fizyka atmosfery
F Geofizyka poszukiwawcza
F Badania polarne (XIX-XX wiek)
F Geofizyka srodowiskowa
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 3
Geofizyka - starozytnosc
Badania Ziemi prowadzone były od zaraniadziejow, choc w czasach antycznych były onezwi ↪azane w wi ↪ekszosci z astronomi ↪a i prowa-dzone były przez uwczesnych naukowcow - filo-zofow. Doskonałym przykładem tego typu badanbył pomiar promienia Ziemi przez Eratostenesaokoło 230 BC.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 4
Geofizyka - starozytnosc
Innym zjawiskiem ktore przyci ↪agało uwag ↪euczonych tego okresu to obserwacje trz ↪esienZiemi i spekulacje na temat mozliwosciich przewidywan (problem dotychczasnierozwi ↪azany). Z tego okresu pochodz ↪atez pierwsze znane wzmianki na temat ob-serwacji pływow morskich. Znamy je z pracyArystotelesa Meteorology.
(384 BC ∼ 322 BC)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 6
Geofizyka - starozytnosc
Podobne rozwazania mozemy znalesc i wnieco pozniejszych pracach jak np Geographicanapisana na pocz ↪atku naszej ery przez greckiegopodroznika i geografa Strabo.
(63 BC ∼ AD 24)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 7
Geofizyka - starozytnosc
W pocz ↪atkach naszej ery powstała wzorcowa nanast ↪epne stulecia praca metodycznie opisuj ↪acawyniki obserwacji srodowiska Naturalis His-toria napisana przez Pliniusza starszego. Wszczegolnosci zanotował on, ze wybuch Wezy-wiusza ktory zniszczył Pompeje i Herculaneympoprzedzony był zauwazalnymi trz ↪esieniamiziemi.
(23 ∼ 79 AD)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 9
Geofizyka - starozytnosc
Z tym ostatnim problemem, to jest katastrofaminaturalnymi, zwi ↪azany był problem filozoficzny,a mianowicie co jest ich przyczyn ↪a. Pierwotniepanowało przekonanie, ze jest to zemsta “bogow”,itp. Pierwsze znane nam sugestie, ze s ↪a to zjawiskanaturalne zwi ↪azane z procesami zachodz ↪acymiwewn ↪atrz ziemi pojawiły si ↪e w pracach Empedo-clesa, ktory opierał si ↪e na załozeniu, ze materiazbudowana jest z czterech zywiołow: ziemi, powi-etrza, ognia i wody i probował zjawiska wulkan-iczne wyjasnic kombinacj ↪a tych zywiołow.
(490 ∼ 430 BC)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 10
Geofizyka - starozytnosc
W rzeczywistosci, pogl ↪ad o supernaturalnympochodzeniu katastrof naturalnych przełamałChinski matematyk i filozof Chang Heng kon-struuj ↪ac około 132 AD pierwszy znany namsejsmometr i wykazuj ↪ac, ze to fale sejsmiczne s ↪aodpowiedzialne za katastrofalne trz ↪esienia ziemi.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 11
XV - XVII
Istotny post ↪ep w badaniach nad Ziemi ↪a obser-wujemy w w koncu XVI w. kiedy rozpocz ↪etezostały pierwsze prace nad magnetyzmem ziem-skim i grawitacj ↪a a obserwacje astronomiczne stałysi ↪e wystarczaj ↪aco dokładne. Najbardziej znanymuczonym tego okresu zajmuj ↪acym si ↪e badaniaminaukowymi (w tym ziemi) jest Galiluesz. Powstałypodstawowe instrumenty “meteorologiczne”: ter-mometr (Galileusz), barometr (Torricelli) przy po-mocy ktorych odkryto podstawowe własciwosci at-mosfery.
