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地震圈聯名:天、地、人、風、水
2024-12-20 08:52:45

    說起聯名,光奶茶圈的品牌聯名就數都數不完,對此日漸消瘦的錢包對此表示:真實。而科研的“跨界聯名”——交叉學科研究則常有科學前沿level的產出。咱們今天就從天、地、人、風、水的角度盤一盤這個學科交叉“顯眼包”——地球物理學研究中的地震波法。
    你可能會疑惑,地震波,不是研究地震才需要的么。其實人們早已打開思路,利用地震波給地球做“CT”、監測核武器和礦坑安全,算不上稀奇。
    再來聽聽接下來的幾個項目:深海溫度測量、地下水化學成分變化及流體行為監測、風暴監測、海洋艦船目標的識別與定位。天上、地下、水里、海里、甚至還有軍事!
    這天馬行空的風格,誰看了不得說一聲,腦洞真大。
 
 
與海“斗”
地震波法測海溫,為全球氣候變暖提供新證據
    海洋溫度監測對于研究全球氣候變暖非常重要。傳統海溫測量方法的痛點在于測量范圍有限:衛星測溫只能看到地球“表皮”的溫度;隨船測溫儀器對超過2千米深度的海域束手無策。
海洋溫鹽深傳感器
 
    早在1979年有學者提出利用聲波測量海水溫度,原理是聲波的傳播速度受溫度影響(溫度更高,速度更快),然而人造聲波會干擾海洋生物,就被放棄了。
放置于哺乳動物身上的儀器(豹豹:?)
    一項最新研究中,科研人員把目光投向了地震波。他們利用2005年-2016年間在東印度洋發生的數千次地震的數據,測算出該片海域十年間溫度大約上漲0.044℃,為全球氣候變暖提供新的證據。該數據同全球海洋溫度監測系統拿到的數據相接近。
地震波測量海溫方法的基本原理和研究區域內地震事件與臺站分布情況
 
    其實,地震波測量海洋溫度是聲波老辦法的“回鍋肉”做法,在原有的理論基礎上加了一點方法上的創新。畢竟地震波和聲波“同宗同源”,從物理屬性角度出發來說,二者同為機械波,遵循相同的傳播規律。
    地震波除了不會干擾海洋生物,還好在有長期的數據檔案。有賴于全球密布的地震監測站,地震記錄比較全面,時間也比海洋測溫更早,定量測算歷史海洋溫度就又多了一種方法,后期完善海洋溫度檔案、建立模型,預估未來的溫度變化就成了可能。
 
 
與地“斗”
地震波法提升地下水探查精度
 
    說完了海洋,咱們再聊聊地下水,尤其是水里的化學成分變化。
    研究地下水,傳統辦法就是在地上個鉆孔或者打個井,然后采集地下水樣,回實驗室檢測相應化學指標。傳統方法只能反映特定采樣點位的化學信息,有局限性,研究人員就想改進檢測方法,這就又想到了地震波。
    用地震波探查地下結構就有點類似蝙蝠的回聲定位。地震波在地下傳播,遇到介質密度、成分、溫度變化時,波速會發生變化,傳播軌跡會改變,甚至發生散射,返回的地震波就有點像“回聲”,結合地震儀記錄的波形、時間和振幅的變化,研究人員能夠反演出地下結構的物理性質模型。
賓夕法尼亞大學的研究者在進行實驗
 
    通過地震波法研究地下水同上述方法基本相同,不過需要把地下水這個變量考慮在內,該項研究使用人工震源發出地震波,然后通過分析返回的地震波形,建立數據模型以確定巖層成分、孔隙度、水飽和度、流體運動等方面的變化。
    當然不能只靠地震波來研究地下水,需要搭配傳統方法與衛星遙感數據,但是地震波的加入確實讓地下水的深部結構探測在時間和深度上取得了更準確的數據。
 
與人“斗”
地震波法幫助識別“隱身”艦艇
    說完了全球氣候變暖導致海洋升溫這與天斗的項目、地下水監測這與地斗的項目,這回咱們開始“與人斗”,聊聊海洋武器技術——海洋艦船目標的識別與定位。玩耳機的朋友都知道主動降噪的耳機,技術很漂亮,價格更漂亮。在軍事領域也有主動降噪技術,艦船潛艇一路升級打怪的同時,也需要努力隱藏自己,所以水中主動降噪技術應運而生。
    技術發展就是見招拆招,刀光劍影間,誰棋高一招,誰便能決定戰局勝負。水中的主動降噪技術目前有個bug,只能將艦艇機械發出的高頻噪音調整至低頻噪音,就像水的噪聲一樣,如同給高頻噪音穿了一層迷彩偽裝,與周邊環境融為一體。
    但是降噪技術對低頻噪音是無可奈何的。在淺海海域,這種低頻噪音傳至海底后,在固體的海底界面會激發次生波,這種次生波屬于地震面波,因此又被稱為艦船地震波。捕捉并識別這種艦船地震波,就有可能快速識別對手船只。
    不過這是一種還在處于研發階段的新型偵查技術手段,因為淺海環境很復雜,同時艦船地震波在傳播過程中具有多種頻率,產生的變化也多種多樣,構建這種識別模型,則需“我輩科研人,自當多努力”。
 
與風“斗”
 
地震波為龍卷風預測提供新思路
    說了這么多水,咱們再來捕個風。
    氣象領域,龍卷風的預報一直是國際公認的難題。龍卷風的作用面積有限,速度又極快,它要跑的路上不一定剛好有氣象站或者雷達,主要還是依靠肉眼來確定它登陸的準確時間,且沒有能夠直接測量風暴強度的探測器,只能用間接的辦法,事后通過損失破壞情況來評估風暴強度,達不到定量研究的精度。
    研究人員發現龍卷風接觸地面之后,會制造能量相對較小的地震波,這線頭找著了,順著捋就好了嘛——找出地震波形數據與龍卷風強度之間的定量關系!
    地震波數據的優勢還在于地震監測網絡呈網格分布,能夠像一張密集的網捕捉到龍卷風過境時各個點位地震波的精確數據變化,并且已經有研究人員證實地震數據與龍卷風強度之間存在高度相關性,并嘗試用地震數據計算龍卷風的首次登陸時間。不過這種方法還有一定的局限,有待后來人改良。
 
轉自:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1816778497870535919



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