فيزياء الأرض

(تم التحويل من Geophysics)
جزء من سلسلة عن
الجيوفيزياء
الكهرباء
ديناميكا الموائع
جيوديناميكا
الجاذبية
المغناطيسية
الموجات
جيوفيزيائيون

فيزياء الأرض (/ˌdʒiːoʊˈfɪzɪks/) هي علم فيزيائي يهتم بالعمليات والخصائص الفيزيائية للأرض ومحيطها الفضائي، وتُدرَس باستخدام أساليب كمية ورصدية. وتركز بشكل أساسي على شكل الأرض وحقولها الجاذبية والمغناطيسية والكهرومغناطيسية. كما تدرس البنية الداخلية والتركيب والديناميكية، وتعبيراتها السطحية في التكتونية والبراكين وتكوين الصخور. ويشمل الجيوفيزياء أيضًا منظورًا أوسع لنظام الأرض وكوكبيًا، بما في ذلك المحيطات والغلاف الجوي والغلاف الجليدي والأيونوسفير والغلاف المغناطيسي، فضلًا عن التفاعلات الشمسية-الأرضية والعمليات المماثلة على القمر والكواكب الأخرى وأقمارها.[1][2][3][4][5][6]

وهو من أقدم العلوم، إذ يعود إلى العصور القديمة مع تطوير أوائل مقاييس الزلازل والبوصلات المغناطيسية، ثم امتد لاحقًا إلى تحليلات نيوتن للمد والجزر والمبادرة المحورية وخصائص الأرض الفيزيائية. واليوم يُمارَس الجيوفيزياء لفهم علمي أساسي ولتطبيقات عملية، تشمل استكشاف الموارد المعدنية والطاقة، وتقييم المخاطر الطبيعية والتخفيف منها، ودراسات المياه الجوفية والبيئة، والتحقيقات الأثرية، والرصد البيئي.[2]

يدمج الجيوفيزياء النظرية والرصد والتجربة لبحث الأرض والنظم الكوكبية عبر مقاييس مكانية وزمنية متنوعة. وتشمل أساليبه القياسات الميدانية، وتجارب المختبر، والاستشعار عن بعد، والنمذجة العددية، وتحليل البيانات لكل من السجلات الطبيعية والمقيسة، بما في ذلك معالجة الإشارات. وبوصفه إطارًا فيزيائيًا موحدًا لدراسات الأرض والكواكب، يربط الجيوفيزياء الظواهر من الأعماق الداخلية إلى الغلاف الجوي العلوي والبيئة القريبة من الفضاء، موفرًا الأساس لفهم التطور الكوكبي والديناميكا والقابلية للسكن.

الظواهر الفيزيائية

الجيوفيزياء موضوع متعدد التخصصات للغاية، ويسهم الجيوفيزيائيون في كل مجال من مجالات علوم الأرض، بينما يجري بعضهم أبحاثًا في العلوم الكوكبية. ولتقديم فكرة أوضح عما يشكّل الجيوفيزياء، يصف هذا القسم الظواهر التي تُدرَس في الفيزياء وكيف ترتبط بالأرض ومحيطها. كما يبحث الجيوفيزيائيون في العمليات والخصائص الفيزيائية للأرض وطبقاتها المائعة ومجالها المغناطيسي إلى جانب البيئة القريبة من الأرض في المجموعة الشمسية، والتي تشمل أجسامًا كوكبية أخرى.

الجاذبية

صورة لكرة أرضية تجمع بين الألوان والتضاريس.
خريطة لانحرافات الجاذبية عن أرض مثالية ناعمة
للمزيد من المعلومات، انظر جيوديسيا فيزيائية و قياس الثقالة.

يؤدي جذب القمر والشمس إلى نشوء مدين وجزرين كل يوم قمري، أو كل 24 ساعة و50 دقيقة. لذلك، توجد فجوة قدرها 12 ساعة و25 دقيقة بين كل مدّين وبين كل جزّرين.[7]

تؤدي قوى الجاذبية إلى ضغط الصخور على الصخور الأعمق، ما يزيد كثافتها مع زيادة العمق.[8] ويمكن استخدام قياسات تسارع الجاذبية وجهد الجاذبية على سطح الأرض وفوقه للبحث عن الرواسب المعدنية (انظر شذوذ الجاذبية وقياس الثقالة).[9][10] ويوفر مجال الجاذبية السطحي معلومات عن ديناميكية الصفائح التكتونية. ويُعدّ سطح الجهد الأرضي المسمى الجيود أحد تعريفات شكل الأرض. وسيكون الجيود هو متوسط مستوى سطح البحر العالمي لو كانت المحيطات في حالة توازن ويمكن مدها عبر القارات (مثل قنوات ضيقة جدًا).[11][10]

الاهتزازات

كتل مشوهة بشبكات على السطح.
توضيح لتشوهات كتلة بفعل موجات الجسم وموجات السطح (انظر موجة زلزالية)