(1564 ∼ 1642)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 14
XV - XVII
Pierwsz ↪a prac ↪a ktora w sposob systematycznypodj ↪eła si ↪e badania ziemskiego pola magnety-cznego jest praca De Magnete, MagneticisqueCorporibus, et de Magno Magnete Tellure opub-likowana w 1600 r. przez W. Gilberta
(1544 ∼ 1603)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 16
XV - XVII
Nie mozna pomin ↪ac wkładu I. Newtona ktorynie tylko sformułował trzy podstawowe prawamechaniki klasycznej i podstawy grawitacji aletakze opieraj ↪ac si ↪e na nich wyjasnił mi ↪edzy innymizjawisko pływow morskich.
(1643 ∼ 1727)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 17
XVII - XVIII: rozwoj teorii
XVII i XIX zapisał si ↪e w kartach rozwoju geofizyki (nauk przyrod-niczych) jako okres głownie prac teoretycznych dzi ↪eki takim uczo-nym (matematykom, fizykom) jak: Maclaurin, Euler, Laplace,Gauss, Jacobi, Airy, Stokes. Okres ten to czas sformułowania podsta-wowych zasad fizycznych mechaniki, hydrodynamiki, elektromagne-tyzmu i matematycznych metod ich opisu głownie w postaci rownanrozniczkowych i całkowych. Jest to takze okres sformułowaniapierwszych zasad poprawnej, ilosciowej analizy danych pomi-arowych, w tym połozenie podwalin pod wspołczesn ↪a teori ↪e inwersji.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 18
XVII - XVIII: rozwoj teorii
L. Euler P.S. Laplace C.F. Gauss
1707 -1783 1749 - 1827 1777 - 1855
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 19
Rownania Maxwella
∇× ~E − ∂ ~B∂t = 0
∇× ~H = ~j + ∂ ~D∂t
∇ · ~D = 4πρ+∇ ·~j∇ · ~B = 0
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 21
XVII - XVIII wiek
P. Bouger prowadził pionierskie prace w zakresiefizyki atmosfery badaj ↪ac pochłanianie swiatła przezatmosfer ↪e (Essai d’optique sur la gradation de lalumiere) oraz kształt kuli ziemskiej (geoidy) (Lafigure de la terre: determinee par les observa-tions de messieurs ). Prowadził pionierskie pracew zakresie fotometrii w tym w zastosowaniach geo-fizycznych
(1698 ∼ 1758)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 22
XVII - XVIII wiek
Problem kształtu Ziemi był badany takze przezinnych uczonych tego okresu, jak na przykładprzez A. Clairaut’a ktory swoje wnioski opub-likował w pracy Thorie de la figure de la terreproponuj ↪ac hydrostatyczny model elipsoidy ziem-skiej. Otrzymane wyniki pozwoliły (przy pewnychzałozeniach dokładnie przeanalizowanych przezStockes’a) na wyliczanie eliptycznosci ziemi woparciu o powierzchniowe pomiary grawitacyjne(INWERSJA!)
(1713 ∼ 1765)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 23
XVII - XVIII wiek
Cavedish wykorzystuj ↪ac teorie grawitacji Newtonapodj ↪ał si ↪e w warunkach laboratoryjnych pomiarug ↪estosci ziemi. W efekcie przeprowadzonych badanotrzymał takze oszacowanie stałej grawitacyjnejoraz mas ↪e Ziemi.
(1731 ∼ 1810)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 24
Historia badan: XIX - XX wiek
Bezprecedensowy rozwoj techniki spowodował, ze na przełomie XIXi XX wieku pojawiły si ↪e pierwsze instrumenty pomiarowe wystar-czaj ↪aco czułe i dokładne by moc zastosowac je w pomiarach geofizy-cznych. Z tego powodu okres ten to okres bardzo intensywnego roz-woju bazy pomiarowej we wszystkich zakresach geofizyki i w kon-sekwencji zwi ↪ekszenie znaczenia obserwacyjnej i eksperymentalnejstrony geofizyki. Jest to okres imponuj ↪acego rozwoju sejsmologiiwraz z jej najwi ↪ekszymi odkryciami.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 26
XIX - XX wiek
H. Darcy prowadz ↪ac badania nad przesi ↪akalnosci ↪agruntu kładzie podwaliny pod wspołczesn ↪a hy-drologi ↪e wod powierzchniowych i podskornych.jest autorem empirycznego prawa opisuj ↪acegoprzepływ cieczy przez osrodek porowaty ktore stanowi empiryczne potwierdzenie rownanNeviera-Stocksa.
