關于地球物理學，這里有個大笑話
出品：科普中國
制作：寒木釣萌
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
1.3億光年外的引力波剛被人類探測到了，而引力波能做啥暫時未知。但地球上一直以來都那么轟轟烈烈的地震波，它們能做的事卻是早已確定了的——用來探測地球內部并將其分層。
給我一個超聲波，然后……我從孕婦圓圓的肚皮上探測出了胎兒的形狀。
好吧，現在給你一個地震波，你又該如何探索地球內部？
咱們一步一步來。
地震波不是一種波，它是三種波的統稱，分別是P波，Ｓ波和表面波。
地震時，表面波來得最晚，但把人類傷得最深，因為它的振幅最大。
而P波和Ｓ波對地球物理學家們幫助最大，本文著重說這兩種波。
P波的特點是，其振動方向和前進方相同，故在所有地震波中，它的速度最快，也最早抵達。最需要注意的一點是，P波能在固體和液體中傳遞。
S波的特點是，其振動方向垂直于波的前進方向（如上圖），S波的速度僅次于P波。需要我們牢記的是，S波只能在固體中傳播。
準備工作已做好。萬事俱備，只欠地震！
…………
終于等到你，來自北極的地震：
上面的動圖中，藍色的波為P波，因為它總是一馬當先。而紅色的為S波。
奇怪的是，我們在南半球的地震監測站只收到P波，而S波卻不見蹤影，這是為什么？
回頭復習一下，嗯，S波不能在液體中傳播！于是，我們推斷，在地球內部某個深度下一定有著熔融狀的液體。
可不能亂下結論！所以，我們還得繼續試驗：
如上圖，“蝌蚪狀”的Ｓ波依然不能穿透地球內部，當它到達一定深度后要么反彈回來，要么反射到其他方向。問題是，這個深度到底是多少？
由于S波的速度我們是知道的，根據其來回所耗用的時間，我們就能得到一個數據，那就是在我們腳下，2885公里深的地方，有一個液態的面，那里的物質呈熔融狀。
這個面，就叫做“古登堡界面”。1914年，德國地球物理學家賓諾·古登堡發現地下2885公里處，地震波的傳播速度有明顯變化，其中P波的速度明顯下降，而橫波則完全消失。后來證實，這個面是地核與地幔的分界層。
發現古登堡界面后，咱們繼續施放地震，或者在地下十幾公里深處來一顆氫彈。
如上面的動圖，注意動圖中標注的那條線，也就是那道波，它跟前一道波相比，走的路徑更長，但它卻比前一道波先到達地面！
這更奇怪了。面對這種現象，來自克羅地亞的地震學家莫霍洛維奇百思不得其解。
1909年，克羅地亞國內發生了地震。莫霍洛維奇拿到多個地震觀測站的數據后開始比對，結果，他驚訝地發現，有的地震波是以7～8千米每秒的速度向更遠的地震站傳播的。
到底是另一種速度更快的地震波，還是同一種波選擇了另一條捷徑？
最終，莫霍洛維奇經過深思熟慮后，他得出結論，這是P波走了捷徑的緣故，在厚厚的地殼下，有著另一層不同于地殼的物質，它就是我們現在說的地幔，地幔中的物質密度更大，所以地震波傳播得更快。
為了紀念莫霍洛維奇，故把地殼和地幔的分界面叫做莫霍面。
地球物理學是一門充滿著各種爭論的學科，然而，100年過去了，地球內部的“莫霍面”和“古登堡面”卻是地球物理學公認的基石之一。
方法補充
上文我們用地震波回顧了一下歷史上莫霍面、古登堡面的發現過程。關于地震波，我們還需要補充一些知識。
地震波的速度取決于介質的密度和彈性。又因為地球密度隨深度增加而增加，所以地震波的速度范圍從地殼中的大約2到8公里/秒，到深地幔中的13公里/秒。
水槽中加滿水后，激光的折射與反射。
跟光波一樣，地震波也會反射和折射。當它在地球內部傳播，遇到不同的介質時，路徑就會改變。
如上面的動圖，當P波穿過地球內部，并從外核進入地幔時，發生了明顯的折射。另外，動圖頂部的地震波走的明顯是曲線，原因如下，如果物質的密度是均勻的，則地震波將走直線，但如果物質的密度是一個漸變的過程，則地震波走的也將是一個漸變的曲線。正是以上這些原因的存在，我們看到，在南半球的一部分地震監測站檢測不到P波，這就是P波的陰影區。同理，Ｓ波也存在陰影區。而兩個陰影區交疊的地方，地震站將接受不到任何地震波。
根據以上方法（當然還有別的方法），地球物理學家們將地球分成了以上結構。不過，如果是根據機械性能的不同，我們又可以將其這樣分：巖石圈、軟流層、地幔、外核和內核。
輕松一刻
地球物理學是一門通過地震波、重力、電磁、地熱和放射能等方法研究地球的學科，而關于地球物理學有不少笑話，其中一個是這樣的：
一個老板讓地質學家、工程師和地球物理學家到他的辦公室。然后，他問每個人，2 + 3等于幾？
工程師答：5.0000000。
地質學家答：4到6之間。
地球物理學家靠近老板，回答道：老板，你想要什么？
對這個笑話若不深入了解，難免會對地球物理學家們有誤解。實際上，這個笑話跟一個著名的理論有關，這就是“地球物理反演理論”。
要懂得什么是反演？先得知道什么是正演。這里，中國地球物理學家楊文采院士給我們做了一個形象的比喻。他說：
將一瓶香水放到房間中央，從擴散方程得知，一天之后小房間內將布滿大致均勻分布的香水分子，這就是正演。
而反演就是，已知屋子內的香水分布，然后讓你推算出，香水是何時放到屋子里的？裝香水的瓶子又是什么形狀？
地球表面被堅硬的巖石所覆蓋，而人類至今鉆探的最深井也就1萬多米。所以，沒有人見過15公里以下的巖石什么樣。
而現在，人類卻對地球內部的物理性質已經有了不同程度的了解，但這些知識多數是來自于對地球物理的反演，而不是來自于鉆井。
既然是反演，就必然存在多解性。正如地球物理學家劉光鼎院士在一次報告中強調的那樣：任何地球物理的反演問題都是多解的，不唯一的。
比如前面的“香水問題”，反演時，我們顯然是無法求出“香水何時放置？”的精確時間的，也就是得不到一個唯一解。
所以笑話中，地球物理學家才如此回答：老板，你想要什么？
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- 發表于 2017-10-31 00:00
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