الموجات الزلزالية هي اهتزازات تنتقل عبر باطن الأرض أو على سطحها.[12] ويمكن للأرض بأكملها أن تتذبذب في أشكال تُسمى الأنماط العادية أو التذبذبات الحرة للأرض. وتُقاس الحركات الأرضية الناتجة عن الموجات أو الأنماط العادية باستخدام مقاييس الزلازل. وإذا جاءت الموجات من مصدر موضعي مثل زلزال أو انفجار، فيمكن استخدام القياسات في أكثر من موقع لتحديد موقع المصدر. وتوفر مواقع الزلازل معلومات عن تكتونية الصفائح وحمل الوشاح.[13][14]

ويوفر تسجيل الموجات الزلزالية من مصادر متحكم بها معلومات عن المنطقة التي تمر بها الموجات. فإذا تغيرت كثافة الصخر أو تركيبه، انعكست الموجات. ويمكن لتسجيلات الانعكاس الزلزالي أن توفر ثروة من المعلومات عن بنية الأرض حتى عمق عدة كيلومترات، وتُستخدم لزيادة فهمنا للجيولوجيا وكذلك للتنقيب عن النفط والغاز.[9] ويمكن استخدام التغيرات في اتجاه السفر، والتي تسمى الانكسار، لاستنتاج البنية العميقة للأرض.[14]

وتُشكّل الزلازل خطرًا على البشر. وفهم آلياتها، التي تعتمد على نوع الزلزال (مثل داخل الصفيحة أو عميق المركز)، يمكن أن يؤدي إلى تقديرات أفضل لمخاطر الزلازل وتحسينات في الهندسة الزلزالية.[15]

الكهرباء

يوجد دائمًا مجال كهربائي متجه للأسفل بالقرب من السطح، يبلغ متوسطه 120 فولت لكل متر.[16] وتؤدي الأشعة الكونية المجرية التي تخترق الغلاف الجوي إلى تأينه بالنسبة للأرض الصلبة، ما يتركه بشحنة موجبة صافية.[17] ويتدفق تيار يبلغ نحو 1800 أمبير في الدائرة العالمية.[16] وينزل من الأيونوسفير فوق معظم أنحاء الأرض ويعود صاعدًا عبر العواصف الرعدية. ويتجلى التدفق في البرق تحت السحب والأشباح فوقها.

وتُستخدم مجموعة متنوعة من الطرق الكهربائية في المسح الجيوفيزيائي. بعضها يقيس الجهد التلقائي، وهو جهد ينشأ في الأرض بسبب اضطرابات من صنع الإنسان أو طبيعية. وتتدفق التيارات الأرضية في الأرض والمحيطات. ولها سببان: التحريض الكهرومغناطيسي بواسطة المجال المغناطيسي الأرضي المتغير زمنيًا وذي الأصل الخارجي، وحركة الأجسام الموصلة (مثل مياه البحر) عبر مجال الأرض المغناطيسي الدائم.[18] ويمكن استخدام توزيع كثافة التيار الأرضي للكشف عن الاختلافات في المقاومية الكهربائية للبنى تحت السطحية. ويمكن للجيوفيزيائيين أيضًا توفير التيار الكهربائي بأنفسهم (انظر استقطاب مستحث وتصوير مقاومية كهربائية).

الموجات الكهرومغناطيسية

تحدث الموجات الكهرومغناطيسية في الأيونوسفير والغلاف المغناطيسي وكذلك في اللب الخارجي للأرض. ويُعتقد أن جوقة الفجر تنتج عن إلكترونات عالية الطاقة تُحتجز في حزام فان آلن الإشعاعي. وتنتج الصفيرات عن ضربات البرق. وقد ينتج الهس عن كليهما. كما قد تتولد موجات كهرومغناطيسية عن الزلازل (انظر كهرومغناطيسية زلزالية).

وفي حديد اللب الخارجي السائل عالي التوصيل، تُولَّد المجالات المغناطيسية بواسطة تيارات كهربائية عبر التحريض الكهرومغناطيسي. وموجات ألففين هي موجات مغناطيسية-هيدروديناميكية في الغلاف المغناطيسي أو لب الأرض. وفي اللب، من المحتمل أن يكون لها تأثير ضئيل يمكن ملاحظته على المجال المغناطيسي للأرض، لكن الموجات الأبطأ مثل موجات روسبي المغناطيسية قد تكون أحد مصادر التغير العلماني المغناطيسي الأرضي.[19]

وتشمل الطرق الكهرومغناطيسية المستخدمة في المسح الجيوفيزيائي الكهرومغناطيسية العابرة، والمغناطيسية الأرضية، ورنين مغناطيسي نووي سطحي، وتسجيل قاع البحر الكهرومغناطيسي.[20]

المغناطيسية

للمزيد من المعلومات، انظر مجال مغناطيسي أرضي, مسح مغناطيسي جوي و paleomagnetism.
مخطط بخطوط المجال والمحاور وخطوط المغناطيس.
محور ثنائي القطب الأرضي (الخط الوردي) مائل بعيدًا عن محور الدوران (الخط الأزرق).
محاكاة حاسوبية للمجال المغناطيسي للأرض في فترة قطبية عادية بين الانقلابات[21]

