지구물리학

Geophysics
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해저의 나이.데이트 정보의 대부분은 자기 [1]이상에서 나온다.
역방향 [2]사이의 정상 극성 기간 동안 지구 자기장의 컴퓨터 시뮬레이션.

지구물리학(/ddʒiːoʊfɪzks/)은 지구와 주변 우주 환경의 물리적 과정과 물리적 특성, 그리고 분석을 위한 정량적 방법의 사용과 관련된 자연과학의 과목이다.지구물리학이라는 용어는 때때로 고체 지구의 응용만을 언급한다: 지구의 형태, 중력과 자기장, 내부의 구조와 구성, 판구조론에서의 역학 및 표면 표현, 마그마의 생성, 화산 활동 그리고 암석 형성.[3]하지만 현대 지구 물리학 단체와 순수한 과학자들은 해양과 대기의 유체 역학, 및 눈과 얼음과 같은 물의 순환을 포함한 폭넓은 정의 사용하는 이온층과 대기권과 태양-지구 물리학;, 유사 문제는 달과 다른 행성과 관련된 전기와 자기.[3][4][5][6][7][8]

지구물리학은 19세기에만 별개의 학문으로 인식되었지만, 그 기원은 고대로 거슬러 올라간다.최초의 자석 나침반은 자석으로 만들어졌으며, 보다 현대적인 자석 나침반은 항해 역사에서 중요한 역할을 했다.최초의 지진 계측기는 서기 132년에 만들어졌다.아이작 뉴턴은 그의 역학 이론을 조수와 분점의 세차운동에 적용했고, 물 순환의 구성요소뿐만 아니라 지구의 모양, 밀도, 중력장을 측정하기 위해 기구들이 개발되었다.20세기에는 단단한 지구와 바다의 원격 탐사를 위해 지구물리학적 방법이 개발되었고, 지구물리학은 판구조론의 발전에 필수적인 역할을 했다.

지구물리학은 광물자원, 자연재해 완화 및 [4]환경보호와 같은 사회적 요구에 적용된다.탐사 지구물리학에서 지구물리학적 조사 데이터는 잠재적 석유 매장량과 광물 매장량을 분석하고, 지하수의 위치를 찾고, 고고학적 유물을 찾고, 빙하와 토양의 두께를 결정하고, 환경 교정 현장을 평가하는 데 사용된다.

물리 현상

지구물리학은 고도로 학제적인 과목이고 지구물리학자들은 지구과학의 모든 분야에 기여한다.지구물리학을 구성하는 것이 무엇인지에 대한 보다 명확한 아이디어를 제공하기 위해, 이 절에서는 물리학에서 연구되는 현상과 그것들이 지구와 그 주변과 어떻게 관련되어 있는지를 설명합니다.지구물리학에서, 물리학의 원리는 지구의 "내부"를 연구하기 위해 적용된다.연구 중인 문제에 따라 적용할 방법을 결정해야 한다. 예를 들어 지하수 조사에서는 전기 방법이 도움이 된다.광상의 경우 중력 및/또는 자기 조사를 채택할 수 있다.석유천연가스는 중력, 자기 탐사를 통해 암석 구조를 대략 파악해야 한다.원하는 구조물이 존재하는 경우 암석 형성에 대한 자세한 연구를 위해 지진 및/또는 자기 텔루르 조사를 수행해야 한다.

중력

Image of globe combining color with topography.
완벽하게 매끄럽고 이상적인 지구로부터의 중력 편차 지도입니다.
주요 기사: 지구의 중력
상세 정보:물리 측지 및 중력 측정

달과 태양의 중력은 음력 1일 또는 24시간 50분마다 두 번의 만조와 두 번의 만조를 일으킨다.따라서 만조와 [9]간조 사이에는 12시간 25분의 간격이 있다.

중력은 암석들이 깊이가 [10]커짐에 따라 밀도를 증가시키면서 더 깊은 암석들을 짓누르게 만든다.지구 표면과 그 위에서의 중력 가속도 및 중력 전위 측정은 광물 퇴적물을 찾는 데 사용될 수 있습니다(중력 이상 및 중력 [11]측정 참조).표면 중력장은 지각판의 역학에 대한 정보를 제공한다.지오이드라고 불리는 지오포텐셜 표면은 지구 형상의 정의 중 하나이다.만약 바다가 평형 상태에 있고 대륙을 통해 확장될 수 있다면 지오이드는 지구 평균 해수면이 될 것이다(예: 매우 좁은 [12]운하).

