地球物理学的新研究成果

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地球辐射带研究的新进展

作者：姚好海,张权,尹建平,景嘉洲

来源：《科技传播》2011年第22期

摘要 随着人类活动逐步走向太空，对地球辐射带的研究不仅具有重要的科学价值，而且具有广泛的经济和社会价值。本文主要对辐射带最新研究的几个关键性问题如：辐射带中粒子的加速度、谐波在粒子加速度中的作用以及波粒相互作用等问题进行了讨论，并对辐射带未来研究的方向进行了展望。

关键词 地球辐射带；中粒子；谐波

中图分类号P185 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）55-0083-03

0 引言

20世纪初有人提出太阳在不停地发出带电粒子，这些粒子被地球磁场俘获，在地球上空形成一个带电的粒子带。50年代末60年代初，美国科学家范·艾伦（James Alfred Van Allen）根据宇宙探测器的观测，证明了带电粒子带的存在，人们称之为地球辐射带。地球辐射带分为两层，对称于地球赤道排列，且只存在于低磁纬地区上空。离地球较近的辐射带称为内辐射带，较远的称为外辐射带，也分别称为内、外范·艾伦带。

辐射带从四面把地球包围了起来，而在两极处留下了空隙。内辐射带的中心约在距地表1.5个地球半径的上空，范围限于磁纬±40°之间，东西半球不对称，西半球起始高度低于东半球，带内含有能量为50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。外辐射带位于地面上空约2个~3个地球半径处，厚约6 000km，范围可延伸到磁纬50°~60°处，其中的带电粒子能量比内带小。一般说来，在内辐射带里容易测得高能质子，在外辐射带里容易测得高能电子。（图1）

辐射带中的质子和电子具有足够的能量穿透太空船和空间仪器，潜在地影响着这些装置中的原料、电路和探测器。这些粒子的辐射对空间装置系统造成多种不利的影响，这包括原料的活化、置换损害、内部的充电/放电、单一事件的扰乱/闭锁等。人造卫星材料和辐射带中的电子和质子的相互作用还会产生二次辐射，产生包括电子、中子、X射线和伽马射线等二次辐射产物，这使得观测仪器的探测变得更加复杂。辐射带的影响造成卫星故障、轨道任务降级。在极端的情况下，造成昂贵的卫星失灵。所以对辐射带的研究不仅有重要的科学价值，而且有重要的经济和社会价值。

第２　３卷　第２期　２００８年４月（页码：３０１～３１８）　地球物理学进展　ＰＲ０ＧＲＥＳＳ　ＩＮ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳ　ＶｏｌＩ　２３　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．　２００８　

［院士论坛］　

中国青藏高原地球物理研究的第一批重大成果　其发展导向与核心科学问题的认识和思考　

滕吉文　（中国科学院地质与地球物理研究所，北京１０００２９）　摘要青藏高原的地球物理研究是深化认识高原本体和东亚壳、幔结构、隆升机制与大陆动力学响应的基础，故为　中、外地球科学家们所瞩目．为此本文主要讨论以下４个方面ｆ＊ｑ题：（１）问题的提出与背景；（２）率先进行青藏高原深　部地球物理研究取得的第一批重要成果与进程；（３）青藏高原地球物理研究中的开创性研究成果和得到的启迪与国　际影响；（４）当今青藏高原地球物理研究中的核心科学问题与当前青藏高原地球物理学要做些什么与思考．研究结果　表明：（１）在青藏高原地球物理研究中只有在清晰思路指导下，取得高分辨率的数据才能反演，并刻画其壳、幔介质的　精细结构；（２）青藏高原地壳巨厚、岩石圈相对较薄的层块结构与壳、幔结构分区特征，特别是存在地壳低速层和地幔　低速层及其不均匀展布；（３）在多维力系作用下、深部物质重新分展　调整、运移和在多要素约束下的物理一数学模拟及　陆一陆碰撞动力学响应；（４）当今在青藏高原地球物理研究的核心问题是地球内部物质和能量的交换、圈层耦舍及其深　层动力过程．中国地球科学家们应当清晰地认识到，青藏高原地球物理研究乃是中国地球科学家摘取“桂冠”的一个　契机，故必须走自主创新之路，以建立起具有特色中国地球科学的理论和和运动学与与学模型．　关键词　青藏高原，壳、幔结构、隆升机制、大陆动力学、核心科学问题　中图分类号Ｐ３１，Ｐ５４　文献标识码　Ａ　文章编号　１００４—２９０３（２００８）０２—０３０１—１８　

