說(shuō)起聯(lián)名,光奶茶圈的品牌聯(lián)名就數(shù)都數(shù)不完,對(duì)此日漸消瘦的錢(qián)包對(duì)此表示:真實(shí)。而科研的“跨界聯(lián)名”——交叉學(xué)科研究則常有科學(xué)前沿level的產(chǎn)出。咱們今天就從天、地、人、風(fēng)、水的角度盤(pán)一盤(pán)這個(gè)學(xué)科交叉“顯眼包”——地球物理學(xué)研究中的地震波法。
你可能會(huì)疑惑,地震波,不是研究地震才需要的么。其實(shí)人們?cè)缫汛蜷_(kāi)思路,利用地震波給地球做“CT”、監(jiān)測(cè)核武器和礦坑安全,算不上稀奇。
再來(lái)聽(tīng)聽(tīng)接下來(lái)的幾個(gè)項(xiàng)目:深海溫度測(cè)量、地下水化學(xué)成分變化及流體行為監(jiān)測(cè)、風(fēng)暴監(jiān)測(cè)、海洋艦船目標(biāo)的識(shí)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(fēng)格,誰(shuí)看了不得說(shuō)一聲,腦洞真大。
與海“斗”
地震波法測(cè)海溫,為全球氣候變暖提供新證據(jù)
海洋溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于研究全球氣候變暖非常重要。傳統(tǒng)海溫測(cè)量方法的痛點(diǎn)在于測(cè)量范圍有限:衛(wèi)星測(cè)溫只能看到地球“表皮”的溫度;隨船測(cè)溫儀器對(duì)超過(guò)2千米深度的海域束手無(wú)策。
海洋溫鹽深傳感器
早在1979年有學(xué)者提出利用聲波測(cè)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(huì)干擾海洋生物,就被放棄了。
放置于哺乳動(dòng)物身上的儀器(豹豹:?)
一項(xiàng)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(fā)生的數(shù)千次地震的數(shù)據(jù),測(cè)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(jù)。該數(shù)據(jù)同全球海洋溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拿到的數(shù)據(jù)相接近。
地震波測(cè)量海溫方法的基本原理和研究區(qū)域內(nèi)地震事件與臺(tái)站分布情況
其實(shí),地震波測(cè)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(chǔ)上加了一點(diǎn)方法上的創(chuàng)新。畢竟地震波和聲波“同宗同源”,從物理屬性角度出發(fā)來(lái)說(shuō),二者同為機(jī)械波,遵循相同的傳播規(guī)律。
地震波除了不會(huì)干擾海洋生物,還好在有長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)檔案。有賴(lài)于全球密布的地震監(jiān)測(cè)站,地震記錄比較全面,時(shí)間也比海洋測(cè)溫更早,定量測(cè)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(yù)估未來(lái)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(shuō)完了海洋,咱們?cè)倭牧牡叵滤?,尤其是水里的化學(xué)成分變化。
研究地下水,傳統(tǒng)辦法就是在地上個(gè)鉆孔或者打個(gè)井,然后采集地下水樣,回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相應(yīng)化學(xué)指標(biāo)。傳統(tǒng)方法只能反映特定采樣點(diǎn)位的化學(xué)信息,有局限性,研究人員就想改進(jìn)檢測(cè)方法,這就又想到了地震波。
用地震波探查地下結(jié)構(gòu)就有點(diǎn)類(lèi)似蝙蝠的回聲定位。地震波在地下傳播,遇到介質(zhì)密度、成分、溫度變化時(shí),波速會(huì)發(fā)生變化,傳播軌跡會(huì)改變,甚至發(fā)生散射,返回的地震波就有點(diǎn)像“回聲”,結(jié)合地震儀記錄的波形、時(shí)間和振幅的變化,研究人員能夠反演出地下結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)模型。
賓夕法尼亞大學(xué)的研究者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