열류

주요 기사:지열 경사
Pseudocolor image in vertical profile.
지구 맨틀의 열대류 모형입니다.얇은 붉은 기둥은 맨틀 깃털이다.

지구는 냉각되고 있고, 그 결과 발생하는 열 흐름은 지구역학과 판구조론을 통해 맨틀 [13]대류를 통해 지구의 자기장을 생성한다.주 열원은 초기 열과 방사능이지만, 상전이의 기여도 있다.열은 주로 열 대류를 통해 지표면으로 전달되지만, 열 경계층에는 코어-망틀 경계층과 암석권이라는 두 가지 열 경계층이 있습니다. 이 층에는 열이 [14]전도에 의해 전달됩니다.일부 열은 맨틀의 바닥에서 맨틀 기둥에 의해 운반된다.지구 표면의 열 흐름은 약 4.2 × 1013 W이며, 지열 [15]에너지의 잠재적 원천이다.

진동

주요 기사:지진학
Deformed blocks with grids on surface.
체파 및 표면파에 의한 블록의 변형도(지진파 참조).

지진파는 지구 내부나 지표면을 따라 이동하는 진동이다.지구 전체는 또한 정상 모드 또는 지구의 자유 진동이라고 불리는 형태로 진동할 수 있다.지진계를 사용하여 파도 또는 정상 모드에서 발생하는 지반 운동을 측정합니다.지진이나 폭발과 같은 국소적인 선원에서 파동이 발생하는 경우, 두 곳 이상의 위치에서 측정을 사용하여 선원을 찾을 수 있습니다.지진의 위치는 판구조론과 맨틀 [16][17]대류에 대한 정보를 제공한다.

제어된 진원으로부터의 지진파 기록은 파동이 통과하는 지역에 대한 정보를 제공한다.암석의 밀도나 조성이 변화하면 파동이 반사된다.반사 지진학을 사용하여 기록된 반사는 수 킬로미터 깊이의 지구 구조에 대한 풍부한 정보를 제공할 수 있으며 석유와 가스를 [11]탐사하는 것뿐만 아니라 지질에 대한 이해를 높이기 위해 사용됩니다.굴절이라 불리는 이동 방향의 변화는 지구의 [17]깊은 구조를 추론하는데 사용될 수 있다.

지진은 인간에게 위험을 초래한다.지진의 유형(예: 내부 또는 심층 초점)에 따라 달라지는 메커니즘을 이해하면 지진 위험의 더 나은 추정과 지진 [18]공학 개선으로 이어질 수 있다.

전기

천둥번개가 칠 때 주로 전기를 감지하지만 지표면 근처에는 항상 [19]미터당 평균 120볼트의 하향 전장이 있습니다.고체 지구에 비해 대기는 우주선의 충격으로 인해 순 양전하를 띤다.글로벌 [19]회선에는 약 1800암페어의 전류가 흐릅니다.그것은 전리층으로부터 지구의 대부분 위를 내려오고 뇌우를 통해 다시 위로 올라갑니다.이 흐름은 구름 아래 번개와 스프라이트에 의해 나타납니다.

지구물리학 조사에는 다양한 전기 방법이 사용된다.어떤 사람들은 자연 전위를 측정하는데, 이는 인간이 만든 혹은 자연 교란으로 인해 땅에서 발생하는 잠재력이다.텔루르 전류는 지구와 바다에서 흐른다.그들은 두 가지 원인을 가지고 있습니다: 시간에 따라 변하는 외부 기원의 지자기장에 의한 전자기 유도와 지구의 [20]영구 자기장을 가로지르는 전도체(해수 등)의 움직임입니다.텔루르 전류 밀도의 분포를 사용하여 지하 구조물의 전기 저항률 변화를 검출할 수 있습니다.지구물리학자는 전류를 직접 제공할 수도 있습니다(유발 분극 및 전기 저항 단층 촬영 참조).