Ｍｙ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ａｎｄ　ｐｏｎｄｅｒ　ｆｏｒ　ｆｅｗ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｋｅｒｎｅｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ａｎｄ　ｇｒｅａｔ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｔｉｂｅｔａｎ　Ｐｌａｔｅａｕ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ＴＥＮＧ　ｊ　ｉ—ｗａｉｌ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉ９ｒｉｎｇ　１０００２９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｉｂｅｔ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ａｎｄ　ｍａｎｔｌｅ，ｕｐｌｉｆｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｔｉｂｅｔａｎ　Ｐｌａｔｅａｕ　Ａｓｉａ．Ｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒｓ　ｂｙ　Ｃｈｉｎａ　ａｎｄ　ｗｏｒｌｄ　ｇｅｏｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｗｉｌｌ　ｄｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｆｏｕｒ　ｐｏｉｎｔｓ，Ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｏｆ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ；ｍａｊｏｒ　ａ—　ｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｃｏｕｒｓｅ、ｅｎｌｉｇｈｔｅｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｇｕｉｄｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐ　ｐｒｏｆｏｕｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒ—　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　Ｑｉｎｇｈｕｉ　Ｘｉｚａｎｇ　Ｐｌａｔｅａｕ；Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｐｏｎｄｅｒ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｉｎ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｔｉｂｅｔ—　ａｎ　Ｐｌａｔｅａｕ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ；Ｗｈａｔ’ｓ　ｔｏ　ｄｏ　ｆｏｒ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎａ　ｆｏｒ　Ｔｉｂｅｔ　ｔｏｄａｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ；（１）ａｃｑｕｉｓｉ—　ｔｉｏｎ　ｏｎｌｙ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｄａｔａ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｎ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｉｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｒｕｓｔ　ａｎｄ　Ｕｐｐｅｒ　ｍａｎｔｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｇｕｉｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｃｈｅａｒ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ｔｒａｉｎ　ｏｆ　ｔｈｏｕｇｈｔ；（２）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｒｕｓｔ　ａｎｄ　Ｕｐｐｅｒ　ｍａｎｔｌｅ　ｉｎ　Ｔｉｂｅｔ　ｈａｖｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｚｏｎｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓｔｉｃｓ（ｑｕａｄｒａｎｔａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ），ｉｎ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ，ｍｏｓｔ　ｂｅ　ｓｔｕｄｙ　ｂｙ　ｑｕａｎｔｉｆｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｃｒｕｓｔ　ａｎｄ　ｍａｎｔｌｅ　ｗｉｔｈ　ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｉｏｎ；（３）ｍｕｌｔｉ～ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ　ａｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｆｏｒｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｉｖｅｒｇｅｎｕ、ｒｅｇｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｍａｔｅｒｉａ１．ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｙ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｒｅ－　

地球物理学的新进展

地球物理学是研究地球内部结构、物质组成和物理现象的一门科学。自从20世纪初以来，地球物理学在技术、方法和理论方面都取得了长足的进步。本文将介绍地球物理学的新进展。

地震学的新进展

地震学是研究地震现象的一门学科，包括地震波传播、地震灾害预防和地震发生机制等。研究地震发生机制可以帮助人们了解地球内部结构和地壳演化。在近年来，地震学领域的研究获得了一些突破。

