自由振荡
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地震专题 地球科学主题 · 本年地震 |
自由振荡（英语：free oscillation）又称地球自由振荡，是一种地震学上用驻波概念来解释地震波的方式。有别于传统的地震学把地震波以行进波表示法来处理，自由振荡的特点是能够简洁的解释超低频（周期长过数分钟）或超长波（波长数百公里）地震发生时的地球震动情况。自由振荡方法倾向以视地球为一整体的方式解释地震，而非是从地表的角度解释地震波[1]。历史上第一次对地球自由振荡的观测是在1960年智利大地震期间完成的[2]，现行的理论则在1980年代后期得到提出[3]。自由振荡能量的大小与震源的破裂方式、破裂程度密切相关，因此地震后的自由振荡信号可用于推断地震震级和检验地震的震源机制解。事实上，地球自由振荡是目前唯一可对震源机制解进行总体检验和推测的地震学方法[4]。
分类
地球的自由振荡是一种肇因于两反方向传播的表面波间彼此干涉而产生的驻波，可能造成自转速率和重力场的改变[3]。自由振荡，依据发生时地球的共振方式分为两种：雷利波造成的球式（英语：Spherical Mode，代号S）和洛夫波造成的旋式（英语：Torodial Mode，代号T）[5]。球式的振荡具有半径方向（也就是地表居民所谓的“垂直方向”）的分量，地球的重力位能也在过程中有所变化。旋式振荡只有垂直于半径的分量（也就是地表居民所谓的“水平方向”），对地球的体积不会造成影响，也不会引发重力位能的变化[1]。
由于行进波表示法和驻波表示法是一体两面，因此球式和旋式震动也就和传统地质学里的P波（固体里的纵波）、S波（固体里的横波）相关联。更密切的关系是：许多球式震动可以视为两道雷利波以反方向绕行地球所加成的驻波，而许多旋式震动则是由两道洛夫波加成的驻波。更有一些震动模式可等价于于沿介面（例如雷氏不连续面）传递的史东利波（英语：Stonley Wave）[1]。
命名法
自由振荡模式的命名一般可以写为“nSlm”或“nTlm”的样子，n、l、m都是数字。之所以需要三个参数，是因为地球是一个三度空间的物体，需要三个自由度才能够完整表达自由振荡的型态。而这三个数字分别代表[1][5]：
- ｎ称为主阶数或半径阶数（英语：Radial Order Number，n=1，2，3，4 …），代表半径方向上驻波波节（英语：Node）的数量。也就是共振简正对半径的函数变化。
- l称为角阶数（英语：Angular Order Number，l=0，1， … ，n-1）。
- m称为方位角阶数（英语：Azimuthal Order Number，ml= -l，-l+1 … 0 … l-1，l）。
在完美的球体共振模型中，半径阶数和角阶数不会是方位角阶数的函数。另外，假设地球真是个球对称的球体，那么拥有相同半径阶数和角阶数的模型都会有相同的周期，无论他们的方位角阶数。因此在日常中可以对表示法简化，把球式和旋式分别记做“nSl”或“nTl”[1]。
举一些常见的自由振荡简正的例子。0S0型振荡被昵称为“呼吸”，因为他涉及了整个地球的膨胀和收缩，并且具有大约20分钟的周期；0S2型则被称“橄榄球”，因为他的膨胀和收缩在不同的方向上不同步，所以地球的形状看起来随时在正立和水平的橄榄球间变化。0S2具有大约54分钟的周期。也不是所有物理学中的自由振荡模式在地球上都能得到实现，举例来说，0S1型就不可能出现在实际生活中，因为它会导致整个地球重心的改变；而这如果不以靠外力是不可能的[5]。
0T1型的震荡则会导致地球自转速率的变化，不过因为变化时间尺幅太大，在地震学上不常讨论 。0T2型震荡描述了北半球和南半球相对于彼此的扭曲，周期约44分钟[5]。
应用
由于自由振荡从某个程度上来看就是地震波本身，因此与地震波一样，自由振荡的研究在科学上具有著许多应用。首先，由于地球的不均匀性，局部构造往往可以影响一个地区的实际地震波波速，研究地球自由振荡可以用于分析地震波程的时间延迟，并借此改进模型，做出更准确的地震震源定位或是促进对地层行震波探勘时的准确度。能够改善震波的测量，也意味者研究自由振荡也可以推进地球物理学中对地球内部构造的探勘，让科学家能够一窥地表以下的世界。事实上，目前学界采用的初步地球参考模型就参考了大量的自由振荡研究成果。具体的分析的方法主要是透过计算不同模型产生的自由振荡频率，并与观测频率对比完成。此外，如果对自由振荡的模式进行傅立叶分析，测定频谱峰值对应的能量值或共振谱峰的宽度，还可以研究振动能量在地球内部的衰减情况，并研究地球的非弹性性质[6][7]。
参见
参考文献
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 王, 正松 (编). 地震與地震學. 台北市: 正中书局. 1984: 81–84.
- ^ 一九六○年智利地震的教訓. 科学Online：高瞻自然科学教学资源平台. 2011-03-27 [2019-01-13] （中文（台湾））.
- ^ 3.0 3.1 趙丰. 地震！把地球震歪了？ (PDF). 科学人 (远流出版). 2011-01-26, (108) [2019-01-13].
- ^ 江, 颖; 胡, 小刚; 刘, 成利; 孙, 和平. 利用地球自由振盪觀測約束蘆山地震的震源機制解. 中国科学：地球科学. 2014, 44 (12) [2019-01-13]. （原始内容存档于2015-03-07）.
- ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 Peter M. Shearer. Introduction to Seismology. Cambridge, UK: Cambridge University Press. 2009. ISBN 9780521882101.
- ^ 地球的自由振荡. 大地测量与地球动力学国家重点实验室. 2010-11-11 [2019-01-22]. （原始内容存档于2019-01-22） （中文（中国大陆））.
- ^ Woodhouse, J.H. Long period Seismology and the Earth's Free Oscillations (PDF). Trieste, Italy: 9th Workshop on Three-Dimensional Modelling of Seismic Waves Generation, Propagation and their Inversion. 22 September - 4 October [2019-01-22]. （原始内容存档 (PDF)于2019-01-22）.
