ELEMENTY GEOFIZYKI ZGT - I W. D. ebski- IGF PAN

Transkrypt

1 ELEMENTY GEOFIZYKI ZGT - I W. D ebski- IGF PAN 2017

2 Plan wykładu Historia geofizyki Metody interpretacji danych (inwersyjne) Symulacje numeryczne - gdy brakuje danych obserwacyjnych IGF PAN ZGT - I - 1

3 HISTORIA IGF PAN ZGT - I - 2

4 Geofizyka jako dyscyplina naukowa Geofizyka to dziedzina nauki która wyodrebniła sie z astronomii i fizyki (nauk przyrodniczych) jako nauka zajmujaca sie badaniem Ziemi jako ciała fizycznego przy użyciu metod i technik typowych dla fizyki. IGF PAN ZGT - I - 3

5 Geofizyka - motywacja Rozwój geofizyki zwiazany był i jest nadal z trzema apsektami działalności ludzkiej: checi a poznania planety na której żyjemy i zrozumienia procesów wystepuj acych na niej zabezpieczenia si e przed kataklizmami naturalnymi racjonalnym i ekonomicznym wykorzystaniem zasobów naturalnych IGF PAN ZGT - I - 4

6 Geofizyka - podział Fizyka litosfery Hydrologia Fizyka atmosfery Geofizyka poszukiwawcza Badania polarne (XIX-XX wiek) Geofizyka środowiskowa IGF PAN ZGT - I - 5

7 Geofizyka - starożytność Badania Ziemi prowadzone były od zarania dziejów, choć w czasach antycznych były one zwiazane w wiekszości z astronomia i prowadzone były przez uwczesnych naukowców - filozofów. Doskonałym przykładem tego typu badań był pomiar promienia Ziemi przez Eratostenesa około 230 BC. IGF PAN ZGT - I - 6

8 Pomiar Eratostenesa φ A δ S IGF PAN ZGT - I - 7

9 Geofizyka - starożytność Innym zjawiskiem które przyciagało uwage uczonych tego okresu to obserwacje trzesień Ziemi i spekulacje na temat możliwośći ich przewidywań (problem dotychczas nierozwiazany). Z tego okresu pochodza też pierwsze znane wzmianki na temat obserwacji pływów morskich. Znamy je z pracy Arystotelesa Meteorology. (384 BC 322 BC) IGF PAN ZGT - I - 8

10 Geofizyka - starożytność W poczatkach naszej ery powstała wzorcowa na nastepne stulecia praca metodycznie opisujaca wyniki obserwacji środowiska Naturalis Historia napisana przez Pliniusza starszego. W szczególności zanotował on, że wybuch Wezywiusza który zniszczył Pompeje i Herkulanum poprzedzony był zauważalnymi trzesieniami ziemi. (23 79 AD) IGF PAN ZGT - I - 9

11 Geofizyka - starożytność Z tym ostatnim problemem, to jest katastrofami naturalnymi, zwiazany był problem filozoficzny, a mianowicie co jest ich przyczyna. Pierwotnie panowało przekonanie, że jest to zemsta bogów, itp. Pierwsze znane nam sugestie, że sa to zjawiska naturalne zwiazane z procesami zachodzacymi wewnatrz ziemi pojawiły sie w pracach Empedoclesa, który opierał sie na założeniu, że materia zbudowana jest z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia i wody i próbował zjawiska wulkaniczne wyjaśnić kombinacja tych żywiołów. ( BC) IGF PAN ZGT - I - 10

12 Geofizyka - starożytność W rzeczywistości, poglad o supernaturalnym pochodzeniu katastrof naturalnych przełamał chiński matematyk i filozof Chang Heng konstruujac około 132 AD pierwszy znany nam sejsmometr i wykazujac, że to fale sejsmiczne sa odpowiedzialne za katastrofalne trzesienia ziemi. IGF PAN ZGT - I - 11