يحمي المجال المغناطيسي للأرض من الريح الشمسية القاتلة، وقد استُخدم منذ فترة طويلة في الملاحة. وينشأ من الحركات السائلة في اللب الخارجي.[19] ويؤدي المجال المغناطيسي في الغلاف الجوي العلوي إلى الشفق القطبي.[22]

ومجال الأرض يشبه تقريبًا ثنائي قطب مائل، لكنه يتغير بمرور الوقت (ظاهرة تسمى التغير العلماني المغناطيسي الأرضي). وغالبًا ما يبقى القطب المغناطيسي الأرضي بالقرب من القطب الجغرافي، لكن على فترات عشوائية يبلغ متوسطها 440 ألف إلى مليون سنة أو نحو ذلك، تنقلب قطبية مجال الأرض. وهذه الانقلابات المغناطيسية الأرضية، التي تُحلَّل ضمن مقياس زمني قطبي مغناطيسي أرضي، تحتوي على 184 فترة قطبية في آخر 83 مليون سنة، مع تغير في التكرار بمرور الوقت، وآخر انقلاب كامل قصير هو حدث لاشامب الذي وقع قبل 41,000 سنة خلال آخر فترة جليدية. وقد لاحظ الجيولوجيون انقلابًا مغناطيسيًا أرضيًا مسجلًا في الصخور البركانية، عبر ارتباط المغناطيسية الطباقية (انظر مغنطة عشوائية طبيعية)، ويمكن رؤية بصمتها كخطوط شذوذ مغناطيسي خطية متوازية على قاع البحر. وتوفر هذه الخطوط معلومات كمية عن انتشار قاع البحر، وهو جزء من تكتونية الصفائح. وهي أساس المغناطيسية الطباقية، التي تربط الانقلابات المغناطيسية مع طباقيات أخرى لبناء مقاييس زمنية جيولوجية.[23] بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام مغنطة الصخور لقياس حركة القارات.[19]

النشاط الإشعاعي

للمزيد من المعلومات، انظر تأريخ إشعاعي.
مخطط بكرات مركبة تمثل النوى وأسهم.
مثال على سلسلة تحلل إشعاعي (انظر تأريخ إشعاعي)

يُفسّر التحلل الإشعاعي نحو 80% من الحرارة الداخلية للأرض، ما يغذي الدينامو المغناطيسي الأرضي وتكتونية الصفائح.[24] وأهم النظائر المولدة للحرارة هي بوتاسيوم-40، ويورانيوم-238، ويورانيوم-235، وثوريوم-232.[25] وتُستخدم العناصر المشعة في التأريخ الإشعاعي، وهو الطريقة الأساسية لتأسيس مقياس زمني مطلق في الجيولوجيا الزمنية.

وتتحلل النظائر غير المستقرة بمعدلات يمكن التنبؤ بها، وتغطي معدلات تحلل النظائر المختلفة عدة مراتب قدرية، لذا يمكن استخدام التحلل الإشعاعي لتأريخ كل من الأحداث الحديثة والأحداث في الحقب الجيولوجية الماضية بدقة.[26] ويمكن استخدام الخرائط الإشعاعية باستخدام مطيافية غاما الأرضية والجوية لرسم تركيز وتوزيع النظائر المشعة بالقرب من سطح الأرض، وهو أمر مفيد لرسم الصخور والتغيرات.[27][28]

ديناميكا الموائع

تحدث حركات الموائع في الغلاف المغناطيسي، والغلاف الجوي، والمحيط، والوشاح، واللب. وحتى الوشاح، رغم لزوجته الهائلة، يتدفق كسائل على فترات زمنية طويلة. وينعكس هذا التدفق في ظواهر مثل التوازن، والارتداد بعد الجليدية، وأعمدة الوشاح. ويقود تدفق الوشاح تكتونية الصفائح، ويقود التدفق في لب الأرض الدينامو المغناطيسي.[19]

وديناميكا الموائع الجيوفيزيائية أداة أساسية في علم المحيطات الفيزيائي وعلم الأرصاد الجوية. ولدوران الأرض تأثيرات عميقة على ديناميكا الموائع الخاصة بها، غالبًا بسبب تأثير كوريوليس. وفي الغلاف الجوي، يؤدي ذلك إلى أنماط واسعة النطاق مثل موجات روسبي ويحدد أنماط الدوران الأساسية للعواصف. وفي المحيط، تقود أنماط دوران واسعة النطاق بالإضافة إلى موجات كلفن وحلزونات إيكمان عند سطح المحيط.[29] وفي لب الأرض، يُنظَّم دوران الحديد المنصهر بواسطة أعمدة تايلور.[19]

ويمكن نمذجة الموجات والظواهر الأخرى في الغلاف المغناطيسي باستخدام الديناميكا المغناطيسية الهيدروديناميكية.

تدفق الحرارة

صورة زائفة الألوان في مقطع رأسي.
نموذج للحمل الحراري في وشاح الأرض. الأعمدة الحمراء الرقيقة هي أعمدة الوشاح.