(1803 ∼ 1858)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 27
XIX - XX wiek
J. Milne pracuj ↪aac w Japoni na zaproszenie rz ↪aduMeiji zaj ↪ał si ↪e ilosciowym badaniem trz ↪esien ziemi.Opracował pierwszy nowoczesny wachadłowy se-jsmograf poziomy pozwalaj ↪acy rejestrowac irozrozniac rozne fale sejsmiczne (SH, SV, falepowierzchniowe). Był jednym z załozycieliJaponskiego Towarzystwa Sejsmologicznego iznacz ↪aco rozwin ↪ał badania sejsmologiczne wJaponii.
(1849 ∼ 1913)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 28
XIX - XX wiek
R. Mallet jest tworc ↪a sejsmologii eksperymen-talnej wykorzystuj ↪acej materiały wybuchowe dowytwarzania fal sejsmicznych ktore rejestrowanew roznych odległosciach od miejsca eksplozjipozwalaj ↪a zbadac struktur ↪e i budow ↪e ziemi w ob-szarze pomiarowym. Ponadto, stworzył podstawytzw. makrosejsmiki, tj. oceny trz ↪esien ziemi, ichmagnitudy i połozenia epicentrum na podstawieanalizy obserwowanych uszkodzen.
(1810 ∼ 1881)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 29
XIX - XX wiek
Wraz z odkryciem zjawiska promietworczegopodj ↪ete zostały badania, np. przez A. Holmesanad wykorzystaniem tego zjawisk w badaniach geo-fizycznych a zwłaszcza w badaniach geochrono-logicznych. A. Holmes jako pierwszy wykonałdatowanie skał na podstawie badania izotopowuranu i ołowiu. badania te skłaniały go do popar-cia hipotezy dryftu kontynentow. Zaproponowałmodel konwekcyjny dla płaszcza ziemi jako zrodłoruchow skorupy. Jest autorem koncepcji “seafloorspreading”.
(1890 ∼ 1865)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 30
XIX - XX wiek
E. Wiechert zaproponował ilosciowy model bu-dowy Ziemi złozonej z koncentrycznych jednorod-nych warstw pozwalaj ↪acy w sposob powtarzalnyobliczac czasy rozchodzenia si ↪e fal sejsmicznychw Ziemi. Jako pierwszy opisał dokładnie fazy falsejsmicznych rozchodz ↪acych si ↪e w Ziemi. Istotnieudoskonalił konstrukcj ↪e sejsmometru.
(1861 ∼ 1928 )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 31
XIX - XX wiek
A. Mohorovicic analizuj ↪ac zapisy fal sejsmicznychz trz ↪esienia ziemi ktore 8.10.1909 wyst ↪apiło wokolicy Zagrzebia odkrył istninie nieci ↪agłosci sejs-micznej pomi ↪edzy skorup ↪a i płaszczem Ziemi. Pon-adto rozwin ↪ał teori ↪e promieniowego rozchodzeniasi ↪e fal według ktorej zachowanie si ↪e fal se-jsmicznych jest podobne do zachowania falswietlnych (odbicia, refrakcja, itp.).
( 1857 ∼ 1936 )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 32
XIX - XX wiek
B. Gutenberg prowadz ↪ac badania nad sejs-micznosci ↪a ziemsk ↪a sformułował empiryczneprawo wi ↪az ↪ace liczb ↪e wstrz ↪asow z ich magnitu-dami. Ponadto w 1912 okreslił gł ↪ebokosc granicypłaszcz-j ↪adro.