13 Geofizyka - starożytność IGF PAN ZGT - I - 12

14 XV - XVII Istotny postep w badaniach nad Ziemia obserwujemy w w końcu XVI w. kiedy rozpoczete zostały pierwsze prace nad magnetyzmem ziemskim i grawitacja a obserwacje astronomiczne stały sie wystarczajaco dokładne do badań ilościowych np. ruchu Ziemi. Najbardziej znanym uczonym tego okresu zajmujacym sie badaniami naukowymi (w tym ziemi) jest Galiluesz. Powstały podstawowe instrumenty meteorologiczne : termometr (Galileusz), barometr (Torricelli) przy pomocy których odkryto podstawowe właściwości atmosfery. ( ) IGF PAN ZGT - I - 13

15 XV - XVII Pierwsza praca która w sposób systematyczny podjeła sie badania ziemskiego pola magnetycznego jest praca De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure opublikowana w 1600 r. przez W. Gilberta ( ) IGF PAN ZGT - I - 14

16 XV - XVII Nie można pominać wkładu I. Newtona który nie tylko sformułował trzy podstawowe prawa mechaniki klasycznej i podstawy grawitacji ale także opierajac sie na nich wyjaśnił miedzy innymi zjawisko pływów morskich. ( ) IGF PAN ZGT - I - 15

17 XVII - XVIII: rozwój teorii XVII i XIX zapisał sie w kartach rozwoju geofizyki (nauk przyrodniczych) jako okres głównie prac teoretycznych dzieki takim uczonym (matematykom, fizykom) jak: Maclaurin, Euler, Laplace, Gauss, Jacobi, Airy, Stokes. Okres ten to czas sformułowania podstawowych zasad fizycznych mechaniki, hydrodynamiki, elektromagnetyzmu i matematycznych metod ich opisu głównie w postaci równań różniczkowych i całkowych. Jest to także okres sformułowania pierwszych zasad poprawnej, ilościowej analizy danych pomiarowych, w tym podwalin współczesnej teorii inwersji. IGF PAN ZGT - I - 16

18 XVII - XVIII: rozwój teorii L. Euler P.S. Laplace C.F. Gauss IGF PAN ZGT - I - 17

19 Równanie falowe 1 2 u i ρ t jσ ij = S i (r, t) 2 σ ij = c ijkl ɛ kl IGF PAN ZGT - I - 18

20 Równania Maxwella E B t = 0 H = j + D t D = 4πρ + j B = 0 IGF PAN ZGT - I - 19

21 XVII - XVIII wiek P. Bouger prowadził pionierskie prace w zakresie fizyki atmosfery badajac pochłanianie światła przez atmosfere (Essai d optique sur la gradation de la lumiére) oraz kształt kuli ziemskiej (geoidy) (La figure de la terre: déterminée par les observations de messieurs ). Prowadził pionierskie prace w zakresie fotometrii w tym w zastosowaniach geofizycznych ( ) IGF PAN ZGT - I - 20

22 XVII - XVIII wiek Cavendish wykorzystujac teorie grawitacji Newtona podjał sie w warunkach laboratoryjnych pomiaru gestości ziemi. W efekcie przeprowadzonych badań otrzymał także oszacowanie stałej grawitacyjnej oraz mase Ziemi. ( ) IGF PAN ZGT - I - 21

23 XVII - XVIII wiek IGF PAN ZGT - I - 22

24 Historia badań: XIX - XX wiek Bezprecedensowy rozwój techniki spowodował, że na przełomie XIX i XX wieku pojawiły sie pierwsze instrumenty pomiarowe wystarczajaco czułe i dokładne by móc zastosować je w pomiarach geofizycznych. Z tego powodu okres ten to okres bardzo intensywnego rozwoju bazy pomiarowej we wszystkich zakresach geofizyki i w konsekwencji zwiekszenie znaczenia obserwacyjnej i eksperymentalnej strony geofizyki. Jest to okres imponujacego rozwoju sejsmologii wraz z jej najwiekszymi odkryciami. IGF PAN ZGT - I - 23