تبرد الأرض، ويولّد التدفق الحراري الناتج المجال المغناطيسي للأرض عبر الدينامو وتكتونية الصفائح عبر حمل الوشاح.[30] وأهم مصادر الحرارة: الحرارة البدائية الناتجة عن تبريد الأرض، والنشاط الإشعاعي في القشرة العلوية للكواكب.[31] وهناك أيضًا بعض الإسهامات من التحولات الطورية. وتُحمل الحرارة في الغالب إلى السطح عبر الحمل الحراري، رغم وجود طبقتين حديتين حراريًا – حد اللب والوشاح والغلاف الصخري – تُنقل فيهما الحرارة عبر التوصيل.[32] وتُحمل بعض الحرارة من قاع الوشاح بواسطة أعمدة الوشاح. ويبلغ تدفق الحرارة على سطح الأرض نحو 4.2 × 1013 W، وهو مصدر محتمل للطاقة الحرارية الأرضية.[33]

فيزياء المعادن

يجب فهم الخصائص الفيزيائية للمعادن لاستنتاج تركيب باطن الأرض من علم الزلازل، والتدرج الحراري الأرضي ومصادر المعلومات الأخرى. ويدرس فيزيائيو المعادن الخصائص المرنة للمعادن؛ ومخططاتها الطورية عالية الضغط، ونقاط انصهارها، ومعادلات حالتها عند الضغط العالي؛ والخصائص الريولوجية للصخور، أو قدرتها على التدفق. ويجعل الزحف تشوه الصخور ممكنًا، رغم أن الصخور هشة على المدى القصير. وتتأثر لزوجة الصخور بدرجة الحرارة والضغط، وهي بدورها تحدد معدلات حركة الصفائح التكتونية.[8]

والماء مادة معقدة للغاية وخصائصه الفريدة ضرورية للحياة.[34] وتشكّل خصائصه الفيزيائية الغلاف المائي وتُعدّ جزءًا أساسيًا من دورة الماء والمناخ. وتحدد خصائصه الديناميكية الحرارية التبخر والتدرج الحراري في الغلاف الجوي. وتتضمن الأنواع العديدة من الهطول مزيجًا معقدًا من العمليات مثل الاندماج، والتبريد الفائق، وتفرط التشبع.[35] ويتحول بعض الماء المترسب إلى مياه جوفية، ويتضمن تدفق المياه الجوفية ظواهر مثل الترشح، بينما تجعل موصلية الماء الطرق الكهربائية والكهرومغناطيسية مفيدة لتتبع تدفق المياه الجوفية. وخصائص الماء الفيزيائية مثل الملوحة لها تأثير كبير على حركته في المحيطات.[29]

وتشكّل الأطوار العديدة للجليد الغلاف الجليدي وتأتي في أشكال مثل الصفائح الجليدية، والأنهار الجليدية، والجليد البحري، وجليد المياه العذبة، والثلج، والأرض المتجمدة (أو التربة الصقيعية).[36]

مناطق الأرض

حجم وشكل الأرض

خلافًا للاعتقاد الشائع، ليست الأرض كروية تمامًا، بل تتخذ عمومًا شكل القطع الناقص، وهو نتيجة قوى الطرد المركزي التي يولّدها الكوكب بسبب حركته المستمرة.[37] وتؤدي هذه القوى إلى انتفاخ قطر الكوكب نحو خط الاستواء، ما ينتج الشكل الإهليلجي للأرض.[37][10] وشكل الأرض يتغير باستمرار، ويمكن لعوامل مختلفة، منها الارتداد الجليدي المتوازن (ذوبان الصفائح الجليدية الكبيرة الذي يجعل قشرة الأرض ترتد بسبب تحرر الضغط[38])، والسمات الجيولوجية مثل الجبال أو الخنادق المحيطية، وديناميكية الصفائح التكتونية، والكوارث الطبيعية، أن تشوّه شكل الكوكب.[37]

بنية الداخل

مخطط بأصداف متحدة المركز ومسارات منحنية.
سرعات زلزالية وحدود في باطن الأرض تُستكشف بواسطة الموجات الزلزالية

تُدمج الأدلة من علم الزلازل، وتدفق الحرارة على السطح، وفيزياء المعادن مع كتلة الأرض وعزم قصورها الذاتي لاستنتاج تركيب باطن الأرض وكثافته وحرارته وضغطه. وعلى سبيل المثال، فإن الكثافة النوعية المتوسطة للأرض (5.515) أعلى بكثير من الكثافة النوعية النموذجية للصخور على السطح (2.7–3.3)، ما يعني أن المادة الأعمق أكثر كثافة. ويُستدل على ذلك أيضًا من عزم قصورها الذاتي المنخفض ( 0.33 M R2، مقارنة بـ 0.4 M R2 لكرة ذات كثافة ثابتة). ومع ذلك، فإن بعض الزيادة في الكثافة ناتجة عن الانضغاط تحت الضغوط الهائلة داخل الأرض. ويمكن حساب تأثير الضغط باستخدام معادلة آدامز-ويليامسون. والاستنتاج هو أن الضغط وحده لا يمكن أن يفسر الزيادة في الكثافة. وبدلًا من ذلك، نعلم أن لب الأرض يتكون من سبيكة من الحديد ومعادن أخرى.[8]