( 1889 ∼ 1960 )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 33
XIX - XX wiek
I. Lehmann analizuj ↪ac zapisy sejsmiczne z dale-kich trz ↪esien ziemi odkryła, ze j ↪adro ziemi skaładasi ↪e z czsci wewn ↪etrznej stałej i zewn ↪etrznej ciekłej.Ponadto, odkryła istnienie nowej nieci ↪agłosci nagł ↪ebokosci 190-250 km. nazwanej na jej czescnieci ↪agłosci ↪a Lehmann.
( 1888 ∼ 1993)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 34
XIX - XX wiek
H. Kanamori rozwin ↪ał sejsmologiczne metodybadan procesow fizycznych zachodz ↪acych w og-niskach trz ↪esien ziemi. Jemu i T. Hanksowizawdzi ↪eczamy wprowadzenie poj ↪ecia momentusejsmicznego i odpowiedniej skali do jednoz-nacznego i dokładnego opisu wielkosci trz ↪esienziemi zast ↪epuj ↪acej w badaniach sejsmologicznychpopularn ↪a skal ↪e Richtera.
( 1936 ∼ - )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 35
XIX - XX wiek
Ch. Richter wprowadził skal ↪e pomiaru “wielkosci”trz ↪esien ziemi w oparciu o rejestrowane sejsmo-gramy.
( 1900 ∼ 1985 )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 36
XIX - XX wiek
A. Wegener zaproponował w 1936r. hipoz ↪e dryftukontynentow według ktorej kontynenty przesuwaj ↪asi ↪e wzgl ↪edem siebie. Niestety, nie potrafił wyjasnicmechanizmu takich ruchow. Teoria ta została“wskrzeszona” po długim okresie zapomnieniaprzez R.S. Dietz’a (1961), H.H. Hessa (1962).
( 1880 ∼ 1930 )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 37
XIX - XX wiek
M. Ewing zastosował techniki sejsmologiczneznane z prospekcji l ↪adowej, tj. technik ↪e refleksyjn ↪ai refrakcyjn ↪a do badan na obszarach oceanicznych.Odkrył w 1953 tzw. “Great Global Rift”.
( 1906 ∼1974 )
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 38
Badania polarne I-MRP
Pocz ↪atek badan obszarow polarnych si ↪ega konca XIX wieku. Zor-ganizowany został wowczas I Mi ↪edzynarodowy Rok Polarny (1882-1883) pod auspicjami Mi ↪edzynarodowej Organizacji Meteorolog-icznej. W prowadzonych wowczas badaniach - głownie geofizy-cznych w ramach 13 wypraw polarnych do Arktyki i 2 w rejony An-tarktydy brało udział 12 panstw. Załozono wowczas pierwsze stacjepolarne.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 39
Badania polarne II-MRP
Interesuj ↪ace wyniki, duze zaangazowanie w badania polarne w ra-mach I-MRP zaowocowało zorganizowaniem kolejnego roku badanpolarnuych (II-MRP) w latach 1932-1933. Badania podj ↪ete wowczasdotyczyły głownie zagadnien atmosferycznych w tym szczegolnie nabadanie wpływu Pr ↪adu Strumieniowego (ang. Jet Stream) na klimatziemski. W badaniach wzi ↪eło udział 40 panstw w tym Polska. Wskład polskiej grupy wchodzili: Cz. Centkiewicz, W. Łysakowski i S.Siedlecki. Prowadzono 13 miesi ↪eczne obserwacje w rejonie WyspyNiedzwiedziej w polskiej stacji polarnej. W ten sposob Polskawł ↪aczyła si ↪e jako samodzielny kraj w program mi ↪edzynarodowychbadan polarnych.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 40
Badania polarne III-MRP