전자파

전자파는 지구의 외핵뿐만 아니라 전리층과 자기권에서도 발생한다.새벽의 합창은 밴 앨런 방사 벨트에 걸린 고에너지 전자에 의해 일어나는 것으로 알려져 있다.호루라기는 번개에 의해 생산된다.두 가지 모두에 의해 쉬음이 발생할 수 있습니다.전자파는 지진에 의해서도 발생할 수 있다(지진 전자기학 참조).

외심의 고전도성 액체철은 전자유도에 의해 전류에 의해 자기장이 발생한다.알벤파는 자기권이나 지구핵에 있는 자기유체역학파이다.핵에서는, 그것들은 아마도 지구 자기장에 거의 관측할 수 없는 영향을 미치지만, 자기 로스비 파장과 같은 느린 파장은 지자기 장기 [21]변동의 한 원인일 수 있다.

지구물리학적 조사에 사용되는 전자기적 방법에는 과도 전자기학, 자기공명, 표면핵자기공명 및 전자파 해저 [22]로깅이 포함된다.

자기

상세 정보:지구 자기장, 항공 자기 조사 및 고생자기학

지구의 자기장은 치명적인 태양풍으로부터 지구를 보호하고 오랫동안 항해에 사용되어 왔다.그것은 [21]외핵의 유체 운동에서 비롯된다.대기 상층부의 자기장이 오로라를 [23]발생시킨다.

Diagram with field lines, axes and magnet lines.
지구의 쌍극자 축(분홍색 선)이 회전 축(파란색 선)에서 멀리 기울어져 있습니다.

지구의 장은 대략 기울어진 쌍극자와 비슷하지만, 시간이 지남에 따라 변한다.지자기극은 대부분 지리극 근처에 있지만 평균 44만 년에서 100만 년 정도의 불규칙한 간격으로 지구장의 극성이 반전된다.지자기 극성 시간 척도 내에서 분석된 이러한 지자기 역전은 지난 8300만 년 동안 184개의 극성 간격을 포함하며, 시간에 따른 빈도 변화를 포함하며, 가장 최근의 라샴 사건은 마지막 빙하기 동안 41,000년 전에 발생했습니다.지질학자들은 화산암에 기록된 지자기역전을 자기비교 상관(자연 잔류 자화 참조)을 통해 관찰했으며, 그 특징은 해저에서 평행한 선형 자기 이상 줄무늬로 볼 수 있다.이 줄무늬는 판구조론의 일부인 해저 확산에 대한 정량적 정보를 제공한다.지질학적 시간 [24]척도를 구성하기 위해 자기역전을 다른 층서학과 연관짓는 자기층서학의 기초입니다.또한 암석의 자화는 [21]대륙의 움직임을 측정하는데 사용될 수 있다.

방사능

상세정보: 방사선 측정기
Diagram with compound balls representing nuclei and arrows.
방사성 붕괴 사슬의 예(방사선 연대 측정 참조).

방사성 붕괴는 지구 내부 열의 약 80%를 차지하며, 지구역학과 판구조론의 [25]원동력이 된다.주요 열 발생 동위원소는 칼륨-40, 우라늄-238, 우라늄-235, 토륨-232이다.[26]방사성 원소는 지질 연대 측정에서 절대 시간 척도를 확립하기 위한 주요 방법인 방사선 연대 측정법에 사용된다.

불안정한 동위원소는 예측 가능한 속도로 붕괴하고, 다양한 동위원소의 붕괴 속도는 여러 가지 규모를 포함하므로 방사능 붕괴를 사용하여 최근 사건과 과거 지질 시대의 [27]사건을 정확하게 파악할 수 있다.지상 및 공중 감마 분광법을 이용한 방사선 측정 매핑을 사용하여 지구 표면 근처의 방사성 동위원소 농도와 분포를 매핑할 수 있으며, 이는 암석학 및 변경 [28][29]매핑에 유용하다.