وتُظهر إعادة بناء الموجات الزلزالية في باطن الأرض العميق عدم وجود موجات S في اللب الخارجي. وهذا يشير إلى أن اللب الخارجي سائل، لأن السوائل لا يمكنها تحمل القص. واللب الخارجي سائل، وحركة هذا المائع عالي التوصيل تولد مجال الأرض. أما اللب الداخلي للأرض، فهو صلب بسبب الضغط الهائل.[11]

وتشير إعادة بناء الانعكاسات الزلزالية في باطن الأرض العميق إلى وجود بعض الانقطاعات الرئيسية في السرعات الزلزالية التي ترسم حدود المناطق الرئيسية للأرض: اللب الداخلي، واللب الخارجي، والوشاح، والغلاف الصخري، والقشرة. وينقسم الوشاح نفسه إلى الوشاح العلوي، والمنطقة الانتقالية، والوشاح السفلي، وطبقة D′′. وبين القشرة والوشاح توجد انقطاع موهوروفيتشيتش.[11]

والنموذج الزلزالي للأرض لا يحدد بحد ذاته تركيب الطبقات. وللحصول على نموذج كامل للأرض، هناك حاجة إلى فيزياء المعادن لتفسير السرعات الزلزالية من حيث التركيب. وتعتمد خصائص المعادن على درجة الحرارة، لذا يجب أيضًا تحديد التدرج الحراري الأرضي. ويتطلب ذلك نظرية فيزيائية للتوصيل الحراري والحمل الحراري وإسهام الحرارة من العناصر المشعة. والنموذج الرئيسي للبنية الشعاعية لباطن الأرض هو نموذج الأرض المرجعي الأولي (PREM). وقد تم تحديث بعض أجزاء هذا النموذج بنتائج حديثة في فيزياء المعادن (انظر بوست-بيروفسكايت) واستكمالها بـتصوير زلزالي مقطعي. ويتكون الوشاح بشكل رئيسي من السيليكات، وتتوافق الحدود بين طبقات الوشاح مع التحولات الطورية.[8]

ويتصرف الوشاح كصلب بالنسبة للموجات الزلزالية، لكنه يتشوه تحت الضغوط ودرجات الحرارة العالية، بحيث يتصرف كسائل على مدى ملايين السنين. وهذا ما يجعل تكتونية الصفائح ممكنة.

الغلاف المغناطيسي

مخطط بأسطح وخطوط ملونة.
رسم تخطيطي للغلاف المغناطيسي للأرض. الريح الشمسية تتدفق من اليسار إلى اليمين.

إذا كان المجال المغناطيسي للكوكب قويًا بما يكفي، فإن تفاعله مع الريح الشمسية يشكّل غلافًا مغناطيسيًا. وقد رسمت المسابر الفضائية المبكرة الأبعاد الإجمالية للمجال المغناطيسي للأرض، الذي يمتد نحو 10 أنصاف أقطار أرضية نحو الشمس. وتتدفق الريح الشمسية، وهي تيار من الجسيمات المشحونة، حول المجال المغناطيسي الأرضي وتستمر خلف الذيل المغناطيسي، على بعد مئات من أنصاف أقطار الأرض في اتجاه مجرى النهر. وداخل الغلاف المغناطيسي، توجد مناطق كثيفة نسبيًا من جسيمات الريح الشمسية تسمى أحزمة فان آلن الإشعاعية.[22]

الطرق

الجيوديسيا

تُجرى القياسات الجيوفيزيائية عمومًا في زمن ومكان محددين. والقياسات الدقيقة للموقع، مع تشوه الأرض والجاذبية، هي مجال الجيوديسيا. وفي حين أن الجيوديسيا والجيوفيزياء مجالان منفصلان، فإنهما مترابطان لدرجة أن العديد من المنظمات العلمية مثل الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي، والاتحاد الجيوفيزيائي الكندي، والاتحاد الدولي للجيوديسيا والجيوفيزياء تشمل كليهما.[39]

وتُحدَّد المواقع المطلقة في أغلب الأحيان باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). ويُحسب الموقع ثلاثي الأبعاد باستخدام رسائل من أربعة أقمار صناعية مرئية أو أكثر، ويُشار إليه بنظام جيوديسي مرجعي 1980. والبديل، الفلك البصري، يجمع بين الإحداثيات الفلكية ومتجه الجاذبية المحلي للحصول على إحداثيات جيوديسية. وتوفر هذه الطريقة الموقع في إحداثيين فقط، ويصعب استخدامها أكثر من GPS. ومع ذلك، فهي مفيدة لقياس حركات الأرض مثل الترنح وترنح تشاندلر. ويمكن تحديد المواقع النسبية لنقطتين أو أكثر باستخدام قياس تداخل خط الأساس الطويل جدًا.[39][40][41]

