关于地球物理学，这里有个大笑话
出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
1.3亿光年外的引力波刚被人类探测到了，而引力波能做啥暂时未知。但地球上一直以来都那么轰轰烈烈的地震波，它们能做的事却是早已确定了的——用来探测地球内部并将其分层。
给我一个超声波，然后……我从孕妇圆圆的肚皮上探测出了胎儿的形状。
好吧，现在给你一个地震波，你又该如何探索地球内部？
咱们一步一步来。
地震波不是一种波，它是三种波的统称，分别是P波，Ｓ波和表面波。
地震时，表面波来得最晚，但把人类伤得最深，因为它的振幅最大。
而P波和Ｓ波对地球物理学家们帮助最大，本文着重说这两种波。
P波的特点是，其振动方向和前进方相同，故在所有地震波中，它的速度最快，也最早抵达。最需要注意的一点是，P波能在固体和液体中传递。
S波的特点是，其振动方向垂直于波的前进方向（如上图），S波的速度仅次于P波。需要我们牢记的是，S波只能在固体中传播。
准备工作已做好。万事俱备，只欠地震！
…………
终于等到你，来自北极的地震：
上面的动图中，蓝色的波为P波，因为它总是一马当先。而红色的为S波。
奇怪的是，我们在南半球的地震监测站只收到P波，而S波却不见踪影，这是为什么？
回头复习一下，嗯，S波不能在液体中传播！于是，我们推断，在地球内部某个深度下一定有着熔融状的液体。
可不能乱下结论！所以，我们还得继续试验：
如上图，“蝌蚪状”的Ｓ波依然不能穿透地球内部，当它到达一定深度后要么反弹回来，要么反射到其他方向。问题是，这个深度到底是多少？
由于S波的速度我们是知道的，根据其来回所耗用的时间，我们就能得到一个数据，那就是在我们脚下，2885公里深的地方，有一个液态的面，那里的物质呈熔融状。
这个面，就叫做“古登堡界面”。1914年，德国地球物理学家宾诺·古登堡发现地下2885公里处，地震波的传播速度有明显变化，其中P波的速度明显下降，而横波则完全消失。后来证实，这个面是地核与地幔的分界层。
发现古登堡界面后，咱们继续施放地震，或者在地下十几公里深处来一颗氢弹。
如上面的动图，注意动图中标注的那条线，也就是那道波，它跟前一道波相比，走的路径更长，但它却比前一道波先到达地面！
这更奇怪了。面对这种现象，来自克罗地亚的地震学家莫霍洛维奇百思不得其解。
1909年，克罗地亚国内发生了地震。莫霍洛维奇拿到多个地震观测站的数据后开始比对，结果，他惊讶地发现，有的地震波是以7～8千米每秒的速度向更远的地震站传播的。
到底是另一种速度更快的地震波，还是同一种波选择了另一条捷径？
最终，莫霍洛维奇经过深思熟虑后，他得出结论，这是P波走了捷径的缘故，在厚厚的地壳下，有着另一层不同于地壳的物质，它就是我们现在说的地幔，地幔中的物质密度更大，所以地震波传播得更快。
为了纪念莫霍洛维奇，故把地壳和地幔的分界面叫做莫霍面。
地球物理学是一门充满着各种争论的学科，然而，100年过去了，地球内部的“莫霍面”和“古登堡面”却是地球物理学公认的基石之一。
方法补充
上文我们用地震波回顾了一下历史上莫霍面、古登堡面的发现过程。关于地震波，我们还需要补充一些知识。
地震波的速度取决于介质的密度和弹性。又因为地球密度随深度增加而增加，所以地震波的速度范围从地壳中的大约2到8公里/秒，到深地幔中的13公里/秒。
水槽中加满水后，激光的折射与反射。
跟光波一样，地震波也会反射和折射。当它在地球内部传播，遇到不同的介质时，路径就会改变。
如上面的动图，当P波穿过地球内部，并从外核进入地幔时，发生了明显的折射。另外，动图顶部的地震波走的明显是曲线，原因如下，如果物质的密度是均匀的，则地震波将走直线，但如果物质的密度是一个渐变的过程，则地震波走的也将是一个渐变的曲线。正是以上这些原因的存在，我们看到，在南半球的一部分地震监测站检测不到P波，这就是P波的阴影区。同理，Ｓ波也存在阴影区。而两个阴影区交叠的地方，地震站将接受不到任何地震波。
根据以上方法（当然还有别的方法），地球物理学家们将地球分成了以上结构。不过，如果是根据机械性能的不同，我们又可以将其这样分：岩石圈、软流层、地幔、外核和内核。
轻松一刻
地球物理学是一门通过地震波、重力、电磁、地热和放射能等方法研究地球的学科，而关于地球物理学有不少笑话，其中一个是这样的：
一个老板让地质学家、工程师和地球物理学家到他的办公室。然后，他问每个人，2 + 3等于几？
工程师答：5.0000000。
地质学家答：4到6之间。
地球物理学家靠近老板，回答道：老板，你想要什么？
对这个笑话若不深入了解，难免会对地球物理学家们有误解。实际上，这个笑话跟一个著名的理论有关，这就是“地球物理反演理论”。
要懂得什么是反演？先得知道什么是正演。这里，中国地球物理学家杨文采院士给我们做了一个形象的比喻。他说：
将一瓶香水放到房间中央，从扩散方程得知，一天之后小房间内将布满大致均匀分布的香水分子，这就是正演。
而反演就是，已知屋子内的香水分布，然后让你推算出，香水是何时放到屋子里的？装香水的瓶子又是什么形状？
地球表面被坚硬的岩石所覆盖，而人类至今钻探的最深井也就1万多米。所以，没有人见过15公里以下的岩石什么样。
而现在，人类却对地球内部的物理性质已经有了不同程度的了解，但这些知识多数是来自于对地球物理的反演，而不是来自于钻井。
既然是反演，就必然存在多解性。正如地球物理学家刘光鼎院士在一次报告中强调的那样：任何地球物理的反演问题都是多解的，不唯一的。
比如前面的“香水问题”，反演时，我们显然是无法求出“香水何时放置？”的精确时间的，也就是得不到一个唯一解。
所以笑话中，地球物理学家才如此回答：老板，你想要什么？
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- 发表于 2017-10-31 00:00
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