유체 역학

주요 기사:지구물리 유체역학

유체 운동은 자기권, 대기권, 해양, 맨틀, 그리고 코어에서 일어납니다.심지어 맨틀은 엄청난 점도를 가지고 있지만 오랜 시간 동안 유체처럼 흐릅니다.이러한 흐름은 등축성, 빙하 후 반발 및 맨틀 플룸과 같은 현상에 반영됩니다.맨틀의 흐름은 판구조론을 움직이고 지구핵의 흐름은 지구역학을 움직인다.[21]

지구물리 유체역학(Geophysical fluid dynamics)은 물리 해양학과 기상학의 주요 도구이다.지구의 자전은 종종 코리올리 효과 때문에 지구의 유체 역학에 깊은 영향을 미친다.대기 중에 로스비 파도와 같은 대규모 패턴을 발생시키고 폭풍의 기본적인 순환 패턴을 결정합니다.바다에서는 대규모 순환 패턴과 해면의 [30]켈빈 파도와 에크만 나선형을 움직입니다.지구의 중심부에서, 녹은 철의 순환은 테일러 [21]기둥에 의해 구조화된다.

자기권의 파도와 다른 현상들은 자기유체역학을 이용하여 모델링될 수 있다.

광물 물리학

상세 정보:광물 물리학

광물의 물리적 특성은 지진학, 지열 경사 및 기타 정보 출처로부터 지구 내부의 구성을 추론하기 위해 이해되어야 한다.광물물리학자는 광물의 탄성 특성, 고압상 도표, 고압에서의 녹는점과 상태 방정식, 그리고 암석의 유동학적 특성, 또는 흐르는 능력을 연구합니다.비록 짧은 시간 동안 바위가 부서지기 쉽지만 크리프에 의한 암석의 변형은 흐름을 가능하게 한다.암석의 점도는 온도와 압력에 의해 영향을 받고, 차례로 지각판이 [10]움직이는 속도를 결정합니다.

물은 매우 복잡한 물질이고 그 독특한 특성은 [31]생명체에 필수적입니다.이것의 물리적 특성은 수권을 형성하고 물의 순환과 기후에 필수적인 부분입니다.그 열역학적 성질에 따라 대기의 증발과 열 구배가 결정됩니다.많은 유형의 강수에는 결합, 과냉각 및 과포화 [32]등과 같은 복잡한 과정의 혼합이 수반됩니다.일부 침전수는 지하수가 되고 지하수의 흐름은 침투와 같은 현상을 포함하며 물의 전도성은 지하수의 흐름을 추적하는 데 유용한 전기 및 전자적 방법을 만든다.염도와 같은 물의 물리적 특성은 바다에서 [30]물의 움직임에 큰 영향을 미친다.

얼음의 많은 상들은 빙상, 빙하, 해빙, 담수 얼음, 눈, 그리고 얼어붙은 [33]땅과 같은 형태로 나타난다.

지구의 지역

지구의 크기와 형태

주요 기사:지구의 모습

지구는 대략 구형이지만 적도 쪽으로 부풀어 올라서 대략 타원체 모양이다.이 팽창은 자전으로 인한 것이며 정역학적 평형에 있는 지구와 거의 일치합니다.그러나 지구의 상세한 모양은 대륙과 해양 분지의 분포와 [12]판의 역학에 의해 어느 정도 영향을 받는다.

내부 구조

주요 기사:지구의 구조
Diagram with concentric shells and curved paths.
지진파에 의해 샘플링된 지구 내부의 지진 속도와 경계.

지진학, 지표면의 열 흐름, 광물 물리학에서 나온 증거들은 지구 내부의 구성, 밀도, 온도, 압력 모델들을 추론하기 위해 지구의 질량과 관성 모멘트와 결합됩니다.예를 들어, 지구의 평균 비중(5.515)은 표면에 있는 암석의 일반적인 비중(2.7-3.3)보다 훨씬 높으며, 이는 깊은 물질이 더 밀도가 높다는 것을 의미한다.이것은 낮은 관성 모멘트에 의해서도 암시된다(0.33. 일정한 밀도의 구의 경우 0.4).하지만, 밀도 증가의 일부는 지구 내부의 엄청난 압력에 의한 압축이다.압력의 효과는 애덤스-윌리엄슨 방정식을 사용하여 계산할 수 있다.결론은 압력만으로는 밀도의 증가를 설명할 수 없다는 것이다.대신, 우리는 지구의 핵이 철과 다른 [10]광물들의 합금으로 이루어져 있다는 것을 알고 있다.