通過(guò)地震波法研究地下水同上述方法基本相同,不過(guò)需要把地下水這個(gè)變量考慮在內(nèi),該項(xiàng)研究使用人工震源發(fā)出地震波,然后通過(guò)分析返回的地震波形,建立數(shù)據(jù)模型以確定巖層成分、孔隙度、水飽和度、流體運(yùn)動(dòng)等方面的變化。
當(dāng)然不能只靠地震波來(lái)研究地下水,需要搭配傳統(tǒng)方法與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),但是地震波的加入確實(shí)讓地下水的深部結(jié)構(gòu)探測(cè)在時(shí)間和深度上取得了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
與人“斗”
地震波法幫助識(shí)別“隱身”艦艇
說(shuō)完了全球氣候變暖導(dǎo)致海洋升溫這與天斗的項(xiàng)目、地下水監(jiān)測(cè)這與地斗的項(xiàng)目,這回咱們開(kāi)始“與人斗”,聊聊海洋武器技術(shù)——海洋艦船目標(biāo)的識(shí)別與定位。玩耳機(jī)的朋友都知道主動(dòng)降噪的耳機(jī),技術(shù)很漂亮,價(jià)格更漂亮。在軍事領(lǐng)域也有主動(dòng)降噪技術(shù),艦船潛艇一路升級(jí)打怪的同時(shí),也需要努力隱藏自己,所以水中主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
技術(shù)發(fā)展就是見(jiàn)招拆招,刀光劍影間,誰(shuí)棋高一招,誰(shuí)便能決定戰(zhàn)局勝負(fù)。水中的主動(dòng)降噪技術(shù)目前有個(gè)bug,只能將艦艇機(jī)械發(fā)出的高頻噪音調(diào)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(huán)境融為一體。
但是降噪技術(shù)對(duì)低頻噪音是無(wú)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(huì)激發(fā)次生波,這種次生波屬于地震面波,因此又被稱(chēng)為艦船地震波。捕捉并識(shí)別這種艦船地震波,就有可能快速識(shí)別對(duì)手船只。
不過(guò)這是一種還在處于研發(fā)階段的新型偵查技術(shù)手段,因?yàn)闇\海環(huán)境很復(fù)雜,同時(shí)艦船地震波在傳播過(guò)程中具有多種頻率,產(chǎn)生的變化也多種多樣,構(gòu)建這種識(shí)別模型,則需“我輩科研人,自當(dāng)多努力”。
與風(fēng)“斗”
地震波為龍卷風(fēng)預(yù)測(cè)提供新思路
說(shuō)了這么多水,咱們?cè)賮?lái)捕個(gè)風(fēng)。
氣象領(lǐng)域,龍卷風(fēng)的預(yù)報(bào)一直是國(guó)際公認(rèn)的難題。龍卷風(fēng)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(dá),主要還是依靠肉眼來(lái)確定它登陸的準(zhǔn)確時(shí)間,且沒(méi)有能夠直接測(cè)量風(fēng)暴強(qiáng)度的探測(cè)器,只能用間接的辦法,事后通過(guò)損失破壞情況來(lái)評(píng)估風(fēng)暴強(qiáng)度,達(dá)不到定量研究的精度。
研究人員發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)接觸地面之后,會(huì)制造能量相對(duì)較小的地震波,這線(xiàn)頭找著了,順著捋就好了嘛——找出地震波形數(shù)據(jù)與龍卷風(fēng)強(qiáng)度之間的定量關(guān)系!
地震波數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)還在于地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)呈網(wǎng)格分布,能夠像一張密集的網(wǎng)捕捉到龍卷風(fēng)過(guò)境時(shí)各個(gè)點(diǎn)位地震波的精確數(shù)據(jù)變化,并且已經(jīng)有研究人員證實(shí)地震數(shù)據(jù)與龍卷風(fēng)強(qiáng)度之間存在高度相關(guān)性,并嘗試用地震數(shù)據(jù)計(jì)算龍卷風(fēng)的首次登陸時(shí)間。不過(guò)這種方法還有一定的局限,有待后來(lái)人改良。
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