Geofysikens historia

Den historiska utvecklingen av geofysiken har motiverats av två faktorer. En av dessa är mänsklighetens forskningsnyfikenhet relaterad till planeten Jorden och dess flera komponenter, dess händelser och dess problem. Den andra är ekonomisk användning av jordens resurser (malmfyndigheter, petroleum, vattenresurser, etc.) och jordrelaterade faror som jordbävningar, vulkaner, tsunamier, tidvatten och översvämningar.

Klassisk och observationsperiod

Cirka 240 f.Kr. mätte Eratosthenes från Cyrene jordens omkrets med hjälp av geometri och solens vinkel på mer än en latitud i Egypten.

Det finns en del information om jordbävningar i Aristoteles ' Meteorology , i Naturalis Historia av Plinius den äldre och i Strabos Geographica . Aristoteles och Strabo registrerade observationer av tidvatten .

En naturlig förklaring av vulkaner företogs först av den grekiske filosofen Empedocles (ca 490-430 f.Kr.), som ansåg att världen var uppdelad i fyra elementarkrafter: jord, luft, eld och vatten. Han hävdade att vulkaner var manifestation av elementär eld. Vindar och jordbävningar skulle spela en nyckelroll i förklaringar av vulkaner. Lucretius hävdade att Etna var helt ihåligt och att underjordens bränder drevs av en hård vind som cirkulerade nära havsnivån. Plinius den äldre noterade att förekomsten av jordbävningar föregick ett utbrott. Athanasius Kircher (1602–1680) bevittnade utbrott av Etna och Stromboli , besökte sedan Vesuvius krater och publicerade sin syn på en jord med en central eld kopplad till många andra orsakade av förbränning av svavel , bitumen och kol .

Instrumentell och analytisk period

En galileisk termometer

Den första moderna experimentella avhandlingen var förmodligen William Gilberts De Magnete (1600), där han drog slutsatsen att kompasser pekar norrut eftersom jorden själv är magnetisk. År 1687 Isaac Newton sin Principia , som inte bara lade grunden för klassisk mekanik och gravitation utan också förklarade en mängd olika geofysiska fenomen som tidvatten och precessionen av dagjämningen .

Dessa experimentella och matematiska analyser tillämpades på flera områden inom geofysiken: jordens form, densitet och gravitationsfält ( Pierre Bouguer , Alexis Clairaut och Henry Cavendish ), jordens magnetfält ( Alexander von Humboldt , Edmund Halley och Carl Friedrich Gauss ), seismologi ( John Milne och Robert Mallet ), och jordens ålder , värme och radioaktivitet ( Arthur Holmes och William Thomson, 1st Baron Kelvin) .

Det finns flera beskrivningar och diskussioner om en filosofisk teori om vattnets kretslopp av Marcus Vitruvius , Leonardo da Vinci och Bernard Palissy . Pionjärer inom hydrologi inkluderar Pierre Perrault , Edme Mariotte och Edmund Halley i studier av sådant som nederbörd, avrinning, dräneringsområde, hastighet, mätningar av flodtvärsnitt och utsläpp. Framstegen under 1700-talet inkluderade Daniel Bernoullis piezometer och Bernoullis ekvation samt Pitotröret av Henri Pitot. På 1800-talet främjades grundvattenhydrologin genom Darcys lag , Dupuit-Thiem brunnsformeln och Hagen-Poiseuilles ekvation för flöden genom rör. Physical Geography of the Sea , den första läroboken i oceanografi, skrevs av Matthew Fontaine Maury 1855.

Termoskopet, eller Galileo-termometern , konstruerades av Galileo Galilei 1607. År 1643 uppfann Evangelista Torricelli kvicksilverbarometern . Blaise Pascal (1648) återupptäckte att atmosfärstrycket minskar med höjden och drog slutsatsen att det finns ett vakuum ovanför atmosfären.

