UFO中文网

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

快捷导航
搜索
查看: 2638|回复: 1
收起左侧

传播的地震波怎么就转了性?

[复制链接]
发表于 2013-11-1 22:47:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
地理科学课本上,大家都学过地震波分P波与S波,也看过这两种地震波波速的变化图。但大家有没有想过,外地核是液态的,S波无法穿透,而内地核又会有S波的波速,既然无法穿透,那S波又是怎么再度出现的?科学家又是如测量S波在内地核的波速?的确,就文字逻辑上的判断,这是不容易理解的。

欲解迷题,先复习高中物理其实,要认真解答这个问题,最好先复习下以前的高中物理,知道“波”的本质是什么,就可以轻松的理解,为什么S波会在内地核出现,而科学家们是怎么知道S波传递的速度了。

CHJQ_NlBC4Dlm1lDA2xbyqQI3c3fsRYsce_qorrG4a0wAgAAfgEAAFBO.png
P波与S波波速随深度变化与地球的分层构造。图片摘自维基百科,作者Brews ohare以Creative Commons3.0授权。

高中物理课本,以声音为例,让大家知道了两种机械波的传递方式,分别为“纵波”与“横波”,当时是以声波作为纵波的例子,而横波则用绳波来举例,还有一点更重要的附注是“介质不随波动传播”,也就是不管波怎么传递,往前跑的只有能量,没有任何物质。也就是说,我在这边大喊,你在那边接收到的只有我发出的声音的能量,而不是我这边的空气分子。

同样的道理,地震波在地球内部传递时亦同时有P波和S波两种,P波的传递方式类似声波,S波则有点像是绳波一般,介质的运动和行进方向相垂直,这里说的“介质”,其实就是你我脚下的地壳、岩石。

1nZEnetSQmERlI9W2Y0r-MCRWkI_DESPhEdn97blCQyQAQAAFQIAAEpQ.jpg
各种地震波的质点运动方式示意。图片摘自台湾中央气象局地震百问。

接下来需要了解的就是光的折射与反射了。无论是P波与S波,很幸运的和光线一样,遵循着“斯涅尔定律(Snell’s Law, 又名折射定律,也即当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时,会发生折射现像,其入射角与折射角之间的关系,可以用斯涅尔定律来描述)”,入射角与折射角的关系,和介质的折射率有关。对于地壳中的岩石来说,岩石的种类就会影响波的速度,在界面上也会发生折射的现象。无论是P波和S波,从低速层到高速层时,就会偏离法线,反之则会偏向法线。从地壳到地核,除了软流圈和外地核之外,大致上是越往内部密度越大,而波速也随之增加,在经过地球剖面的各种地震波的波线,也是会呈现弧形的折射结果。

jPcDXODrZuYJ7UCS_opqOEjKXSE6zVArfgM-93hJLuRICwAAcgMAAEpQ_645x196.jpg
斯涅尔定律与多层折射的情形。

基础知识复习完毕,探寻地震波转性问题接下来我们要切入问题的核心,从地函到外地核,一直到内地核,地震波究竟是怎么样传播与变化的呢?

57HtKQCXOgX89-nOwJeTl55RcwMsLHFFWyosUjjkhYxKAQAA4wEAAEdJ.gif
P波的阴影带成因,图片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S

首先是从地函到外地核.一般认为外地核为液态的主要有两个原因:

  • S波在地函—地核接口会完全反射,无法穿透。
  • P波经过外地核时,先偏向法线折射,因而造成104度至140度间存在一个阴影区,记录不到地震波。

这是高中地理课本上的内容,但课本上并未再深究另一个事实,也就是在外地核—内地核接口上发生的“波相转变”,P波在遇上各种不同的界面都会有一部分转成SV波,然而在外地核—内地核的边界上,这个转换波变的更加重要。

“等等,怎么突然冒出什么SV波的?”想必大家一定会这么问,P波在遇上不同物质交界的时候,如果不是以90度角直射,多少在交界上的质点都会产生与S波相同的运动行为,而这样的S波,又会依其与界面的关系,分成垂直于交界面的SV波,和平行于交界面的SH波,其中SH波的质点运动在通过交界后不会有任何的变化,但SV波则会和P波在接口上发生质点互换的行为,造成P波转SV波、SV波转P波的现象。

