固体潮与地球动力学  081601M06002H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业研讨课 | 任课教师:孙和平
授课时间: 星期一,第10、11、12 节
授课地点: 教二楼313
授课周次: 11、12
授课时间: 星期三,第1、2、3 节
授课地点: 教二楼313
授课周次: 10、11、12、13
授课时间: 星期三,第10、11、12 节
授课地点: 教二楼313
授课周次: 13
课程编号: 081601M06002H 课时: 21 学分: 1.00
课程属性: 专业研讨课 主讲教师:孙和平 助教:刘清超
英文名称: Earth Tides and Geodynamics 召集人:

教学目的、要求

本课程为大地测量学与测绘工程硕士和博士研究生的专业研讨课程,也可作为固体地球物理学、天文学、地震、空间物理学、海洋物理学等其它相关专业或交叉专业研究生的学科选修课。
固体地球潮汐是由于日月等天体对地球引力变化所导致的地球内部和表面的周期性形变现象(简称固体潮),它反映的是地球表层及内部的物质分布变化及其运动状态。能在国家基础、军事测绘和导航领域发挥重要作用,它可为大地测量归算、国家精密测绘、地震监测、空间技术等提供精密改正模型,也为研究地球局部和整体运动,地球内部动力学和结构提供重要约束。“固体潮与地球动力学”课程是联系天文学、地球物理学和大地测量学的重要交叉学科。伴随着地球的周期性形变,地球表面的重力、倾斜、应变和经纬度等大地测量观测量出现微小的周期性变化(分别称为重力固体潮、倾斜固体潮、应变固体潮和天文经纬度固体潮等)。通过本课程的学习,使学生系统了解固体地球潮汐基本概念、研究内容及主要应用领域,掌握确定固体地球潮汐的理论和方法,以及与其他学科交叉和渗透研究内容。并了解国际上该领域研究的最新进展和前沿问题,为进一步研究地球科学相关问题打下坚实理论基础。

预修课程

高等数学,计算机

教 材

主要内容

1.教学内容及要求
第一讲、固体地球潮汐研究及应用概述(授课3学时)  
了解“固体潮与地球动力学”的主要科学任务,了解本课程与地球科学领域其它学科间的关系,本学科研究在地球科学领域中的地位、对认识利用固体潮观测与地球局部和整体运动,地球内部动力学和结构间关系的作用。介绍“固体潮与地球动力学”的主要研究内容,发展历程,学科的最新进展。
教学重点:详细讲述“固体潮与地球动力学”的科学任务,尤其是重力固体潮与地球动力学的关系,以及研究与应用对象。相关科学问题研究的精度需求与固体潮测量指标的关系。详细阐述固体潮科学研究应用涉及的一些重要专业名词,介绍重力固体潮产生的力学机制与地球表面形变、地球自由振荡、液态地核的自由、地震、大气与海洋等相互作用的关系。
教学难点:固体潮产生的力学机制与科学研究的对应关系。
第二讲、固体地球潮汐理论、观测与资料方法(授课3学时)
了解在日月等天体作用下导致固体地球潮汐现象的缘由,以及这些潮汐现象的本质,推导地球引潮力的数学表述。了解地表与空间技术观测重力固体潮仪器类型和工作特性。介绍重力固体潮资料分析方法、发展历程、地震和地表形变等非潮汐信号典型例证。
教学重点:从日月等天体对地球引潮力的数学表述出发,详细讲述引潮位及引潮位的展开,平衡潮、勒夫数及潮汐形变以及地球的潮汐形变理论,详细讲述固体潮汐理论值计算和地球潮汐的调和分析方法。详细讲述弹簧与超导重力技术测量重力固体潮的原理与区别。详细介绍重力固体潮资料的预处理方法与效果。
教学难点:引潮位的展开,地球的潮汐形变理论,高精度观测技术精度的实现。

第三讲、座谈与讨论:固体潮理论应用与资料处理(研讨3学时)
在提前部署第一讲和第二讲重点复习内容基础上,重点开展重力固体潮理论应用与资料处理研讨。在每位学生大约5-8分钟时间的自由发言中,研讨“固体潮与地球动力学”的主要科学任务和在地球科学领域中的地位,研讨重力固体潮产生的力学机制与地球表面形变、地球动力学相互作用的关系。研讨日月等天体引潮力的数学表述出发,实施引潮位展开的数学推导、固体潮汐理论值计算和地球潮汐的调和分析方法、弹簧与超导重力技术测量重力固体潮的原理、重力固体潮资料的预处理方法等。