وأصبحت قياسات الجاذبية جزءًا من الجيوديسيا لأنها كانت ضرورية لربط القياسات على سطح الأرض بنظام الإحداثيات المرجعي. ويمكن إجراء قياسات الجاذبية على الأرض باستخدام مقاييس ثقالة تُنشر على السطح أو في تحليقات هليكوبتر. ومنذ الستينيات، جرى قياس مجال جاذبية الأرض من خلال تحليل حركة الأقمار الصناعية. ويمكن أيضًا قياس مستوى سطح البحر بواسطة الأقمار الصناعية باستخدام قياس الارتفاع الراداري، مما يسهم في الحصول على جيود أكثر دقة.[39] وفي عام 2002، أطلقت ناسا مهمة تجربة استرداد الجاذبية والمناخ (GRACE)، حيث يرسم قمران صناعيان توأمان الاختلافات في مجال جاذبية الأرض من خلال إجراء قياسات للمسافة بين القمرين باستخدام GPS ونظام مدى بالموجات الدقيقة. وتشمل اختلافات الجاذبية التي كشفت عنها GRACE تلك الناتجة عن التغيرات في تيارات المحيطات؛ والجريان السطحي ونضوب المياه الجوفية؛ وذوبان الصفائح الجليدية والأنهار الجليدية.[42]

الأقمار الصناعية والمسابر الفضائية

أتاحت الأقمار الصناعية في الفضاء جمع البيانات ليس فقط من منطقة الضوء المرئي، بل من مناطق أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي. ويمكن تمييز الكواكب بمجالات قواها: الجاذبية ومجالاتها المغناطيسية، التي تُدرَس عبر الجيوفيزياء وفيزياء الفضاء.

وقد أتاح قياس التغيرات في التسارع الذي تشهده المركبات الفضائية أثناء دورانها رسم تفاصيل دقيقة لمجالات الجاذبية للكواكب. وعلى سبيل المثال، في السبعينيات، قيست اضطرابات مجال الجاذبية فوق البحار القمرية عبر مدارات قمرية، مما أدى إلى اكتشاف تركيزات الكتلة، الماسكونات، تحت أحواض إمبريوم، وسيرينيتاتيس، وكريسيوم، ونكتاريس وهوموروم.[43]

نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظم المعلومات الجغرافية (GIS)

للمزيد من المعلومات، انظر نظام معلومات جغرافي.

نظرًا لأن الجيوفيزياء تهتم بشكل الأرض، وبالتالي برسم معالم الكوكب، فإن القياسات الجيوفيزيائية تشمل قياسات GPS عالية الدقة. وتُعالَج هذه القياسات لزيادة دقتها عبر معالجة GPS التفاضلية. وبمجرد معالجة القياسات الجيوفيزيائية وعكسها، تُرسم النتائج المُفسَّرة باستخدام GIS. وقد بُنيت برامج مثل ArcGIS وGeosoft لتلبية هذه الاحتياجات وتشمل العديد من الوظائف الجيوفيزيائية المدمجة، مثل الاستمرارية الصعودية، وحساب مشتقة القياس مثل المشتقة الرأسية الأولى.[9][10][44] وقد صممت العديد من شركات الجيوفيزياء برامج جيوفيزيائية داخلية سبقت ArcGIS وGeoSoft لتلبية متطلبات تصور مجموعة البيانات الجيوفيزيائية.

الاستشعار عن بعد

الجيوفيزياء الاستكشافية فرع من الجيوفيزياء التطبيقية يتضمن تطوير واستخدام طرق زلزالية أو كهرومغناطيسية مختلفة بهدف التحقيق في موارد الطاقة والمعادن والمياه المختلفة.[45] ويتم ذلك عبر منصات الاستشعار عن بعد المختلفة مثل الأقمار الصناعية، والطائرات، والقوارب، والطائرات دون طيار، ومعدات استشعار الآبار والمستقبلات الزلزالية. وغالبًا ما تُستخدم هذه المعدات بالاقتران مع طرق جيوفيزيائية مختلفة مثل المغناطيسية، والجاذبية، والكهرومغناطيسية، والإشعاعية، والبارومترية لجمع البيانات. ومنصات الاستشعار عن بعد المستخدمة في الجيوفيزياء الاستكشافية ليست مثالية وتحتاج إلى تعديلات لإجراء محاسبة دقيقة للتأثيرات التي قد تحدثها المنصة نفسها على البيانات المجمعة. على سبيل المثال، عند جمع بيانات مغناطيسية جوية (بيانات مغناطيسية مجمعة بالطائرات) باستخدام طائرة ثابتة الجنحان تقليدية – يجب تعديل المنصة لمحاسبة التيارات الكهرومغناطيسية التي قد تولدها أثناء مرورها عبر المجال المغناطيسي للأرض.[9] وهناك أيضًا تصحيحات تتعلق بالتغيرات في شدة مجال الجهد المقاس مع دوران الأرض، ومع دوران الأرض حول الشمس، ومع دوران القمر حول الأرض.[9][44]