首先，地震学家发现地震动力学是非线性动态系统。随着地震预测精度的提高，人们逐渐认识到地震是一个自组织的非平衡、非线性复杂系统，这使得我们能够更好地了解地震发生的机理。

其次，利用地震波探测技术，人们对地球深部的结构和组成进行了更加深入的研究。例如，人们通过地震波的反射和折射，确定了地球内部的分界层以及地球内部的物质组成。

最后，利用地震数据，可以重构地球内部的三维结构。这些新技术为地震学家提供了强大的工具，使他们能够更加深入地研究地震现象。

地球物理勘探的新进展

地球物理勘探是利用地球物理学方法研究地球内部结构和矿产资源的一种技术。近年来，随着勘探技术和设备的不断改进，地球物理勘探在发掘新资源和深化对地球的认识方面取得了显著进展。

一种新兴的技术是地震勘探。在地震勘探中，人们利用地震波在地下传播的速度和反射情况来确定地下构造。通过这种方法，勘探者可以找到石油、天然气等资源的储存地点。

另外，电磁勘探也是近年来发展迅速的一种技术。通过电磁波与地壳各层物质的相互作用，勘探者可以确定地下储层的性质和位置。这一技术被广泛应用于寻找金属矿物和石油、天然气等资源。

地球物理模拟与预测的新进展

地球物理学在理论预测方面也获得了一些进展。近年来，人们利用计算机技术和大数据处理技术，通过数值模拟预测地震、火山喷发和气候变化等自然灾害的发生和演化。

一种新兴的模拟技术是基于深度学习的地震预测。深度学习可以抓取海量地震数据中的有效信息，并将其用于地震发生的概率预测中。这种技术可以提高地震预测的精度和准确性。

地球科学的青年学科地质学的前沿研究领域

地质学是地球科学的重要分支学科之一，它研究的是地球的构成、演化和地质现象的发生原因。随着科技的进步和人类对地球的认识不断深入，地质学的研究领域也在不断扩展和发展。本文将介绍地球科学的青年学科地质学的一些前沿研究领域。

一、地质学与资源勘探

地质学作为一门应用科学，在资源勘探方面发挥着重要的作用。随着人类对矿产资源需求的不断增加，地质学在矿产勘探、矿床形成机制和矿产资源评价方面的研究成为热点领域。通过开展矿床地质学、能源地质学等研究，人们能够更好地了解矿产资源的分布规律以及勘探的有效手段，提高资源勘探的效率和准确性。

二、地质学与环境保护

环境保护是当今世界面临的重要挑战之一，而地质学在环境保护方面的研究也备受关注。近年来，地质学家们通过对大气污染、水资源的研究，致力于解决环境问题。地质学的前沿研究还包括地下水的保护与利用、环境地质灾害预测与防治等方面的内容。这些研究对于保护人类的生存环境，维护地球的生态平衡具有重要意义。

三、地质学与地球物理学的交叉研究

地质学和地球物理学在研究对象上有很多的交叉点，二者的研究方法和技术也有许多相似之处。地质学与地球物理学的交叉研究正在成为地球科学的一个新的研究前沿。通过应用地球物理仪器和方法，科学家们能够更深入地研究地球的内部结构和物质组成，探索地球的演化历程和自然灾害的发生机制。

四、地质学与地球化学的研究

地球化学是地质学的一个重要分支，它研究的是地球的化学成分和元素地球化学演化规律。地球化学的发展为地质学的研究提供了重要的支撑，同时也为地球科学的发展带来了新的思路和突破口。地质学与地球化学的交叉研究可以更好地揭示地质过程中的化学反应机制，进一步认识地球的形成和演化。

五、地质学与地球科学的跨学科研究

地质学作为地球科学的一个重要组成部分，与其他地球科学学科之间有着紧密的联系。地质学与地球化学、地球物理学、地球生物学等学科的跨学科研究成为推动地球科学发展的重要动力之一。通过各学科之间的交流与合作，可以更全面地认识地球系统的演化规律和地球上各种现象之间的内在联系。