25 XIX - XX wiek H. Darcy prowadzac badania nad przesiakalności a gruntu kładzie podwaliny pod współczesna hydrologie wód powierzchniowych i podskórnych. jest autorem empirycznego prawa opisujacego przepływ cieczy przez ośrodek porowaty kt óre stanowi empiryczne potwierdzenie równań Neviera- Stocksa. ( ) IGF PAN ZGT - I - 24

26 XIX - XX wiek J. Milne pracujaac w Japoni na zaproszenie rzadu Meiji zajał sie ilościowym badaniem trzesień ziemi. Opracował pierwszy nowoczesny wachadłowy sejsmograf poziomy pozwalajacy rejestrować i rozróżniać różne fale sejsmiczne (SH, SV, fale powierzchniowe). Był jednym z założycieli Japońskiego Towarzystwa Sejsmologicznego i znaczaco rozwinał badania sejsmologiczne w Japonii. ( ) IGF PAN ZGT - I - 25

27 XIX - XX wiek R. Mallet jest twórca sejsmologii eksperymentalnej wykorzystujacej materiały wybuchowe do wytwarzania fal sejsmicznych które rejestrowane w różnych odległościach od miejsca eksplozji pozwalaja zbadać strukture i budowe ziemi w obszarze pomiarowym. Ponadto, stworzył podstawy tzw. makrosejsmiki, tj. oceny trzesień ziemi, ich magnitudy i położenia epicentrum na podstawie analizy obserwowanych uszkodzeń. ( ) IGF PAN ZGT - I - 26

28 XIX - XX wiek E. Wiechert zaproponował ilościowy model budowy Ziemi złożonej z koncentrycznych jednorodnych warstw pozwalajacy w sposób powtarzalny obliczać czasy rozchodzenia sie fal sejsmicznych w Ziemi. Jako pierwszy opisał dokładnie fazy fal sejsmicznych rozchodzacych sie w Ziemi. Istotnie udoskonalił konstrukcje sejsmometru. ( ) IGF PAN ZGT - I - 27

29 XIX - XX wiek B. Gutenberg prowadzac badania nad sejsmicznościa ziemska sformułował empiryczne prawo wiaż ace liczbe wstrzasów z ich magnitudami. Ponadto w 1912 określił głebokość granicy płaszcz-jadro. ( ) IGF PAN ZGT - I - 28

30 XIX - XX wiek H. Kanamori rozwinał sejsmologiczne metody badań procesów fizycznych zachodzacych w ogniskach trzesień ziemi. Jemu i T. Hanksowi zawdzieczamy wprowadzenie pojecia momentu sejsmicznego i odpowiedniej skali do jednoznacznego i dokładnego opisu wielkości trzesień ziemi zastepuj acej w badaniach sejsmologicznych popularna skale Richtera. ( ) IGF PAN ZGT - I - 29

31 XIX - XX wiek Ch. Richter wprowadził skal e pomiaru wielkości trz esień ziemi w oparciu o rejestrowane sejsmogramy. ( ) IGF PAN ZGT - I - 30

32 XIX - XX wiek A. Wegener zaproponował w 1936r. hipoze dryftu kontynentów według której kontynenty przesuwaja sie wzgledem siebie. Niestety, nie potrafił wyjaśnić mechanizmu takich ruchów. Teoria ta została wskrzeszona po długim okresie zapomnienia przez R.S. Dietz a (1961), H.H. Hessa (1962). ( ) IGF PAN ZGT - I - 31

33 Badania geofizyczne - współczesność Gwałtowny rozwój komputerów i zwiazany z tym rozwój technik obliczeniowych pozwala obecnie na badania geofizyczne nieosiagalne do tej pory. Równocześnie rozwój technik telekomunikacyjnych i możliwości gromadzenia oraz przesyłania olbrzymich ilości danych pomiarowych otworzyło nowe perspektywy przed badaniami geofizycznymi. Ich efektem sa spektakularne osiagni ecia współczesnej geofizyki zarówno w zakresie poznania Ziemi i procesów zachodzacych w jej wnetrzu, na powierzchni i w atmosferze. Szybka wymiana informacji pozwala na bardzo skuteczne działania w kryzysowych sytuacjach katastrof naturalnych gnebi acych ludzkość. Jesteśmy także świadkami synergii badań w zakresie różnych dyscyplin w ramach nauk o ziemi. IGF PAN ZGT - I - 32

