تاريخ الجيوفيزياء

أتاح تطوير أولى أجهزة قياس الزلازل في ثمانينيات القرن التاسع عشر فهم فيزياء باطن الأرض. وبناءً على سلوك الموجات المنعكسة عن الطبقات الداخلية للأرض، ظهرت عدة نظريات حول أسباب اختلاف سرعة الموجات أو فقدان ترددات معينة. وقد أدى ذلك إلى اكتشاف علماء مثل إنجي ليمان وجود لب الأرض عام ١٩٣٦. وعمل بينو غوتنبرغ وهارولد جيفريز على تفسير اختلاف كثافة الأرض الناتج عن الانضغاط وسرعة قص الموجات. ^{[ ٥ ]} وبما أن علم الزلازل يعتمد على الموجات المرنة، فإن سرعة الموجات يمكن أن تساعد في تحديد الكثافة، وبالتالي سلوك الطبقات داخل الأرض. ^{[ ٥ ]}

تم وضع مصطلحات لوصف سلوك الموجات الزلزالية بناءً على هذه النتائج. استُخدمت الموجات الأولية (P) والموجات الثانوية (S) لوصف نوعين من الموجات المرنة المحتملة. ^{[ 6 ]} كما استُخدمت موجات لوف وموجات رايلي لوصف نوعين من الموجات السطحية المحتملة. ^{[ 6 ]}

العلماء الذين ساهموا في التقدم في المعرفة حول باطن الأرض وعلم الزلازل هم إميل فيشيرت ، بينو جوتنبرج ، أندريا موهوروفيتش ، هارولد جيفريز ، إنجي ليمان ، إدوارد بولارد ، تشارلز فرانسيس ريختر ، فرانسيس بيرش ، فرانك بريس ، هيرو كاناموري ووالتر الساسر .

من المواضيع المثيرة للجدل حول باطن الأرض أعمدة الوشاح. يُعتقد أنها عبارة عن صهارة صاعدة، وهي المسؤولة عن البقع الساخنة في العالم، مثل هاواي. في البداية، كانت النظرية السائدة هي أن أعمدة الوشاح تصعد في مسار مباشر، ولكن توجد الآن أدلة تشير إلى أن هذه الأعمدة قد تنحرف بدرجات طفيفة أثناء صعودها. ^{[ 7 ]} كما وُجد أن البقعة الساخنة المقترحة تحت يلوستون قد لا تكون مرتبطة بعمود وشاح صاعد. لم يتم بحث هذه النظرية بشكل كامل. ^{[ 8 ]}

في النصف الثاني من القرن العشرين، طُوِّرت نظرية الصفائح التكتونية على يد عدد من العلماء، من بينهم ألفريد فيجنر ، وموريس إيوينغ ، وروبرت إس. ديتز ، وهاري هاموند هيس ، وهيوغو بينيوف ، ووالتر سي. بيتمان الثالث ، وفريدريك فاين ، ودروموند ماثيوز ، وكيث رانكورن ، وبرايان إل. إيزاكس ، وإدوارد بولارد ، وخافيير لو بيشون ، ودان ماكنزي ، وويليام جيسون مورغان ، وجون توز ويلسون . قبل ذلك، كانت هناك أفكار حول انجراف القارات، لكن لم يظهر دليل ملموس حتى أواخر القرن العشرين. لاحظ ألكسندر فون هومبولت في أوائل القرن التاسع عشر هندسة وجيولوجيا سواحل قارات المحيط الأطلسي. ^{[ 9 ]} وقدّم جيمس هاتون وتشارلز لايل فكرة التغير التدريجي، أو مبدأ التماثل، الذي ساعد في فهم الانجراف البطيء للقارات. قاد ألفريد فيجنر النظرية الأصلية لانجراف القارات، وكرس جزءاً كبيراً من حياته لهذه النظرية. وقد اقترح " بانجيا "، وهي قارة عملاقة موحدة. ^{[ 9 ]}