지구 깊은 곳의 지진파가 재구성된 결과, 외핵에는 S파가 없는 것으로 나타났습니다.이것은 외핵이 액체라는 것을 나타냅니다. 왜냐하면 액체는 전단을 지탱할 수 없기 때문입니다.외핵은 액체이고, 이 전도성이 높은 유체의 움직임은 지구장을 생성한다.그러나 지구의 내부 핵은 엄청난 [12]압력 때문에 단단하다.

깊은 내부의 지진 반사가 재구성된 것은 지구의 주요 구역인 내핵, 외핵, 맨틀, 암석권 및 지각의 몇 가지 주요 단절을 나타낸다.맨틀 자체는 상부 맨틀, 전이대, 하부 맨틀 및 D-γ층으로 나뉩니다.지각과 맨틀 사이에는 모호로비치 [12]불연속부가 있다.

지구의 지진 모형만으로 층의 구성을 결정하는 것은 아니다.지구의 완전한 모델을 위해, 광물 물리학은 지진 속도를 구성 측면에서 해석하기 위해 필요하다.미네랄의 성질은 온도에 따라 달라지기 때문에 지열도 측정해야 합니다.이를 위해서는 열전도와 대류를 위한 물리적 이론과 방사성 원소의 열 기여가 필요하다.지구 내부의 방사상 구조의 주요 모델은 예비 기준 지구 모델(PREM)입니다. 이 모델의 일부는 광물 물리학(페로브스카이트 이후 참조)의 최근 발견으로 업데이트되고 지진 단층 촬영으로 보완되었습니다.맨틀은 주로 규산염으로 구성되어 있으며 맨틀 층 사이의 경계는 [10]상전이와 일치합니다.

맨틀은 지진파에 고체 역할을 하지만, 고압과 온도에서는 변형되어 수백만 년 동안 액체처럼 작용합니다.이것은 판구조학을 가능하게 한다.

자기권

주요 기사: 자기권
Diagram with colored surfaces and lines.
지구 자기권 개략도.태양풍은 왼쪽에서 오른쪽으로 흐릅니다.

만약 행성의 자기장이 충분히 강하다면, 태양풍과의 상호작용은 자기권을 형성한다.초기 우주 탐사선은 지구 자기장의 총 치수를 측정했는데, 지구 자기장은 태양 쪽으로 약 10개의 반지름을 뻗는다.태양풍은 하전된 입자의 흐름으로 지구 자기장을 따라 흘러나와 자기 꼬리 뒤에서 지구 반경 수백 개 하류로 계속된다.자기권 내부에는 반 앨런 방사선 [23]벨트라고 불리는 태양풍 입자의 비교적 밀도가 높은 영역이 있다.

방법들

측지

주요 기사:측지

지구물리학적 측정은 일반적으로 특정 시간과 장소에 있다.지반 변형 및 중력과 함께 정확한 위치 측정이 측지학의 영역입니다.측지학과 지구물리학은 별개의 분야이지만, 이 둘은 매우 밀접하게 연결되어 있어서 미국 지구물리학 연합, 캐나다 지구물리학 연합, 국제 지구물리학 연합과 같은 많은 과학 단체들이 이 [34]두 분야를 모두 포함합니다.

절대 위치는 GPS(Global Positioning System)를 사용하여 가장 자주 결정됩니다.4개 이상의 가시 위성으로부터의 메시지를 사용하여 3차원 위치를 계산하고 1980년 측지 참조 시스템을 참조한다.또 다른 방법인 광학 천문학은 측지 좌표를 얻기 위해 천문 좌표와 국부 중력 벡터를 결합합니다.이 방법은 두 개의 좌표로만 위치를 제공하며 GPS보다 사용하기 어렵습니다.하지만, 이것은 자성과 챈들러 흔들림과 같은 지구의 움직임을 측정하는 데 유용하다.초장기선 간섭계를 사용하여 2개 이상의 점의 [34][35][36]상대위치를 결정할 수 있다.