34 Badania geofizyczne - współczesność A. Tarantola Keiiti Aki B. Romanowicz IGF PAN ZGT - I - 33

35 Badania geofizyczne - przyszłość naturalne rozszerzenie i połaczenie sejsmologii i geodezji (GPS, GNSS): geodynamika przenikanie si e badań geomagnetycznych i przestrzeni okołoziemskiej: pogoda kosmiczna zastosowanie nowoczesnych technik geofizycznych w innych działach nauki w tym w zagadnieniach ochrony środowiska eksploracja innych planet (Ksi eżyc, Mars,...) IGF PAN ZGT - I - 34

36 Badania geofizyczne - Polska M.P. Rudzki - pierwsza na świecie katedra geofizyki (1895) - Uniwersytet Jagieloński oraz pierwsza w Polsce i jedna z pierwszych stacji sejsmicznych w Europie (1903) podwaliny i rozwój (na skale światowa) sejsmologii górniczej jedne z najdłuższych wna świecie serie pomiarów atmosferycznych (Belsk) IGF PAN. mikrograwimetria górnicza badania w zakresie geofizyki teoretycznej (fale rotacyjne) IGF PAN ZGT - I - 35

37 W. Debski, ELEMENTY GEOFIZYKI Polska sejsmologia S.J. Gibowicz IGF PAN A. Kijko, R. Teisseyre ZGT - I - 36

38 METODY INTERPRETACJI DANYCH IGF PAN ZGT - I - 37

39 Dwa typy zagadnień Zrozumienie zachodzacego procesu fizycznego, chemicznego, geologicznego, itp. umożliwiajace przewidywanie zachowania sie systemu, a wiec jego jakościowe modelowanie. Ilościowy opis obiektu fizycznego, chemicznego, i ilościowe wyznaczenie wielkości fizycznych opisujacy obiekt pozwalajace na realistyczne (ilościowe) wyznaczanie jego zachowania. IGF PAN ZGT - I - 38

40 Modelowanie: fale sejsmiczne ρ 2 u i t 2 jσ ij = S i (r, t) ɛ kl = 1/2( k u l + l u k ) σ ij = c ijkl ɛ kl IGF PAN ZGT - I - 39

41 Modelowanie: Fale EM w atmosferze E B t = 0 H = j + D t D = 4πρ + j B = 0 B = µ( r, t) H D = ɛ( r, t) E IGF PAN ZGT - I - 40

42 Modelowanie: Interferencja fal IGF PAN ZGT - I - 41

43 Opis ilościowy modeli Ilościowy opis obiektu fizycznego, chemicznego, i ilościowe wyznaczenie wielkości fizycznych opisujacy obiekt pozwalajace na realistyczne (ilościowe) wyznaczanie jego zachowania. IGF PAN ZGT - I - 42

44 Matematyczny opis modelu System fizyczny: Parametery układu: p 1, p 2, p K m = (m 1, m 2, m M ) Przewidywane mierzalne wielkości: d = (d 1, d 2, d N ) Parametry ustalone (znane a priori): m ust = (u 1, u 2, ) Modelowanie: d th = f(m, m ust ) Inwersja : m =... ±... IGF PAN ZGT - I - 43

45 Pomiary: bezpośrednie i pośrednie IGF PAN ZGT - I - 44

46 Pomiary: bezpośrednie i pośrednie IGF PAN ZGT - I - 45

47 Pomiary Bezpośrednie i pośrednie Zliczenia: zdarzenia Zliczanie jednostek : masa liczba, np. czastek wielkości zkwantowane jasność temperatura Wielkości niemierzalne bezpośrednio: masa ziemi, gwiazd, itp. rozkład temperatury w ziemi masa czastek elementarnych IGF PAN ZGT - I - 46

