固體地球物理學、測繪學和空間科學

固體地球物理學、測繪學和空間科學是研究地球固體部分巨觀物理現象的科學，包括許多分支學科，其中地震學和地磁學的歷史都很悠久。

基本介紹

• 中文名：固體地球物理學、測繪學和空間科學
• 外文名：Solid earth geophysics, surveying and Space Sciences
• 研究對象：地心地表，大氣層、行星際空間
• 性質：研究地球固體巨觀物理現象的科學

概述

人類生息的地球及其遠近空間是科學研究的重要對象。從地心到地表，到周圍地球的大氣層、行星際空間乃至更遠區域的研究，已發展形成門類眾多的學科。為了使用和編輯的方便，本卷只包括固體地球物理學、測繪學和空間科學。它們既相互區別又互相聯繫，本文僅作概要闡述。

固體地球物理學

這是研究地球固體部分巨觀物理現象的科學，包括許多分支學科，其中地震學和地磁學的歷史都很悠久。中國在這兩方面都是先驅。東漢張衡在公元 132年設計製造了世界上最早的地動儀，這是人所共知的，但更重要的是他的科學概念。地動儀的設計充分證明張衡已經知道地震是由遠處一定方向傳來的地面震動。這是一個本質性的理解，現代地震學正是根據這種認識建立起來的。英國的米歇爾(J.Michell,1760)和馬利特(R.Mallet,1848)在張衡之後一千多年才提出同樣的概念。可惜張衡的地動儀的工作久已失傳，而且後繼無人。現代地震學只是到了20世紀初才又由外國傳到中國。地磁現象的研究也是如此。中國在戰國時期已經發現天然磁石的吸鐵性和指極性。約在10世紀就已將指南針用於航海。北宋的沈括(1032～1096)在他的《夢溪筆談》中已提到地磁有偏角。《武經總要》出版於1044年，其中所記指南魚的做法顯然是一種熱致剩磁的現象，而現代的古地磁學就是根據岩石熱剩磁而發展的。中國古代的科技成就是偉大的，這應當是我們的榜樣和工作的一個動力。
地球物理學起初是隨著物理學的發展而發展的。重力學是牛頓萬有引力定律的產物。19世紀時，數學家和物理學家因為研究“以太”而發展了彈性波在三維空間傳播的理論。地震學在經過一段描述性的階段後，部分地採用了這些成果而發展了地震波的研究，從而奠定了地震學的基礎。特別值得提出的是20世紀初，德國和英國的科學家完善了由地面的地震觀測資料反演地下不同深度的地震波速度的方法。這是一個突破性的成就，從此打開了研究地球內部的途徑，其意義不僅限於地震學，對其他許多地球物理問題的研究也有影響。
C.F.高斯於1838年首次用球諧分析的方法闡明地球的磁場絕大部分來源於地球內部。這是現代地磁學發展的一個里程碑。這個方法現在仍在使用，不僅用於基本磁場,也可用於變化磁場,而後者則大部起因於地外。變化磁場雖占地磁場的極小一部分，但是它們的來源和電離層的變化、極光、高空的環電流系統、太陽風和太陽活動都有聯繫。正由於此，地磁學發展的主流傾向於地外空間，形成固體地球物理學與空間物理學的一座橋樑。不過地球岩石磁性的研究，包括20世紀50年代以來加速發展的古地磁學也自有其學術和實用上的意義。
固體地球物理學，除地磁、地電和地熱外，主要都是討論地球的力學問題。1911年,英國力學家洛夫（A.E.H.Love）在他的名著《地球動力學的幾個問題》中只談到造山運動、固體潮、地球自由振盪和地震。在70年代國際地球動力學計畫中，地球動力學一詞是指地球內部的力和變化過程的研究，與地球內部物理學幾乎同義。所以這個詞的用法是不嚴格的，可能因作者不同而有不同的涵義。
固體地球物理學的問題是綜合性的，並不完全按物理學的部門來分類。這樣的問題有:地下資源的勘探,自然災害的預測，地球內部的探索和地球的信息。
當地面上看不到地下礦床或地質構造的直接跡象時，地質的勘探方法就失去作用，但仍可藉助於地質體的物理效應在地面上勘探它們的存在。這就是勘探地球物理學，也叫做套用地球物理學。由於不同的物理效應和不同類型的礦床或地質構造之間的對應關係不是單一的，地球物理勘探工作總要伴隨著地質和理論的解釋。由於物理方法，特別是地震方法，對於勘探儲油構造取得顯著效果，勘探地球物理學由30年代起就高速地發展，現已成為石油工業不可缺少的一門技術科學。
自然災害有多種，但大地震的破壞力最為猛烈而集中。地震的預測和預防在以前是認為不可能的，很少有人對這個問題認真對待。自1964年以後，由於許多毀滅性的地震都發生在人口和工業集中的地區，造成嚴重的災難，所以多震的國家都將地震預測和預防的問題納入國家的科研規劃。中國於1971年成立了國家地震局，將這個工作統一領導起來。應當指出，地震預測不僅是一個地震學的問題，而且因為它必須涉及地震發生之前的現象，所以和許多科學部門，甚至生物學都有聯繫。
自從德國地球物理學家E.維舍特在1897年提出有關地球內部構造的著名論文後，這個問題一直是固體地球物理學的核心。1909年，南斯拉夫的莫霍洛維奇(A.Mo-horovi呇i婞)首先發現以後以他的名字命名的地下間斷面即地殼的底面; 1914年,B.古登堡測定了地核的深度為2900公里，比最近測定值不過相差十幾公里。地球核心是丹麥女地震學家雷曼(I．Lehmann)於1936年發現的，深度約為5100公里。這是地球結構的粗框架。1936年，古登堡和李克特(C.F.Richter)以及Sir H.傑弗里斯和K.E.布倫都算出了地震波速度在地球內部隨深度的分布，兩組數據基本相符，只是在細節上有些差別。根據速度的數據，布倫在一定的限制條件下，估計出地球內部密度隨深度的分布。這樣，地球內部的其他一些物理參數就可以計算出來。到了50年代，可以說地球內部的物理模式已經粗具輪廓。以後的發展著重在地球內部的橫向不均勻性和非彈性的影響。1983年的地球模式雖然有不少更動，但老的輪廓仍隱約存在。
在60年代的後半期，地學的固定論者漸漸地失去支持。板塊大地構造學說取得極廣泛的回響。國際地球動力學計畫的提出主要就是為了解決板塊的動力學問題，這對地球內部的結構和物理狀況的了解也就提出更高的要求。這兩方面是現代固體地球物理學理論研究的主流。
在第二次世界大戰結束之前，由於氣象通信的封鎖，地球物理學家曾利用地震脈動來追蹤海上的風暴。進行地下核爆炸時，所產生的地震信號是最有效的監視手段。這些例子都說明地球本身可以看做是一個傳播信息的介質。正如同電磁波在空中傳播一樣，機械波可以在地球內部傳播。地球是一個低通濾波器。地面可觀測到的機械振動的頻頻寬約達10個數量級，但現在地震觀測中只利用到5個左右（10～10赫）,還剩有很寬的有待研究的頻段。地球內部在不斷地運動中，它所送出的信息不僅僅是機械振動。地震前兆的研究也可以從這個角度來探索。

