風(fēng)暴驅(qū)動海浪產(chǎn)生的地球“嗡嗡”噪音也能用來探測地球的內(nèi)部構(gòu)成 _地球

風(fēng)暴驅(qū)動海浪產(chǎn)生的地球“嗡嗡”噪音也能用來探測地球的內(nèi)部構(gòu)成
（報道）據(jù)騰訊科學(xué)（清風(fēng)）：通常，科學(xué)家通過分析由地震產(chǎn)生的地震波來探查地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。最新研究表明，由諸如風(fēng)暴驅(qū)動海浪產(chǎn)生的地球“嗡嗡”噪音也能用來探測地球的內(nèi)部構(gòu)成。
地震波穿過地層的方式取決于地球內(nèi)部的物理性質(zhì)，如巖石的組成、溫度和壓力等。科學(xué)家就是利用地震波的這種傳遞方式來得知地球內(nèi)部那些看不見的地理構(gòu)造的。
來自法國約瑟夫傅立葉大學(xué)的地震學(xué)家米歇爾•卡皮羅說：“科學(xué)家可以利用這些聲波以與醫(yī)學(xué)成像類似的方式產(chǎn)生地球內(nèi)部的圖像。利用地震產(chǎn)生的聲波探測地球內(nèi)部有一個明顯的缺陷，那就是它必須依賴于地震。通常地震經(jīng)常發(fā)生在某些特定的區(qū)域，這樣就會造成一些地區(qū)成像非常清晰，另一些地區(qū)相對模糊。
【風(fēng)暴驅(qū)動海浪產(chǎn)生的地球“嗡嗡”噪音也能用來探測地球的內(nèi)部構(gòu)成】在地球的內(nèi)部，除了來自地震發(fā)出的地震波之外，還充斥著來自地球表面的各種波動產(chǎn)生的噪音，例如洋面上由風(fēng)暴驅(qū)動的巨浪等。在過去，這些噪音被認(rèn)為是無用、甚至是有害的，因為它經(jīng)常淹沒輕微的地震波信號。
然而，近年來科學(xué)家通過分析積累的大量地震數(shù)據(jù)，成功找到這些地震波背景噪音的規(guī)律。現(xiàn)在科學(xué)家可以利用這些環(huán)境背景噪音來為地球內(nèi)部進行成像。這種成像的優(yōu)勢在于能夠在沒有地震發(fā)生的地區(qū)運用。
延伸閱讀：橫波和縱波
我們最熟悉的波動是觀察到的水波。當(dāng)向池塘里扔一塊石頭時水面被擾亂，以石頭入水處為中心有波紋向外擴展。這個波列是水波附近的水的顆粒運動造成的。然而水并沒有朝著水波傳播的方向流；如果水面浮著一個軟木塞，它將上下跳動，但并不會從原來位置移走。這個擾動由水粒的簡單前后運動連續(xù)地傳下去，從一個顆粒把運動傳給更前面的顆粒。這樣，水波攜帶石擊打破的水面的能量向池邊運移并在岸邊激起浪花。地震運動與此相當(dāng)類似。我們感受到的搖動就是由地震波的能量產(chǎn)生的彈性巖石的震動。
假設(shè)一彈性體，如巖石，受到打擊，會產(chǎn)生兩類彈性波從源向外傳播。第一類波的物理特性恰如聲波。聲波，乃至超聲波，都是在空氣里由交替的擠壓(推)和擴張(拉)而傳遞。因為液體、氣體和固體巖石一樣能夠被壓縮，同樣類型的波能在水體如海洋和湖泊及固體地球中穿過。在地震時，這種類型的波從斷裂處以同等速度向所有方向外傳，交替地擠壓和拉張它們穿過的巖石，其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向后運動，換句話說，這些顆粒的運動是垂直于波前的。向前和向后的位移量稱為振幅。在地震學(xué)中，這種類型的波叫P波，即縱波它是首先到達的波。
彈性巖石與空氣有所不同，空氣可受壓縮但不能剪切，而彈性物質(zhì)通過使物體剪切和扭動，可以允許第二類波傳播。地震產(chǎn)生這種第二個到達的波叫S波，即橫波。在S波通過時，巖石的表現(xiàn)與在P波傳播過程中的表現(xiàn)相當(dāng)不同。因為S波涉及剪切而不是擠壓，使巖石顆粒的運動橫過運移方向。這些巖石運動可在一垂直向或水平面里，它們與光波的橫向運動相似。P和S波同時存在使地震波列成為具有獨特的性質(zhì)組合，使之不同于光波或聲波的物理表現(xiàn) 。
大多數(shù)巖石，如果不強迫它以太大的幅度振動，具有線性彈性，即由于作用力而產(chǎn)生的變形隨作用力線性變化。這種線性彈性表現(xiàn)稱為服從虎克定律，是以與牛頓同時代的英國數(shù)學(xué)家羅伯特·虎克(1635～1703年)而命名的。這種線性關(guān)系由圖2.2所示的加重物的彈簧伸展來表示。如果重物的質(zhì)量加倍，線性彈簧的伸展也加倍，如果重物回到原來大?。?則彈簧回到原來位置。相似地，地震時巖石將對增大的力按比例地增加變形。在大多數(shù)情況下，變形將保持在線彈性范圍，在搖動結(jié)束時巖石將回到原來位置。然而在地震事件中有時發(fā)生重要的例外表現(xiàn)，例如，當(dāng)強搖動發(fā)生于軟土壤時，會殘留永久的變形，波動變形后并不總能使土壤回到原位，在這種情況下，地震烈度較難預(yù)測。我們將在本書后面談到這些關(guān)鍵的非線性效果。
彈簧的運動提供了極好的啟示，說明當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^巖石時能量是如何變化的。與彈簧壓縮或伸張有關(guān)的能量為彈性勢，與彈簧部件運動有關(guān)的能量是動能。任何時間的總能量都是彈性能量和運動能量二者之和。對于理想的彈性介質(zhì)來說，總能量是一個常數(shù) 。在最大波幅的位置，能量全部為彈性勢能；當(dāng)彈簧振蕩到中間平衡位置時，能量全部為動能。我們曾假定沒有摩擦或耗散力存在，所以一旦往復(fù)彈性振動開始，它將以同樣幅度持續(xù)下去。這當(dāng)然是一個理想的情況。在地震時，運動的巖石間的摩擦逐漸生熱而耗散一些波動的能量，除非有新的能源加進來，像振動的彈簧一樣，地球的震動將逐漸停息。對地震波能量耗散的測量提供了地球內(nèi)部非彈性特性的重要信息，然而除摩擦耗散之外，地震震動隨傳播距離增加而逐漸減弱現(xiàn)象的形成還有其他因素。
由于聲波傳播時其波前面為一擴張的球面，攜帶的聲音隨著距離增加而減弱。與池塘外擴的水波相似，我們觀察到水波的高度或振幅，向外也逐漸減小。波幅減小是因為初始能量傳播越來越廣而產(chǎn)生衰減，這叫幾何擴散。這種類型的擴散也使通過地球巖石的地震波減弱。除非有特殊情況，否則地震波從震源向外傳播得越遠(yuǎn)，它們的能量就衰減得越多。