第四讲、大气与海洋负荷潮汐重力效应理论(授课3学时)
了解大气和海洋潮汐产生的根源以及与日月等天体引潮力导致固体地球潮汐间的关系,了解海潮负荷对地球物理场观测的影响理论和计算方法,以及重力固体潮潮波参数的海潮负荷改正。了解大气压力变化对重力固体潮观测的影响机理及其改正方法。
教学重点:详细讲述海潮及海潮模型理论,最新海潮模型类型,数字化海潮图形态,海潮负荷效应的理论计算,负荷格林函数方法,介绍在负荷潮汐作用下的弹性地球形变效应原理与计算方法等。详细讲述重力固体潮观测中的海潮负荷改正理论与方法,及其效果。介绍大气与海洋潮汐的相似与不同之处,大气质量的直接引力计算与负荷效应等,气象数据的预处理及其网格化过程,大气重力格林函数的理论计算等。
教学难点:负荷潮汐形变理论、负荷格林函数的计算,大气与海洋潮汐负荷改正的实施。

第五讲、地球自由振荡与自由核章动的重力检测(授课3学时)
了解地球结构特征、地球自由振荡、自由核章动与重力场频谱特征间关系。了解地球自由振荡基本理论,地球自由振荡本征周期、谱锋分裂与内部结构间的关系。了解计算自由核章动的基本理论与方法,地球固态内核的平动振荡的力学机制等。
教学重点:详细讲述地球自由振荡与地球内部结构与重力场频谱特征间关系,利用角动量法求解自由核章动参数的理论与方法。详细讲述由于内部核幔结构不同,核幔形态非球形与存在地形起伏,加上地球自转作用下导致地球自由核章动现象的力学机制,简单介绍地球固态内核的平动振荡力学机制。介绍高精度超导重力技术与空间VLBI等检测到的自由核章动参数与地球深部结构的关系。
教学难点:地球内部结构,地球自由振荡与自由核章动理论与检测方法,力学机制问题。

第六讲、座谈与讨论:重力固体潮观测信号与地球动力学(研讨3学时)
在提前部署第五讲和第六讲重点复习内容基础上,重点开展重力固体潮观测信号与地球动力学应用研讨。在每位学生大约5-8分钟时间的自由发言中,研讨“重力场与地球动力学频谱特征”,研讨重力固体潮与地球动力学主要科学任务和在地球科学领域中的地位,研讨地球自由振荡与自由核章动产生的力学机制与高精度超导重力技术测量间的关系。研讨地球自由振荡基本理论的数学表述推导,地球自由核章动的基本理论与计算,大气与海洋负荷潮汐的重力改正之必要性。地球自由振荡与自由核章动参数与地球内部结构间的关系。

第七讲、座谈与讨论(2学时)
在4次授课与2次研讨基础上,总结“固体潮与地球动力学”课程重点概念与主要教学内容。检查学生本课程知识掌握知识情况,是否达到课程教学目的与要求,结合授课主要内容和学生提出的问题进行座谈与讨论,了解学生掌握本课程情况与要求,征求教学改进意见,部署课程开卷考试内容、注意事项、题目与交卷日期等。

2. 时间分配和进度
(1)固体地球潮汐研究发展及应用概述(授课3学时)  
(2)固体地球潮汐观测、理论与资料方法(授课3学时)
(3)固体潮理论应用与资料处理(研讨3学时)
(4)大气与海洋负荷潮汐重力效应理论(授课3学时)
(5)地球自由振荡与液核近周日自由摆动的重力检测(授课3学时)
(6)观测资料的干扰改正与地球动力学(研讨3学时)
(7)座谈与讨论(2学时)

参考文献

许厚泽等著,固体地球潮汐,湖北科学技术出版社,2010
Smylie D.E., Earth Dynamics, Deformations and Oscillations of the Rotating Earth, Cambridge University press, 2013