معالجة الإشارات

غالبًا ما تُسجَّل القياسات الجيوفيزيائية كسلاسل زمنية مع موقع GPS. وتتضمن معالجة الإشارات تصحيح بيانات السلاسل الزمنية من الضوضاء غير المرغوب فيها أو الأخطاء التي تُدخلها منصة القياس، مثل اهتزازات الطائرات في بيانات الجاذبية. وتتضمن أيضًا تقليل مصادر الضوضاء، مثل التصحيحات النهارية في البيانات المغناطيسية.[9][44] وفي بيانات الزلازل، والبيانات الكهرومغناطيسية، وبيانات الجاذبية، تستمر المعالجة بعد تصحيح الأخطاء لتشمل الجيوفيزياء الحاسوبية التي تؤدي إلى التفسير النهائي للبيانات الجيوفيزيائية إلى تفسير جيولوجي للقياسات الجيوفيزيائية[9][44]

التاريخ

برز الجيوفيزياء كتخصص منفصل فقط في القرن التاسع عشر، من تقاطع الجغرافيا الطبيعية، والجيولوجيا، والفلك، وعلم الأرصاد الجوية، والفيزياء.[46][47] وأول استخدام معروف لكلمة geophysics كان باللغة الألمانية ("Geophysik") على يد يوليوس فروبل عام 1834.[48] ومع ذلك، فقد جرى التحقيق في العديد من الظواهر الجيوفيزيائية – مثل المجال المغناطيسي للأرض والزلازل – منذ العصر القديم.

العصور القديمة والكلاسيكية

صورة لجهاز يشبه الجرة المزخرفة بفتحات على شكل تنانين.
نسخة طبق الأصل من مقياس زلازل تشانغ هنغ، ربما أول إسهام في علم الزلازل

وُجدت البوصلة المغناطيسية في الصين منذ القرن الرابع قبل الميلاد. واستُخدمت في الفنغ شوي بقدر ما استُخدمت في الملاحة البرية. ولم يُستخدم compasses للملاحة البحرية إلا بعد أن أمكن صهر إبر فولاذية جيدة؛ قبل ذلك، لم تكن تحتفظ بمغناطيسيتها لفترة كافية لتكون مفيدة. وأول ذكر للبوصلة في أوروبا كان عام 1190 م.[49]

وفي نحو 240 ق.م، استنتج إراتوستينس القوريني أن الأرض كروية وقاس محيط الأرض بدقة كبيرة.[50] وطوّر نظامًا لخطوط العرض والطول.[51]

وربما كان أول إسهام في علم الزلازل هو اختراع مقياس الزلازل على يد المخترع الغزير الإنتاج تشانغ هنغ عام 132 م.[52] وكانت هذه الأداة مصممة لإسقاط كرة برونزية من فم تنين في فم ضفدع. وبالنظر إلى أي من الضفادع الثمانية استقبلت الكرة، يمكن تحديد اتجاه الزلزال. وكان ذلك قبل 1571 سنة من نشر أول تصميم لمقياس زلازل في أوروبا، على يد جان دي هوتفويل. ولم يُبنَ قط.[53]

بدايات العلم الحديث

شهد القرن السابع عشر معالم كبرى شكلت بداية العلم الحديث. ففي عام 1600، نشر ويليام جيلبرت كتابًا بعنوان De Magnete (1600) حيث أجرى سلسلة تجارب على كل من المغناطيسات الطبيعية (تسمى 'أحجار المغناطيس') والحديد الممغنط صناعيًا.[54] وأدت تجاربه إلى ملاحظات تتضمن إبرة بوصلة صغيرة (versorium) والتي كررت السلوكيات المغناطيسية عند تعرضها لمغناطيس كروي، إلى جانب أنها شهدت "انحدارات مغناطيسية" عند محورها على محور أفقي.[54] وأدت نتائجه إلى استنتاج أن البوصلات تشير إلى الشمال لأن الأرض نفسها مغناطيس عملاق.[54]

وفي عام 1687، نشر إسحاق نيوتن عمله بعنوان الأصول والذي كان محوريًا في تطوير مجالات علمية حديثة مثل الفلك والفيزياء.[55] وفيه، وضع نيوتن أسس الميكانيكا الكلاسيكية والجاذبية، وشرح ظواهر جيوفيزيائية مختلفة مثل مبادرة الاعتدالين (مدار أنماط النجوم بأكملها على طول محور مسير الشمس.[56] وقد اكتسبت نظرية نيوتن في الجاذبية نجاحًا كبيرًا لدرجة أنها أدت إلى تغيير الهدف الرئيسي للفيزياء في تلك الحقبة إلى كشف القوى الأساسية للطبيعة وخصائصها في القوانين.[55]

وبُني أول مقياس زلازل، وهو أداة قادرة على الاحتفاظ بسجل مستمر للنشاط الزلزالي، على يد جيمس ديفيد فوربس عام 1844.[53]

