Geofysiikka – maapallon ja ympäristön fysiikka, tutkimus ja sovellukset

Geofysiikka: maapallon ja ympäristön fysikaalinen tutkimus ja käytännön sovellukset — luonnonuhkien ennakointi, mineraalit ja pohjavesi, ilmasto sekä edistyneet mittausmenetelmät.

Geofysiikka (/dʒiːoʊfɪzɪks/) on maapallon ja sen ympäristön fysiikkaa avaruudessa. Se on myös maapallon tutkimista mittaamalla asioita ja keräämällä tietoja. Joskus geofysiikka tarkoittaa vain maapallon geologian, kuten sen muodon, painovoima- ja magneettikentän, sisäisen rakenteen ja koostumuksen tutkimista. Se voi tarkoittaa myös sitä, miten nämä luovat levytektoniikkaa, magmoja, vulkanismia ja kivien muodostumista.

Mitä geofysiikka tutkii ja miksi se on tärkeää

Geofysiikka kattaa laajan kirjon ilmiöitä ja mittausmenetelmiä. Jotkut geofyysikot tutkivat nykyään myös hydrologista kiertoa, mukaan lukien lumi ja jää. He tutkivat, miten valtameret ja ilmakehä liikkuvat. He tutkivat sähköä ja magnetismia ilmakehässä, ionosfäärissä ja magnetosfäärissä. Myös se, miten maa ja aurinko vaikuttavat toisiinsa, on osa geofysiikkaa.

Geofysiikan avulla ymmärretään maapallon prosesseja eri mittakaavoissa: paikallisista rakenteista ja ympäristöongelmista aina koko planeetan mittaiseen dynamiikkaan. Tieto auttaa ennakoimaan ja lieventämään luonnonuhkia, löytämään luonnonvaroja sekä seuraamaan ilmaston ja ympäristön muutoksia.

Lyhyt historiakatsaus

Geofysiikka tunnustettiin erityiseksi tutkimusalaksi vasta 1800-luvulla. Geofyysikkoja oli kuitenkin jo antiikin historiassa. Ensimmäiset magneettikompassit valmistettiin neljännellä vuosisadalla eaa. ja ensimmäinen seismoskooppi rakennettiin vuonna 132 eaa. Isaac Newton sovelsi mekaniikan teoriaansa vuorovesiin ja päiväntasauksen prekessioon. Kehitettiin välineitä, joilla voitiin mitata maapallon muotoa, tiheyttä ja painovoimakenttää sekä veden kiertokulun osia. 1900-luvulla kehitettiin geofysikaalisia menetelmiä kiinteän maapallon ja valtamerten etätutkimusta varten.

1900-luvulla ja erityisesti satelliittiajan myötä geofysiikka on laajentunut nopeasti: satelliittigeodesia, globaalit gravimetriset kartat, magnetosfäärin monipistemittaukset ja ilmakehän etätutkimus ovat tuoneet uutta ymmärrystä maapallon systeemeistä.

Tutkimusmenetelmät ja instrumentit

Geofyysikot käyttävät sekä kenttä- että avaruustekniikoita. Keskeisiä menetelmiä ovat muun muassa:

• Seismologia: maanjäristysaallot paljastavat rakenteita syvällä maan sisällä;
• Gravimetria: painovoimamittaukset paljastavat tiheysvaihtelut ja rakenteet;
• Magnetometria: magneettikentän mittaukset kertovat kivilajeista ja geologisista rakenteista;
• Sähköiset ja sähkömagneettiset menetelmät (esim. resistiivisyys, induktio): paljastavat pohjavesiä, maaperän kosteutta ja kerrosten ominaisuuksia;
• Maaperän kaikuluotaus ja georadar (GPR): tutkitaan matalapohjaisia rakenteita, arkeologiaa ja putkistoja;
• Lämpövirta- ja geokemialliset mittaukset: tutkitaan geotermistä energiaa ja kivilajien historiaa;
• Satelliittimetrologia (esim. GPS, InSAR): seurataan maan liikkeitä, kohoamista ja maanjäristysjälkeistä deformaatioita;
• Etätutkimus (remote sensing): ilmakuvat ja satelliittidata auttavat kartoittamaan laajoja alueita nopeasti.

Mittauksista kerätty data käsitellään usein numeerisella mallinnuksella ja inversiomenetelmillä, joiden avulla mitatuista signaaleista lasketaan maaperän ja kallioperän ominaisuuksia.

Sovellukset käytännössä

Geofysiikan opiskelu voi auttaa esimerkiksi mineraalivarojen etsimisessä, luonnonuhkien vähentämisessä ja ympäristönsuojelussa. Geofysikaaliset tutkimustiedot auttavat löytämään öljysäiliöitä, mineraaliesiintymiä, pohjavettä ja arkeologisia jäännöksiä. Tällaiset tiedot voivat myös kertoa jäätiköiden ja maaperän paksuuden ja kertoa, millä alueilla on ympäristövahinkoja, jotka olisi korjattava.

Lisää konkreettisia sovelluksia:

• Energiateollisuus: öljy-, kaasu- ja geotermisen energian etsintä;
• Pohjavesivarannot ja maankäytön suunnittelu: maanalaisten vesivarojen paikantaminen ja suojelu;
• Luonnonuhkat: maanjäristystutkimus, tulivuoren valvonta, maanvyörymät ja tsunami-ennakointi;
• Ympäristö- ja haitta-ainetutkimus: kaatopaikkojen ja saastuneiden maiden kartoitus;
• Arkeologia: rakenteiden ja hautausalueiden paikantaminen ilman kaivauksia;
• Rakentaminen ja infra: maaperän kantavuus ja kallion rakenteet suurten rakennushankkeiden suunnittelussa.

Työurat ja koulutus

Geofyysikon koulutus sisältää fysiikkaa, matematiikkaa, geologiaa ja tietojenkäsittelyä. Työmahdollisuuksia on yliopistotutkimuksesta teollisuuteen, valtion virastoihin, ympäristökonsultointiin ja kansainvälisiin tutkimusohjelmiin. Monissa tehtävissä korostuvat kenttätyöt, instrumenttien käyttö sekä datan analyysi ja mallinnus.

Tulevaisuuden haasteet ja kehitys

Geofysiikassa kehitys jatkuu nopeana: paremmat satelliitit, suuremmat tietomassat, koneoppiminen ja korkean resoluution mallinnus parantavat kykyä ymmärtää ja ennustaa maapallon prosesseja. Samalla haasteina ovat monimutkaisten järjestelmien vuorovaikutusten ymmärtäminen, kestävän käytön edistäminen ja tietojen vastuullinen hyödyntäminen.

Yhteenvetona: geofysiikka on monitieteinen ala, joka yhdistää fysiikan periaatteet maapallon ja sen ympäristön tutkimukseen. Sen menetelmät ja sovellukset ovat keskeisiä sekä luonnonilmiöiden ymmärtämisessä että käytännön ongelmien ratkaisemisessa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on geofysiikka?

K: Milloin geofysiikasta tuli tunnustettu tutkimusala?

K: Keitä olivat varhaiset geofyysikot?

Kysymys: Millä tavoin geofysiikan opiskelu voi auttaa ongelmissa?

Kysymys: Mitä välineitä käytetään mittaamaan maapallon ympäristöön liittyviä näkökohtia?

K: Miten geofysiikka liittyy muihin tieteisiin, kuten tähtitieteeseen tai meteorologiaan?

Hae kirjaimella