Framväxt som en disciplin

Den första kända användningen av ordet geofysik var av Julius Fröbel 1834 (på tyska). Den användes då och då under de närmaste decennierna, men slog inte till förrän tidskrifter ägnade åt ämnet började dyka upp, med början med Beiträge zur Geophysik 1887. Den framtida Journal of Geophysical Research grundades 1896 med titeln Terrestrial Magnetism . 1898 grundades ett geofysiskt institut vid universitetet i Göttingen , och Emil Wiechert blev världens första professor i geofysik. Ett internationellt ramverk för geofysik tillhandahölls genom grundandet av International Union of Geodesy and Geophysics 1919.

1900-talet

1900-talet var en revolutionerande tidsålder för geofysik. Som en internationell vetenskaplig insats mellan 1957 och 1958, var det internationella geofysiska året eller IGY ett av de viktigaste för vetenskaplig verksamhet inom alla geofysiska discipliner: norrsken och luftglöd , kosmiska strålar , geomagnetism , gravitation, jonosfärisk fysik, longitud och latitudsbestämningar ( precisionskartering), meteorologi, oceanografi, seismologi och solaktivitet.

Jordens inre och seismologi

Rayleigh våg

Att bestämma fysiken i jordens inre möjliggjordes av utvecklingen av de första seismograferna på 1880-talet. Baserat på beteendet hos de vågor som reflekteras från jordens inre lager utvecklades flera teorier om vad som skulle orsaka variationer i våghastighet eller förlust av vissa frekvenser. Detta ledde till att forskare som Inge Lehmann upptäckte förekomsten av jordens kärna 1936. Beno Gutenberg och Harold Jeffreys arbetade med att förklara skillnaden i jordens densitet på grund av kompression och vågornas skjuvhastighet. Eftersom seismologi är baserad på elastiska vågor, kan våghastigheten hjälpa till att bestämma densiteten och därför beteendet hos lagren i jorden.

Nomenklatur för beteendet hos seismiska vågor togs fram baserat på dessa fynd. P-vågor och S-vågor användes för att beskriva två möjliga typer av elastiska kroppsvågor. Kärleksvågor och Rayleighvågor användes för att beskriva två möjliga typer av ytvågor.

Forskare som har bidragit till framsteg inom kunskap om jordens inre och seismologi inkluderar Emil Wiechert , Beno Gutenberg , Andrija Mohorovičić , Harold Jeffreys , Inge Lehmann , Edward Bullard , Charles Francis Richter , Francis Birch , Frank Press , Hiroo Kanamori och Walter Elsasser .

Ett mycket debatterat ämne om jordens inre är mantelplymer. Dessa är teoretiserade att vara stigande magma, som är ansvarig för hotspots i världen, som Hawaii. Ursprungligen var teorin att mantelplymer reste sig upp i en direkt väg, men nu finns det bevis för att plymerna kan avböjas i små grader när de stiger. Man fann också att den föreslagna hotspoten under Yellowstone kanske inte är relaterad till en stigande mantelplym. Denna teori har inte undersökts helt.

Platttektonik

Under andra hälften av 1900-talet utvecklades plattektonikteori av flera bidragsgivare, inklusive Alfred Wegener , Maurice Ewing , Robert S. Dietz , Harry Hammond Hess , Hugo Benioff , Walter C. Pitman, III , Frederick Vine , Drummond Matthews , Keith Runcorn , Bryan L. Isacks, Edward Bullard , Xavier Le Pichon , Dan McKenzie , W. Jason Morgan och John Tuzo Wilson . Dessförinnan hade folk idéer om kontinentaldrift, men inga riktiga bevis kom förrän i slutet av 1900-talet. Alexander von Humboldt observerade i början av 1800-talet geometrin och geologin på stränderna på kontinenterna i Atlanten. James Hutton och Charles Lyell skapade idén om gradvis förändring, uniformitarism, som hjälpte människor att klara av kontinenternas långsamma drift. Alfred Wegener stod i spetsen för den ursprungliga teorin om kontinentaldrift och ägnade mycket av sitt liv åt denna teori. Han föreslog " Pangea ", en enad gigantisk kontinent.