انظر أيضاً

ملاحظات

  1. ^ Sheriff 1991
  2. ^ أ ب IUGG 2011
  3. ^ AGU 2011
  4. ^ Gutenberg, B., 1929, Lehrbuch der Geophysik. Leipzig. Berlin (Gebruder Borntraeger).
  5. ^ Runcorn, S.K, (editor-in-chief), 1967, International dictionary of geophysics: Pergamon, Oxford, 2 volumes, 1,728 pp., 730 fig
  6. ^ Geophysics, 1970, Encyclopaedia Britannica, Vol.10, p. 202-202
  7. ^ Ross 1995, pp. 236–242
  8. ^ أ ب ت ث Poirier 2000
  9. ^ أ ب ت ث ج ح خ Telford, Geldart & Sheriff 1990
  10. ^ أ ب ت ث Blakely, Richard J. (1995). Potential Theory in Gravity and Magnetic Applications. Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511549816. ISBN 978-0-521-41508-8.
  11. ^ أ ب ت Lowrie 2004
  12. ^ "Seismic wave | Earth's Interior Structure & Movement | Britannica". www.britannica.com (in الإنجليزية). 2024-01-12. Retrieved 2024-02-18.
  13. ^ Shearer, Peter M. (2009). Introduction to seismology (2nd ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780521708425.
  14. ^ أ ب Stein & Wysession 2003
  15. ^ Bozorgnia & Bertero 2004
  16. ^ أ ب Harrison & Carslaw 2003
  17. ^ Nicoll, Keri (April 2016). "Earth's electric atmosphere" (PDF). metlink.org. Retrieved February 18, 2024.
  18. ^ Lanzerotti & Gregori 1986
  19. ^ أ ب ت ث ج Merrill, McElhinny & McFadden 1998
  20. ^ Stéphane, Sainson (2017). Electromagnetic seabed logging : a new tool for geoscientists. Springer. ISBN 978-3-319-45355-2.
  21. ^ "Earth's Inconstant Magnetic Field". science@nasa (in الإنجليزية). National Aeronautics and Space Administration. 29 December 2003. Retrieved 13 November 2018.
  22. ^ أ ب Kivelson & Russell 1995
  23. ^ Opdyke & Channell 1996
  24. ^ Turcotte & Schubert 2002
  25. ^ Sanders 2003
  26. ^ Renne, Ludwig & Karner 2000
  27. ^ "Radiometrics". Geoscience Australia. Commonwealth of Australia. 15 May 2014. Retrieved 23 June 2014.
  28. ^ "Interpreting radiometrics". Natural Resource Management. Department of Agriculture and Food, Government of Western Australia. Archived from the original on 21 March 2012. Retrieved 23 June 2014.
  29. ^ أ ب Pedlosky 1987
  30. ^ Davies 2001
  31. ^ "What is "Heat Flow"?". www.smu.edu (in الإنجليزية). Retrieved 2024-02-18.
  32. ^ Fowler 2005
  33. ^ Pollack, Hurter & Johnson 1993
  34. ^ Sadava et al. 2009
  35. ^ Sirvatka 2003
  36. ^ CFG 2011
  37. ^ أ ب ت "Is the Earth round?". oceanservice.noaa.gov (in الإنجليزية). Retrieved 2024-02-18.
  38. ^ US Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration. "What is glacial isostatic adjustment?". oceanservice.noaa.gov (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2024-02-18.
  39. ^ أ ب ت National Research Council (U.S.). Committee on Geodesy 1985
  40. ^ Defense Mapping Agency 1984
  41. ^ Torge 2001
  42. ^ CSR 2011
  43. ^ Muller & Sjogren 1968
  44. ^ أ ب ت ث Reynolds 2011
  45. ^ "Energy Geosciences". Jackson School of Geosciences (in الإنجليزية). Retrieved 2024-02-18.
  46. ^ Hardy & Goodman 2005
  47. ^ Schröder, W. (2010). "History of geophysics". Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 45 (2): 253–261. Bibcode:2010AGGH...45..253S. doi:10.1556/AGeod.45.2010.2.9. S2CID 122239663.
  48. ^ Varga, P. (2009). "Common roots of modern seismology and of earth tide research. A historical overview". Journal of Geodynamics (in الإنجليزية). 48 (3–5): 241–246. Bibcode:2009JGeo...48..241V. doi:10.1016/j.jog.2009.09.032. S2CID 129513373.
  49. ^ Temple 2006, pp. 162–166
  50. ^ Russo, Lucio (2004). The Forgotten Revolution. Berlin: Springer. p. 273–277.
  51. ^ Eratosthenes 2010
  52. ^ Temple 2006, pp. 177–181
  53. ^ أ ب Dewey & Byerly 1969
  54. ^ أ ب ت "Review of "De Magnete"". pwg.gsfc.nasa.gov. Retrieved 2024-02-18.
  55. ^ أ ب Smith, George (2008), Zalta, Edward N., ed., Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Winter 2008 ed.), Metaphysics Research Lab, Stanford University, https://plato.stanford.edu/archives/win2008/entries/newton-principia/, retrieved on 2024-02-18 
  56. ^ Institute of Physics (February 18, 2024). "Precession of the equinoxes". Retrieved February 18, 2024.

المراجع

قالب:مراجع نهاية

وصلات خارجية

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=فيزياء_الأرض&oldid=4384170"