測繪學

測繪學的任務是測定地球形狀、重力場和地麵點的幾何位置，以及測制各種地圖，為地球和空間科學提供有關地球內部結構、地球動態及其外部重力場等方面的信息，並為國家經濟建設和國防建設提供有關地球表面自然形態和人工設施的幾何分布以及某些社會信息和自然信息的地理分布等方面的資料。
地球形狀、重力場和地麵點幾何位置的測定是大地測量學的任務，它也是測繪學的基礎。大地測量學首先是為了測定地球形狀發展起來的，是一門古老的學科。
地球是一個圓球的概念古已有之。埃及人在公元前3世紀就對這個球體的大小做過測量,但是他們的測量精度還沒達到可信的程度。中國唐朝的一行和南宮說在公元 724年測量過許多地方的夏至日影長度和北極高度。他們的結果折合成現在的單位是一度子午線的長度約為132.3公里，比現代的數值只大20%。到了17世紀末,牛頓從力學觀點創立了地扁說，認為地球是兩極略扁的橢球。這一學說為法國在1735～1744年期間的大地測量結果所證實。從地圓說到地扁說，是人類對地球形狀的認識的一次飛躍，但卻經歷了兩千年。
1743年法國的A.C.克萊洛論證了地球的幾何扁率與動力扁率之間的數學關係，奠定了物理大地測量學的基礎。在此之前，大地測量只是採用幾何方法，稱為幾何大地測量學。用幾何方法和物理方法互為補充來解決大地測量的任務，極大地豐富了大地測量學的內容。
從力學觀點來看，地球形狀定義為大地水準面，它是一個物理表面,處處與重力方向正交,因而是地球重力場的幾何表象。地麵點上的重力值與地球內部的質量分布有關，於是地球形狀與地球內部結構發生了聯繫。大地水準面比橢球面更接近於地球真實形狀，這是人類對地球形狀認識的又一次飛躍。
克萊洛在推導他的公式時，曾對地球內部的質量分布作過某種假定。英國的Sir G.G.斯托克斯於1849年進一步發展了物理大地測量學，提出了利用大地水準面的重力值確定大地水準面形狀的理論，這個理論要求在大地水準面之外不存在質量，因此把地面實測重力值歸算到大地水準面上的時候要考慮大地水準面以外的質量。但是這種歸算不能完全嚴格地執行。為了克服這種困難，蘇聯的M.C.莫洛堅斯基於1945年提出了直接利用地面重力數據研究地球形狀的理論。但是無論哪一種理論都要求進行全球重力測量。而至今完全用重力測量的方法，獨立地解決地球形狀問題，還是有困難的。
從50年代末開始形成的衛星大地測量學，給大地測量帶來了巨大變革。它突破了常規大地測量的局限性，建立了全球大地網和全球地心坐標系。由衛星軌道攝動觀測、海洋衛星測高和地面大地測量數據，建立了地球重力場模型，由此得出了精確的地球扁率，而且在不斷精化中。不但如此，測定地球形狀和重力場的大地測量方法還用於測定太陽系其他天體的形狀和重力場。地球科學和空間科學的研究都涉及重力場的數據。如推算空間飛行器的軌道,飛彈發射等既需要地球重力場信息,又需要發射場和目標的地心坐標。
現在地面重力測量的精度已達到了10微伽，電磁波測距技術能以千萬分之一的精度測量兩地麵點間的距離。最新發展的甚長基線干涉測量技術可以建立三維慣性坐標系，測定極移和地球自轉速度變化，以及以厘米級的精度測定相距幾千公里的兩點間在這一坐標中的坐標差。
