ELEMENTY GEOFIZYKI - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/HistoriaB.pdf ·...

ELEMENTY GEOFIZYKIHistoria

W. D ↪ebski2011

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


Geofizyka - podział

F Fizyka litosfery

F Hydrologia

F Fizyka atmosfery

F Geofizyka poszukiwawcza

F Badania polarne (XIX-XX wiek)

F Geofizyka srodowiskowa


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.


Pomiar Eratostenesa

S

Aφ

δ



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)



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)



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)



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)



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.


Sejsmometr - zasada działania


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)


Doswiadczenie Galileusza


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)


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)


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.


XVII - XVIII: rozwoj teorii

L. Euler P.S. Laplace C.F. Gauss

1707 -1783 1749 - 1827 1777 - 1855


Rownanie falowe

1

ρ

∂2ui

∂t2− ∂jσij = Si(r, t)

σij = cijkl εkl


Rownania Maxwella

∇× ~E − ∂ ~B∂t = 0

∇× ~H = ~j + ∂ ~D∂t

∇ · ~D = 4πρ+∇ ·~j∇ · ~B = 0


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)


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)


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)


XVII - XVIII wiek


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.


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)


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)


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)


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)


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 )


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 )


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 )


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)


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 ∼ - )


XIX - XX wiek

Ch. Richter wprowadził skal ↪e pomiaru “wielkosci”trz ↪esien ziemi w oparciu o rejestrowane sejsmo-gramy.

( 1900 ∼ 1985 )


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 )


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 )


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.


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.


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 !)


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)


Polska Stacja Sejsmiczna


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.


Badania geofizyczne - wspołczesnosc

A. Tarantola Keiiti Aki B. Romanowicz


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


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,...)


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)


Koniec


ELEMENTY GEOFIZYKI - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/HistoriaB.pdf ·...

Documents

Transcript of ELEMENTY GEOFIZYKI - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/HistoriaB.pdf ·...