出品：科普中國

制作：寒木釣萌

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

1.3億光年外的引力波剛被人類探測到了，而引力波能做啥暫時未知。但地球上一直以來都那麼轟轟烈烈的地震波，它們能做的事卻是早已确定了的——用來探測地球内部并将其分層。

給我一個超聲波，然後……我從孕婦圓圓的肚皮上探測出了胎兒的形狀。

好吧，現在給你一個地震波，你又該如何探索地球内部？

咱們一步一步來。

地震波不是一種波，它是三種波的統稱，分别是P波，Ｓ波和表面波。

P波的特點是，其振動方向和前進方相同，故在所有地震波中，它的速度最快，也最早抵達。最需要注意的一點是，P波能在固體和液體中傳遞。

S波的特點是，其振動方向垂直于波的前進方向（如上圖），S波的速度僅次于P波。需要我們牢記的是，S波隻能在固體中傳播。

準備工作已做好。萬事俱備，隻欠地震！

…………

終于等到你，來自北極的地震：

上面的動圖中，藍色的波為P波，因為它總是一馬當先。而紅色的為S波。

奇怪的是，我們在南半球的地震監測站隻收到P波，而S波卻不見蹤影，這是為什麼？

回頭複習一下，嗯，S波不能在液體中傳播！于是，我們推斷，在地球内部某個深度下一定有着熔融狀的液體。

可不能亂下結論！所以，我們還得繼續試驗：

如上圖，“蝌蚪狀”的Ｓ波依然不能穿透地球内部，當它到達一定深度後要麼反彈回來，要麼反射到其他方向。問題是，這個深度到底是多少？

由于S波的速度我們是知道的，根據其來回所耗用的時間，我們就能得到一個數據，那就是在我們腳下，2885公裡深的地方，有一個液态的面，那裡的物質呈熔融狀。

這個面，就叫做“古登堡界面”。1914年，德國地球物理學家賓諾·古登堡發現地下2885公裡處，地震波的傳播速度有明顯變化，其中P波的速度明顯下降，而橫波則完全消失。後來證實，這個面是地核與地幔的分界層。

發現古登堡界面後，咱們繼續施放地震，或者在地下十幾公裡深處來一顆氫彈。

如上面的動圖，注意動圖中标注的那條線，也就是那道波，它跟前一道波相比，走的路徑更長，但它卻比前一道波先到達地面！

這更奇怪了。面對這種現象，來自克羅地亞的地震學家莫霍洛維奇百思不得其解。

1909年，克羅地亞國内發生了地震。莫霍洛維奇拿到多個地震觀測站的數據後開始比對，結果，他驚訝地發現，有的地震波是以7～8千米每秒的速度向更遠的地震站傳播的。

到底是另一種速度更快的地震波，還是同一種波選擇了另一條捷徑？

最終，莫霍洛維奇經過深思熟慮後，他得出結論，這是P波走了捷徑的緣故，在厚厚的地殼下，有着另一層不同于地殼的物質，它就是我們現在說的地幔，地幔中的物質密度更大，所以地震波傳播得更快。

為了紀念莫霍洛維奇，故把地殼和地幔的分界面叫做莫霍面。

地球物理學是一門充滿着各種争論的學科，然而，100年過去了，地球内部的“莫霍面”和“古登堡面”卻是地球物理學公認的基石之一。

方法補充

上文我們用地震波回顧了一下曆史上莫霍面、古登堡面的發現過程。關于地震波，我們還需要補充一些知識。

地震波的速度取決于介質的密度和彈性。又因為地球密度随深度增加而增加，所以地震波的速度範圍從地殼中的大約2到8公裡/秒，到深地幔中的13公裡/秒。

水槽中加滿水後，激光的折射與反射。

跟光波一樣，地震波也會反射和折射。當它在地球内部傳播，遇到不同的介質時，路徑就會改變。

如上面的動圖，當P波穿過地球内部，并從外核進入地幔時，發生了明顯的折射。另外，動圖頂部的地震波走的明顯是曲線，原因如下，如果物質的密度是均勻的，則地震波将走直線，但如果物質的密度是一個漸變的過程，則地震波走的也将是一個漸變的曲線。正是以上這些原因的存在，我們看到，在南半球的一部分地震監測站檢測不到P波，這就是P波的陰影區。同理，Ｓ波也存在陰影區。而兩個陰影區交疊的地方，地震站将接受不到任何地震波。

根據以上方法（當然還有别的方法），地球物理學家們将地球分成了以上結構。不過，如果是根據機械性能的不同，我們又可以将其這樣分：岩石圈、軟流層、地幔、外核和内核。

輕松一刻

地球物理學是一門通過地震波、重力、電磁、地熱和放射能等方法研究地球的學科，而關于地球物理學有不少笑話，其中一個是這樣的：

一個老闆讓地質學家、工程師和地球物理學家到他的辦公室。然後，他問每個人，2 3等于幾？

工程師答：5.0000000。

地質學家答：4到6之間。

地球物理學家靠近老闆，回答道：老闆，你想要什麼？

對這個笑話若不深入了解，難免會對地球物理學家們有誤解。實際上，這個笑話跟一個著名的理論有關，這就是“地球物理反演理論”。

要懂得什麼是反演？先得知道什麼是正演。這裡，中國地球物理學家楊文采院士給我們做了一個形象的比喻。他說：

将一瓶香水放到房間中央，從擴散方程得知，一天之後小房間内将布滿大緻均勻分布的香水分子，這就是正演。

而反演就是，已知屋子内的香水分布，然後讓你推算出，香水是何時放到屋子裡的？裝香水的瓶子又是什麼形狀？

地球表面被堅硬的岩石所覆蓋，而人類至今鑽探的最深井也就1萬多米。所以，沒有人見過15公裡以下的岩石什麼樣。

而現在，人類卻對地球内部的物理性質已經有了不同程度的了解，但這些知識多數是來自于對地球物理的反演，而不是來自于鑽井。

既然是反演，就必然存在多解性。正如地球物理學家劉光鼎院士在一次報告中強調的那樣：任何地球物理的反演問題都是多解的，不唯一的。

比如前面的“香水問題”，反演時，我們顯然是無法求出“香水何時放置？”的精确時間的，也就是得不到一個唯一解。

所以笑話中，地球物理學家才如此回答：老闆，你想要什麼？

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