Under utvecklingen av teorin om kontinentaldrift var det inte mycket utforskning av den oceaniska delen av världen, bara kontinental. När folk började uppmärksamma havet fann geologer att golvet spred sig och i olika takt på olika ställen. Det finns tre olika huvudsakliga sätt på vilka plattor kan röra sig: transform , divergent , och Convergent . Det kan också finnas klyftor , områden där marken börjar spridas isär.

Oceanografi

Framsteg inom fysisk oceanografi skedde på 1900-talet. Havsdjup med akustiska mätningar gjordes första gången 1914. Den tyska "Meteor"-expeditionen samlade in 70 000 havsdjupsmätningar med hjälp av ett ekolod, och undersökte Mid-Atlantic Ridge mellan 1925 och 1927. Den stora globala klyftan upptäcktes av Maurice Ewing och Bruce Heezen 1953, och bergskedjan under Arktis hittades 1954 av USSR:s arktiska institut . Teorin om havsbottenspridning utvecklades 1960 av Harry Hammond Hess . Ocean Drilling Program startade 1966. Det har lagts stor vikt vid tillämpningen av storskaliga datorer för oceanografi för att möjliggöra numeriska förutsägelser av havsförhållanden och som en del av övergripande förutsägelser om miljöförändringar. [ citat behövs ]

Geomagnetism

Geomagnetisk polaritet, sen kenozoikum

Rörelsen av den ledande smälta metallen under jordskorpan, eller jordens dynamo , är ansvarig för existensen av det magnetiska fältet. Samspelet mellan magnetfältet och solstrålningen har en inverkan på hur mycket strålning som når jordens yta och atmosfärens integritet. Det har visat sig att jordens magnetiska poler har vänt om flera gånger, vilket gör att forskare kan få en uppfattning om planetens ytförhållanden vid den tiden. Orsaken till att de magnetiska polerna vänds är okänd, och förändringsintervallen varierar och visar inte ett konsekvent intervall. Man tror att vändningen är korrelerad till jordens mantel, även om exakt hur det fortfarande diskuteras.

Förvrängningar av jordens magnetfält orsakar fenomenet Aurora Borealis , som vanligtvis kallas norrsken. Magnetfältet lagrar energi som ges av kosmiska partiklar som kallas solvind, vilket gör att magnetfältslinjerna expanderar. När linjerna drar ihop sig frigör de denna energi, som kan ses som norrsken.

Atmosfäriska influenser

Jordens klimat förändras över tiden på grund av planetens atmosfäriska sammansättning, solens ljusstyrka och förekomsten av katastrofala händelser.

Atmosfärens sammansättning påverkar och påverkas av de biologiska mekanismer som är aktiva på jordens yta. Organismer påverkar mängden syre kontra koldioxid genom andning och fotosyntes . De påverkar också nivåerna av kväve genom fixering , nitrifikation och denitrifikation . Havet kan absorbera koldioxid från atmosfären, men detta varierar beroende på nivåerna av kväve och fosfor som finns i vattnet. Människor har också spelat en roll i att förändra jordens atmosfäriska sammansättning genom industriella biprodukter, avskogning och motorfordon.

Solens ljusstyrka ökar när den fortskrider genom sin livscykel och är synlig under loppet av miljoner år. Solfläckar kan bildas på solens yta, vilket kan orsaka större variation i de utsläpp som jorden tar emot.

Vulkaner bildas när två plattor möts och den ena subducerar under den andra. De bildas alltså längs de flesta plattgränser; The Ring of Fire är ett exempel på detta. Studiet av vulkaner längs plattgränser har visat ett samband mellan utbrott och klimat. Alan Robock teoretiserar att vulkanisk aktivitet kan påverka klimatet och kan leda till global kylning i flera år. Den ledande idén, baserad på vulkanutbrott, är att svaveldioxid som frigörs från vulkaner har en stor effekt på kylningen av atmosfären efter utbrottet.

Påverkan från stora himlakroppar, vanligtvis asteroider , skapar chockvågor som trycker luft och distribuerar damm i atmosfären och blockerar solljus. Detta orsakar global avkylning, vilket kan leda till död och möjlig utrotning av många arter.