Kolejny okres intensywnych badan polarnych to III rok polarny(1957-1958) w ramach Mi ↪edzynarodowego Roku Geofizycznego.Badania prowadzili naukowcy z 67 krajow, w tym z Polski. Pol-ski udział koordynowała Polska Akademia Nauk. W tym okresiepowstała polska stacja polarna w zatoce Hornsund. Zakres badanbył bardzo szeroki. Głowne osi ↪agni ↪ecia II-MRP to ocena masy loduna Antarktydzie, potwierdzenie teorii dryftu kontynentow, odkryciepierscieni Van Allena. Polityczny sukces to podisanie traktatu An-tarktycznego (okres zimnej wojny !)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 41
Badania polarne udział Polski
Historia polskich badan polarnych si ↪ega XIX stulecia. Ich inicja-torami byli H. Arctowski i A.B. Dobrowolski, ktorzy uczestniczyliw kierowanej przez Adriana de Gerlache de Gomery’ego wyprawiebelgijskiej do Antarktyki. W latach trzydziestych XX wieku odbyłysi ↪e pierwsze stricte polskie wyprawy na Spitsbergen i Grenlandi ↪e, apo II wojnie swiatowej zorganizowano ekspedycj ↪e na Antarktyd ↪e.Dzis grono polarnikow w naszym kraju liczy kilkaset osob(za http://www.forumakad.pl/archiwum/2001/02/artykuly/16-polska-w-krainie-wiecznego-
zimna.htm)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 42
Badania geofizyczne - wspołczesnosc
Gwałtowny rozwoj komputerow i zwi ↪azany z tym rozwoj tech-nik obliczeniowych pozwala obecnie na badania geofizycznenieosi ↪agalne do tej pory. Rownoczesnie rozwoj technik teleko-munikacyjnych i mozliwosci gromadzenia oraz przesyłania ol-brzymich ilosci danych pomiarowych otworzyło nowe perspektywyprzed badaniami geofizycznymi. Ich efektem s ↪a spektakularneosi ↪agni ↪ecia wspołczesnej geofizyki zarowno w zakresie poznaniaZiemi i procesow zachodz ↪acych w jej wn ↪etrzu, na powierzchni iw atmosferze. Szybka wymiana informacji pozwala na bardzoskuteczne działania w kryzysowych sytuacjach katastrof naturalnychgn ↪ebi ↪acych ludzkosc. Jestesmy takze swiadkami synergii badan wzakresie roznych dyscyplin w ramach nauk o ziemi.
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 48
Badania geofizyczne - wspołczesnosc
A. Tarantola Keiiti Aki B. Romanowicz
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 49
Badania geofizyczne - osi ↪agni ↪ecia
F precyzyjne obrazy tomograficzne wn ↪etrza Ziemi (atmosfery)
F bezprecedensowy rozwoj niezwykle skutecznych technik poszuki-wawczych
F badania innych planet Układu Słonecznego
F powstanie centrow monitoruj ↪acych stan Ziemi
F trz ↪esienia Ziemi - ci ↪agle nie rozwi ↪azane
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 50
Badania geofizyczne - przyszłosc
F naturalne rozszerzenie i poł ↪aczenie sejsmologii i geodezji (GPS,GNSS): geodynamika
F przenikanie si ↪e badan geomagnetycznych i przestrzeni około-ziemskiej: pogoda kosmiczna
F zastosowanie nowoczesnych technik geofizycznych w innychdziałach nauki w tym w zagadnieniach ochrony srodowiska
F eksploracja innych planet (Ksi ↪ezyc, Mars,...)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 51
Badania geofizyczne - Polska
F M.P. Rudzki - pierwsza na swiecie katedra geofizyki (1895) - Uni-wersytet Jagielonski oraz pierwsza w Polsce i jedna z pierwszychstacji sejsmicznych w Europie (1903)
F podwaliny i rozwoj (na skale swiatow ↪a) sejsmologii gorniczej
F jedne z najdłuzszych wna swiecie serie pomiarow atmosfery-cznych (Belsk) IGF PAN.
F mikrograwimetria gornicza
F badania w zakresie geofizyki teoretycznej (fale rotacyjne)
ELEMENTY GEOFIZYKI Historia- 52