衛星大地測量和聲吶技術促進了海洋測繪的發展。現在已由衛星雷達測高技術測定了海洋大地水準面，已有可能建立海底控制網，用於海面和水下定位和導航以及測繪海底地形。
19世紀的測圖方法是在實地上直接測繪地形，經過綜合取捨，按一定的比例繪製成圖。這種方法的作業效率很低，而且受到自然條件的限制。20世紀30年代，用航空攝影測量測繪地圖的方法逐漸完備，形成了攝影測量學。用這種方法測圖,絕大部分工作都在室內進行,克服了自然條件的限制，因而得到了廣泛套用。50年代創立了解析攝影測量的基本理論。60年代出現了由精密立體坐標量測儀和小型電子計算機組成的解析測圖儀。新興的航天遙感技術，通過圖像處理、相片量測、判讀和計算等過程，可以測定地麵點坐標和進行測圖。航空攝影圖像也可以通過數位化變換成為大量的和密集的灰度數字，存儲在磁帶上。因此，通過航天遙感和航空攝影技術可以實現測圖的完全自動化。
各種工程建設在設計、施工和管理階段，都需要進行測繪工作，有的還有些特殊要求，工程測量學則是為了適應這些特殊要求而產生的。
由測圖過程所得的成品是地形原圖，需要進一步加工，才能產生各種比例尺的地圖、航海圖、航空圖和各類專題地圖。為此，必須進行地圖投影、地圖編制、地圖整飾和地圖制印等項工作。這些屬於地圖製圖學的範圍。雖然地圖的出現可以追溯到上古時代，但只是到現代套用了電子計算機後，地圖製圖工作才發生了巨大的變革。目前，以電子計算機、數位化台、自動繪圖機和軟體組成的機助製圖系統正被用來實現地形圖、地籍圖繪製和地圖編制的自動化。

空間科學

空間科學，主要是利用空間飛行器對宇宙空間的物理、化學和生命現象進行研究而形成的一門科學。它有空間物理學、空間天文學、空間化學、空間地質學和空間生命科學等分支學科。空間物理學是地球物理學的自然延伸。在早期,人們藉助於比較間接的方式,如利用流星輝跡、聲波異常傳播、地磁場變化以及太陽輻射的吸收光譜等方法來研究高層大氣結構，主動地從地面向電離層投射無線電波來研究電離層的物理狀態。後來，又利用探空氣球和火箭的直接方式來探測大氣結構、極光、宇宙線、電離層和太陽輻射等。從而使高空大氣物理學取得了許多成就。
1957年蘇聯首先發射了第一顆人造地球衛星，次年美國也發射了人造地球衛星。這標誌著人類從此開創了空間科學的嶄新領域。人們利用空間飛行器從事空間科學研究，很快地就取得了引人注目的成果，如地球輻射帶、太陽風和磁層的發現和證實等。人類登上月球更是空間科學和空間技術發展的一個高潮。研究月球和行星內部的方法都是脫胎於地球物理學，特別是地震學和地磁場起源的理論。月岩樣品分析也是地質年代學的方法。空間地質學和空間化學也是隨著空間技術的發展才進到了現代的階段。空間天文學的出現使天文學又發生了一次巨大的飛躍。它的發展將不斷地把人類的視野引向宇宙新的深處。人類在空間的活動愈益頻繁起來，由此空間生命科學也得到了迅速地發展。此外，科學家們還以很大的志趣探索著地外生命現象。空間科學的發展已給自然科學增添了許多嶄新的知識，也使天體起源、地球起源、生命起源和人類起源的研究有了重大進展。
在空間的眾多極端條件下，人們可以研製空間材料、醫藥製品等，還可進行物理、化學和生命等科學的實驗，並利用空間資源以實現空間工業化。這標誌著人類將進入探索和開發宇宙空間的新階段。