خلال تطور نظرية الانجراف القاري ، لم يُجرَ الكثير من الاستكشاف للجزء المحيطي من العالم، بل اقتصر الأمر على الجزء القاري. وبمجرد أن بدأ الناس بالاهتمام بالمحيطات، اكتشف الجيولوجيون أن قاعها يتسع، وبمعدلات متفاوتة في مواقع مختلفة. ^{[ 9 ]} هناك ثلاث طرق رئيسية لحركة الصفائح: التحويلية ، والتباعدية ، والتقاربية . ^{[ 9 ]} كما يمكن أن توجد صدوع ، وهي مناطق تبدأ فيها اليابسة بالتباعد. ^{[ 10 ]}

شهد علم المحيطات الفيزيائي تطورات كبيرة في القرن العشرين. ففي عام 1914، تم قياس عمق البحر باستخدام الموجات الصوتية لأول مرة. وجمعت البعثة الألمانية "ميتيور" 70 ألف قياس لعمق المحيط باستخدام جهاز قياس الأعماق بالصدى ، وذلك خلال مسحها لسلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي بين عامي 1925 و1927. وفي عام 1951، حددت بعثة سفينة "تشالنجر" البريطانية بقيادة توماس جاسكل عمق تشالنجر، مسجلةً رقماً قياسياً جديداً. وفي عام 1953، اكتشف موريس إيوينغ وبروس هيزن الصدع العالمي العظيم ، وفي عام 1954، اكتشف معهد القطب الشمالي التابع للاتحاد السوفيتي سلسلة الجبال الواقعة تحت القطب الشمالي. وفي عام 1960، وضع هاري هاموند هيس نظرية تمدد قاع البحر . وبدأ برنامج الحفر المحيطي في عام 1966. وقد تم التركيز بشكل كبير على استخدام الحواسيب العملاقة في علم المحيطات، وذلك لتمكين التنبؤات العددية بأحوال المحيطات، وكجزء من التنبؤ الشامل بالتغيرات البيئية.

حركة المعدن المنصهر الموصل تحت قشرة الأرض، أو ما يُعرف بدينامو الأرض ، هي المسؤولة عن وجود المجال المغناطيسي. ويؤثر تفاعل المجال المغناطيسي مع الإشعاع الشمسي على كمية الإشعاع التي تصل إلى سطح الأرض وعلى سلامة الغلاف الجوي. وقد وُجد أن الأقطاب المغناطيسية للأرض قد انعكست عدة مرات، مما مكّن الباحثين من تكوين فكرة عن حالة سطح الكوكب في ذلك الوقت. ^{[ 11 ]} ولا يزال سبب انعكاس الأقطاب المغناطيسية مجهولاً، كما أن فترات التغير متفاوتة وغير منتظمة. ^{[ 12 ]} ويُعتقد أن هذا الانعكاس مرتبط بغلاف الأرض، على الرغم من أن آلية هذا الارتباط لا تزال محل نقاش. ^{[ 13 ]}

تُسبب التشوهات في المجال المغناطيسي للأرض ظاهرة الشفق القطبي ، المعروفة باسم الأضواء الشمالية. ^{[ 14 ]} يخزن المجال المغناطيسي الطاقة التي تُمنحها الجسيمات الكونية المعروفة بالرياح الشمسية، مما يؤدي إلى تمدد خطوط المجال المغناطيسي. ^{[ 14 ]} وعندما تنكمش هذه الخطوط، فإنها تُطلق هذه الطاقة، والتي يمكن رؤيتها على شكل الأضواء الشمالية. ^{[ 14 ]}

يتغير مناخ الأرض بمرور الوقت نتيجة لتكوين الغلاف الجوي للكوكب، وإضاءة الشمس، ووقوع أحداث كارثية. ^{[ 15 ] : 75}

يؤثر تركيب الغلاف الجوي على الآليات البيولوجية النشطة على سطح الأرض ويتأثر بها. تؤثر الكائنات الحية على نسبة الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون من خلال التنفس والتمثيل الضوئي . كما تؤثر على مستويات النيتروجين من خلال التثبيت والنترجة وإزالة النتروجين . ^{[ 16 ]} يستطيع المحيط امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، لكن هذه القدرة تختلف باختلاف مستويات النيتروجين والفوسفور الموجودة في الماء. ^{[ 17 ] : 57} وقد لعب البشر أيضًا دورًا في تغيير تركيب الغلاف الجوي للأرض من خلال المخلفات الصناعية وإزالة الغابات والمركبات.