중력 측정은 지표면에서 기준 좌표계와 관련된 측정이 필요했기 때문에 측지학의 일부가 되었다.육지에서의 중력 측정은 지표면 또는 헬리콥터 저공비행에 배치된 중력계를 사용하여 수행할 수 있다.1960년대부터 지구의 중력장은 위성의 움직임을 분석하여 측정되어 왔다.해수면은 레이더 고도계를 사용하여 위성으로 측정할 수 있으며, 보다 정확한 지오이드에 [34]기여합니다.2002년, NASA는 중력 회복과 기후 실험 (GRACE)을 시작했습니다. 이 실험에서는 두 개의 쌍둥이 위성이 GPS와 마이크로파 측거 시스템을 사용하여 두 위성 사이의 거리를 측정함으로써 지구의 중력장의 변화를 지도화합니다.GRACE에 의해 검출된 중력 변화에는 해류의 변화, 유출 및 지하수 고갈, 녹는 빙상과 [37]빙하 등이 포함된다.

위성 및 우주 탐사선

우주의 인공위성은 가시광선 영역뿐만 아니라 전자기 스펙트럼의 다른 영역에서도 데이터를 수집할 수 있게 했다.행성들은 지구물리학과 우주물리학을 통해 연구되는 중력장과 자기장으로 특징지을 수 있다.

우주선이 궤도를 도는 동안 경험하는 가속도의 변화를 측정함으로써 행성의 중력장에 대한 미세한 세부사항을 지도화 할 수 있게 되었다.예를 들어, 1970년대에 달 궤도선을 통해 루나 마리아 위의 중력장 교란이 측정되었고, 이로 인해 임브리움, 세레니타티스, 크리시움, 넥탈리스, 후름 [38]분지 아래에서 질량, 매스콘의 농도가 발견되었다.

역사

주요 기사:지구물리학의 역사

지구물리학은 물리 지리학, 지질학, 천문학, 기상학, [39][40]물리학의 교차점에서 19세기에 들어서야 별개의 학문으로 등장했다.하지만, 지구의 자기장과 지진과 같은 많은 지구물리학적 현상들이 고대부터 연구되어 왔다.

고대와 고전 시대

Picture of ornate urn-like device with spouts in the shape of dragons
장 헝의 지진계 복제품, 지진학에 대한 첫 번째 공헌일 수 있습니다.

자기 나침반은 기원전 4세기까지 중국에 존재했다.그것은 육지에서의 항해만큼이나 풍수에도 많이 사용되었습니다.좋은 강철 바늘이 만들어지고 나서야 나침반이 바다에서 항해를 위해 사용되었습니다; 그 전에는, 유용하게 쓸 수 있을 만큼 오래 자력을 유지할 수 없었습니다.유럽에서 나침반에 대한 첫 언급은 서기 [41]1190년이었다.

기원전 240년경, 키레네의 에라토스테네스는 지구가 둥글다고 추론하고 지구의 둘레를 매우 [42]정확하게 측정했다.그는 위도와 [43]경도의 체계를 개발했다.

아마도 지진학에 가장 먼저 기여한 것은 서기 [44]132년에 다작의 발명가 장 헝에 의한 지진계의 발명일 것이다.이 악기는 용의 입에서 두꺼비 입 안으로 청동 공을 떨어뜨리도록 고안되었습니다.8마리의 두꺼비 중 누가 공을 가지고 있는지 보면 지진의 방향을 알 수 있었다.장 드 라 오트페유에 의해 유럽에서 지진계의 첫 디자인이 출판되기 1571년 전이었다.지어지지 [45]않았어요.

현대 과학의 시작

현대 과학의 시작을 알린 출판물들 중 하나는 윌리엄 길버트의 De Magnete(1600년)로, 자기학에 대한 일련의 세심한 실험에 대한 보고서이다.길버트는 나침반이 북쪽을 가리키고 있는 것은 지구 자체가 [21]자성을 띠고 있기 때문이라고 추측했다.

1687년 아이작 뉴턴은 고전 역학과 중력의 토대를 마련했을 뿐만 아니라 조수와 분점의 [46]세차 운동과 같은 다양한 지구물리 현상을 설명한 그의 프린키피아를 출판했다.

지진 활동을 지속적으로 기록할 수 있는 기구인 최초의 지진계는 [45]1844년 제임스 포브스에 의해 만들어졌다.

「 」를 참조해 주세요.

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레퍼런스

외부 링크

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