48 Pomiary: bezpośrednie i pośrednie IGF PAN ZGT - I - 47

49 W. Debski ELEMENTY GEOFIZYKI Przykład B: rozkład temperatury wewnatrz Ziemi IGF PAN ZGT - I - 48

50 IGF PAN ZGT - I - 49

51 Przykład C: budowa wn etrza Ziemi IGF PAN ZGT - I - 50

52 IGF PAN ZGT - I - 51

53 Dwa zagadnienia: modelowanie i inwersja IGF PAN ZGT - I - 52

54 Zagadnienia modelowania i inwersji uogólnienie IGF PAN ZGT - I - 53

55 Zagadnienia odwrotne - estymacja parametrów (pomiary pośrednie) Modelowanie: m d th = G(m) Inwersja: d obs m est IGF PAN ZGT - I - 54

56 Inwersja - łaczenie informacji (Wnioskowanie) IGF PAN ZGT - I - 55

57 W. Debski ELEMENTY GEOFIZYKI Przykład: jaka wybrać parametryzacje IGF PAN ZGT - I - 56

58 Zagadnienie odwrotne (najcz eściej) zagadnienie odwrotne pomiar pośredni (estymacja parametrów) IGF PAN ZGT - I - 57

59 Zagadnienie odwrotne (ogólnie) zagadnienie odwrotne proces wnioskowania IGF PAN ZGT - I - 58

60 SYMULACJE NUMERYCZNE IGF PAN ZGT - I - 59

61 Gdy brakuje danych... kupić lepszy sprz et pomiarowy... poszukać innej metody pomiarowej... siaść i płakać zmienić prac e spróbować uzupełnić dane obserwacyjne symulacjami numerycznymi IGF PAN ZGT - I - 60

62 Dlaczego brakuje danych... Pomiary z którymi mamy do czynienia w geofizyce sa na ogół pomiarami pośrednimi - nie dotycza bezpośrednio wielkości które chcemy poznać badajac dane zjawisko. Wielkości opisujace badany proces zwykle otrzymujemy w procesie inwersji. W tym momencie pojawia sie kilka problemów. IGF PAN ZGT - I - 61

63 Dlaczego brakuje danych cd. Techniki inwersyjne daja na ogół rozwiazanie niejednoznaczne ponieważ: informacje o badanym zjawisku zawarte w danych pomiarowych sa zawsze ograniczone a czasmi potrzebnych informacji nie ma wogóle, zwiazek pomiedzy tym co mierzymy i tym co chcemy znać może być bardzo skomplikowany a czesto jest nawet niezbyt dokładnie znany, szum i zakłócenia nigdy nie daja sie do końca wyeliminować IGF PAN ZGT - I - 62

64 Co wi ec zrobić? Cześć z powyższych ograniczeń da sie ominać na drodze technicznej, ale braku informacji NIE! Potrzebne jest dodakowe źródło informacji. Doskonałym źródłem informacji i sposobem uzupełnienia danych obserwacyjnych w procesie badania zjawisk fizycznych (szeroko rozumianych) sa symulacje komputerowe. IGF PAN ZGT - I - 63

65 Przykład - mechanizm trz esienia ziemi Model Informacje NIGDY IGF PAN ZGT - I - 64

66 Symulacje numeryczne W ogromnej wiekszości symulacje numeryczne sa zwiazane z numerycznym rozwiazywaniem równań różniczkowych czastkowych, takich jak np. równanie falowe 1 2 u i ρ t 2 jσ ij = S i (r, t) odpowiednio dobrana do problemu technika numeryczna z zadanymi warunkami poczatkowymi i brzegowymi zwykle odpowiadajacym rzeczywistemu eksperymentowi (pomiarowi). IGF PAN ZGT - I - 65

67 Przykład - symulacja czasu propagacji fali IGF PAN ZGT - I - 66

68 Przykład - test Brazylijski IGF PAN ZGT - I - 67

69 Przykład - p ekanie kulki lodu. IGF PAN ZGT - I - 68

70 Koniec IGF PAN ZGT - I - 69