تزداد إضاءة الشمس مع تقدمها في دورة حياتها، وتظل مرئية على مدى ملايين السنين. ويمكن أن تتشكل البقع الشمسية على سطح الشمس، مما قد يُسبب تباينًا أكبر في الإشعاعات التي تصل إلى الأرض. ^{[ 15 ] : 69}

تتشكل البراكين عندما تلتقي صفيحتان تكتونيتان وتنزلق إحداهما تحت الأخرى. ^{[ 18 ]} ولذلك، تتشكل على طول معظم حدود الصفائح التكتونية؛ وحلقة النار مثال على ذلك. ^{[ 19 ]} وقد أظهرت دراسة البراكين على طول حدود الصفائح وجود علاقة بين الثورات البركانية والمناخ. ويفترض آلان روبوك أن النشاط البركاني يمكن أن يؤثر على المناخ ويؤدي إلى تبريد عالمي لسنوات. ^{[ 20 ]} وتتمثل الفكرة السائدة، استنادًا إلى الثورات البركانية، في أن ثاني أكسيد الكبريت المنبعث من البراكين له تأثير كبير على تبريد الغلاف الجوي بعد الثوران. ^{[ 21 ]}

تُحدث اصطدامات الأجرام السماوية الكبيرة، وخاصة الكويكبات ، موجات صدمية تدفع الهواء وتنشر الغبار في الغلاف الجوي، مما يحجب ضوء الشمس. ^{[ 22 ]} ويتسبب هذا في تبريد عالمي، قد يؤدي إلى موت العديد من الأنواع وربما انقراضها.

تطورت التطبيقات الصناعية للجيوفيزياء استجابةً لمتطلبات استكشاف واستخراج النفط في عشرينيات القرن الماضي. وفي وقت لاحق، شهدت جيوفيزياء النفط والتعدين والمياه الجوفية تحسينات ملحوظة. أما في تسعينيات القرن الماضي، فقد برزت تطبيقات جديدة للهندسة الجيوفيزيائية، منها الحد من مخاطر الزلازل وإجراء دراسات التربة والمواقع في المناطق المعرضة للزلازل.

يُستخدم علم الزلازل في صناعة التعدين لقراءة وبناء نماذج للأحداث التي قد تكون ناجمة عن عملية التعدين أو ساهمت فيها. ^{[ 23 ]} وهذا يسمح للعلماء بالتنبؤ بالمخاطر المرتبطة بالتعدين في المنطقة. ^{[ 23 ]}

على غرار التعدين، تُستخدم الموجات الزلزالية لإنشاء نماذج لباطن الأرض. ويمكن تحديد السمات الجيولوجية، التي تُسمى المصائد ، والتي تشير عادةً إلى وجود النفط، من خلال النموذج، واستخدامها لتحديد المواقع المناسبة للحفر. ^{[ 24 ]}

تُعدّ المياه الجوفية شديدة التأثر بالتلوث الناتج عن الصناعة والتخلص من النفايات. وللحفاظ على جودة مصادر المياه العذبة، تُنشأ خرائط لأعماق المياه الجوفية وتُقارن بمواقع مصادر التلوث. ^{[ 25 ]}

• جود، غريغوري أ. (2000). "تجمع الجيوفيزياء: التخصصات العلمية كأطر توافقية". دراسات في تاريخ وفلسفة العلوم، الجزء ب: دراسات في تاريخ وفلسفة الفيزياء الحديثة . 31 (3): 259-292 . رمز Bibcode : 2000SHPMP..31..259G . doi : 10.1016/S1355-2198(00)00018-6 .
• شرودر، دبليو (2010). “تاريخ الجيوفيزياء”. اكتا جيوديتيكا وجيوفيزيكا المجرية . 45 (2): 253-261 . دوى : 10.1556/AGeod.45.2010.2.9 . S2CID 122239663 .