因此理论上,P波在进入内地核后,会有一小部分转为SV波,而通过内地核的SV波,也无法直接出去再回到外地核,唯有部分由SV波转换成P波的波动再度被传出去,最后再回到地表的测站,这样特殊的波传路径,学术上以PKJKP(注1)来命名其波相(注3)。不过,从P转SV再转回P的能量衰减非常多,如何去量度与证明理论的正确性,仍然是地震学家们争论的议题,从波动方程式与斯涅尔定律上的推导,是可以证明这个波相存在,经由对大地震的分析,也有越来越多的数据能够佐证(注2)。

9gXMTcvYPmug_NIPEVIonF4-lwFAYZpb3DghvX3LVCjbDAAATQcAAEpQ_645x366.jpg
P波转换成SV波的示意。

d82vxeOL2QGucqz7ypPiQVy2Hqr8DTYN2c9YCe6Ld_GwBwAAswUAAEpQ_645x478.jpg
PKJKP波的路径(中间转成SV波)。

理论是理论,真实情况仍等探究最后,与大家再分享一个信息,目前的钻井技术,也只不过10公里出头而已,因此至今我们还没有技术了解地底下数百至数千公里的实际状况,仅能透过地震波来推测构造,以观测到的陨石成份、实验室里进行高温高压的实验来探讨地球的内部情况。

像是地核是铁镍等组成的这种结论,也是经由对陨石分析、地球质量的估算、行星的成因、地球磁场的形成的众多间接的证据而得出的。类似“如何测出内地核中S波波速?”也是经过观察波相、地震波的分析,并用已知的地球组成加以模拟,而得到的结果。这之中只要有一些新的研究出现,就有可能改写已知的教科书内容。


原文发表于PanSci,作者:潘昌志。转载时文字有修改。

本篇文章同时发布在作者博客“地球故事书”。 欢迎大家去看各种关于地球的故事。

果壳网相关小组:

  • 自然控
  • 趣味地理

参考数据与延伸阅读:

  • 石油探采时的P波与P转SV波的应用
  • 美国地质调查所:地震仪
  • 国立中正大学强地动实验室:地震波概述
  • 中央气象局:地震百问
注1:早期对PKJKP的相关文献REVIEW
注2:PKJKP的观察(by IRIS)
注3:关于波相的命名(摘自《地球物理学概论》,中国地球物理学会编印,1998): 震体波的传播路径可经由波线的方式来表示。若我们将穿过地球的波线加以分类,并给予每个波线一个适当的代码,对应于每一类波线的体波即称为一个波相(Wave phase),以该类对应之波线代码命名。自震源往上传递的纵波和横波,以p, s分别表示。在地函中往下而上传递的纵波和横波分别以P和S表示;在外核中的纵波以K表示;在内核中的纵波和横波分别以I和J来表示;在地函和外核之边界上之反射点,以c表示;在内核和外核之边界上之反射点,以i表示。
UDoX_ia8MIQdwhyYPN1HBcM_OZmVYG4xdiRbHcS6ofddAgAAHAIAAEpQ.jpg
地球内部的各种波径名称。图片来自:《地球物理学概论》 ,中国地球物理学会编印, 1998

RM4qo311lUotuenyftAqUZdGrkO9ViPP9PnfvP-OTiAGAgAA9AEAAEpQ.jpg
震中发生在地表的各种波相之走时图。图片来自:《地球物理学概论》 ,中国地球物理学会编印, 1998
关注微信公众号 ufojia 回复外星人 三个字,可以看50外星人种图片
 楼主| 发表于 2013-11-5 23:18:39 | 显示全部楼层
1229122071 发表于 2013-11-5 11:33
如果说小型UFO是一个小心磁铁,超级大的ufo的到来足以改变地球磁极,美国宇航局不是法相有三艘大型UFO母舰 ...

如果太阳附近 的UFO是真的,那飞碟可有地球那么大
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则


快速回复 返回顶部 返回列表