Industriell tillämpning

Industriella tillämpningar av geofysik utvecklades av efterfrågan på petroleumprospektering och återvinning på 1920-talet. Senare förbättrades geofysiken för petroleum, gruvdrift och grundvatten . Minimering av jordbävningsrisker och mark-/platsundersökningar för jordbävningsutsatta områden var nya tillämpningar av geofysisk ingenjörskonst på 1990-talet.

Seismologi används inom gruvindustrin för att läsa och bygga modeller av händelser som kan ha orsakats eller bidragit till av gruvprocessen. Detta gör det möjligt för forskare att förutsäga de faror som är förknippade med gruvdrift i området.

Ungefär som gruvdrift används seismiska vågor för att skapa modeller av jordens underyta. Geologiska egenskaper, kallade fällor , som vanligtvis indikerar närvaron av olja, kan identifieras från modellen och användas för att bestämma lämpliga platser att borra.

Grundvatten är mycket känsligt för föroreningar från industrin och avfallshantering. För att bevara kvaliteten på sötvattenkällor skapas kartor över grundvattendjup och jämförs med föroreningskällornas lägen.

Se även

Vidare läsning

  • Anonym (1995). "En introduktion till Geofysikkommitténs historia". Eos, Transactions American Geophysical Union . 76 (27): 268. Bibcode : 1995EOSTr..76..268. . doi : 10.1029/95EO00163 .
  • Brush, Stephen G. (september 1980). "Upptäckt av jordens kärna". American Journal of Physics . 48 (9): 705–724. Bibcode : 1980AmJPh..48..705B . doi : 10.1119/1.12026 .
  •   Brush, Stephen G. (2003). "Geofysik". I Grattan-Guinness, I. (red.). Companion encyclopedia av de matematiska vetenskapernas historia och filosofi . Baltimore, Md: Johns Hopkins University Press. s. 1183–1188. ISBN 9780801873973 .
  •   Gillmor, C. Stewart, red. (2013). Geofysikens historia: Volym 1 . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 9781118665213 .
  •   Gillmor, C. Stewart, red. (2013). Geofysikens historia: Volym 2 . Washington: American Geophysical Union. ISBN 9781118665244 .
  •   Gillmor, C. Stewart; Landa, Edward R.; Ince, Simon; Tillbaka, William, red. (2013). Geofysikens historia: Volym 3: Hydrologins historia . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 9781118665398 .
  •   Gillmor, C. Stewart, red. (2013). Geofysikens historia: Volym 4 . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 9781118665534 .
  •   Gillmor, C. Stewart; Spreiter, John R., red. (1997). History of Geophysics Series: Volym 7: Upptäckt av magnetosfären . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 9781118665435 .
  •   Bra, Gregory A., red. (2013). Geofysikens historia: Volym 5: Jorden, himlarna och Carnegie Institution of Washington . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 9781118665312 .
  • Bra, Gregory A. (2000). "The Assembly of Geophysics: Scientific Disciplines as Frameworks of Consensus". Studies in History and Philosophy of Modern Physics Del B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics . 31 (3): 259–292. Bibcode : 2000SHPMP..31..259G . doi : 10.1016/S1355-2198(00)00018-6 .
  •   Advokat, Lee C.; Bates, Charles C.; Rice, Robert B. (2001). Geofysik i mänsklighetens angelägenheter: en personlig historia av utforskningsgeofysik (andra upplagan). Tulsa: Society of Exploration Geophysicists. ISBN 9781560800873 .
  •   Oliver, Jack (1996). Stötar och stenar: seismologi i plattektonikrevolutionen: berättelsen om jordbävningar och den stora geovetenskapliga revolutionen på 1960-talet . Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 9780875902807 .
  • Schröder, W. (2010). "Geofysikens historia". Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica . 45 (2): 253–261. doi : 10.1556/AGEod.45.2010.2.9 .
  •   Sheriff, WM Telford; LP Geldart; RE (2001). Tillämpad geofysik (2:a uppl.). Cambridge: Cambridge Univ. Tryck. ISBN 9780521339384 .
  •   Wood, Robert Muir (1985). Den mörka sidan av jorden . London: Allen & Unwin. ISBN 978-0045500338 .

externa länkar