[科普中国]-传播速度

定义

对波的传播而言，表示在一给定瞬间和一给定空间的点上，场的一个给定特性在指定时间间隔内的位移矢量与该时间间隔的持续时间之比，当持续时间趋于零时的极限。

分类光波传播速度光（电磁波）在真空中的传播速度。目前公认值为C=299 792 458 米/秒（精确值）

一般四舍五入为3x10⑻米/秒，是最重要的物理常数之一。

17世纪以前，天文学家和物理学家认为光速是无限大的，宇宙恒星发出的光都是瞬时到达地球。伽利略首先对此提出怀疑，他于1607年在两山顶间做实验测光速，由于光速太大而实验装置又太粗糙，未获成功。1676年丹麦天文学家罗默，利用天文观测，首次测量了光速。1849年法国科学家斐索在实验室里，用巧妙的装置首次在地面上成功地测出了光速。1973年美国标准局的埃文森采用激光方法利用频率和波和测定光速为（299792 485+1.2）米/秒。经1975年第15届国际计量大会确认，上述光速作为国际推荐值使用。1983年第17届国际计量大会上通过米的新定义为“真空”中光在1/299 792 458秒时间间隔内行程的长度。

这样，光速已成为定义值，它的精确度为零。今后也无需再做精密测量了。而长度单位米、时间单位秒是通过这个定义值直接联系的。

狭义相对论的基本原理之一是光速不变原理。这与光速定义为一固定值是相一致的。不过迄今还有人仍在检验在更高的精确度下，光速究竟是否恒定。

除真空外，光能通过的物质叫做（光）介质，光在介质中传播的速度小于在真空中传播的速度，在水中的速度：2.25×10^8m/s光在玻璃中的速度：2.0×10^8m/s 光在冰中的速度：2.30×10^8m/s 光在空气中的速度：3.0×10^8m/s 光在酒精中的速度：2.2×10^8m/s。

声音传播速度声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做介质。 声音在不同的介质中的传播速度： 真空 0m/s（也就是不能传播） 空气（15℃） 340m/s 空气（25℃） 346m/s 软木 500m/s 煤油（25℃） 1324m/s 蒸馏水（25℃） 1497m/s 海水（25℃） 1531m/s 铜（棒） 3750m/s 大理石 3810m/s 铝（棒） 5000m/s 铁（棒) 5200m/s 声音在不同的物质中的传播速度不同。1

电磁波传播速度其速度等于光速c（3×10^8m/s）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。 机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波粒两象性。折射、反射属于粒子性； 衍射、干涉为波动性。

应用地震波波速介绍像声、光或水波一样，地震波也可在一边界上反射或折射，但和其他波不同的特点是，当地震波入射到地球内的一反射面时，例如一P波以一角度射向边界面时，它不但分成一反射的P波和一折射的P波，还要产生一反射S波和折射S波，其原因是，在入射点边界上的岩石不仅受挤压，还受剪切。

换句话说，一入射P波产生4种转换波。由一种波型到另一种波型的波型增殖也发生于SV波斜入射于内部边界时，会产生反射和折射的P波和SV波。在这种情况下反射和折射的S波总是SV型，这是因为当入射的SV波到达时岩石质点在一与地面垂直的入射面里横向运动。

相反，如果入射的S波是水平偏振的SH型，则质点在垂直于入射平面且平行于边界面的方向上前后运动，在不连续界面上没有挤压或铅垂方向的变形，这样不会产生相应的新的P波和SV波，只有SH型的一个反射波和一折射波。

从物理图像形象地分析，垂直入射的P波在反射界面上没有剪切分量，只有反射的P波，根本没有反射的SV波或SH波。以上讨论的波型转换的种种限制，在全面理解地面运动的复杂性和解释地震图中的地震波各种图像时是至关重要的。

本书后面要讨论到许多特殊的地震效应，它们都能用波的反射和折射完善地加以解释。例如，考虑一S波从深部震源垂直向上传播到地面。由于在地表入射和反射的波列叠加到一起，因此近地表处波的振幅将加倍，能量则变为4倍。这个预测与许多矿工的经验是一致的，他们在许多情况下没有意识到发生了一个强震。

1976年中国唐山破坏性地震就是这种情况。在井下工作的煤矿工人仅感到中等摇动，只是由于断电他们才知道发生了问题。但当他们上到地表时，才惊恐地发现整个城市已变为废墟；这次地震最终造成了24万人丧失生命。

建筑在较厚土壤上的，诸如在沿河流冲积河谷中的沉积物上的建筑物，地震时易于遭受严重破坏，其原因也是波的放大和增强作用。当我们振动连在一起的两个弹簧时，弱的弹簧将具有较大的振动幅度。类似地，当S波从地下深处传上来时，穿过刚性较大的深部岩石到刚性较小的冲积物时，冲积河谷刚性小的软弱岩石和土壤将使振幅增强4倍或更大，取决于波的频率和冲积层的厚度。在1989年加利福尼亚的洛马普瑞特地震时，建在砂上和冲填物上的旧金山滨海区的房屋比附近不远建在坚固地基上相似的房屋破坏更大。

折叠 P波和S波的速度1989年10月17日当洛马普瑞特地震袭击时，我在伯克利家中突然感到房屋摇动，我开始计时。10秒钟后摇动突然变的特别厉害，这表示S波已经到达。P波总是首先从震源来到，因为它们沿同一路径传播时比S波速度快。利用波的这一特性，我可以计算出这个地震的震源在80多千米以外。

P波和S波的实际传播速度取决于岩石的密度和内在的弹性。对线弹性物质而言，当波与运行方向无关时，波速仅取决于两个弹性性质，称为弹性模量：岩石的体积模量k和剪切模量μ。2

当向岩石立方块表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化作为所需压力大小的度量，称为体积模量。当P波穿过地球内部传播时发生的就是这种类型的变形；因为它只引起体积变化，所以在流体中也可以发生，与在固体中一样。通常体积模量越大，P波的速度就越大。

第二种变形类型是，在向岩石立方块体两相对的面上施加方向相反的切向力时，这体积方块将受剪切而变形，而没有体积变化。同样，圆柱状岩心两头受大小相等方向相反力扭曲时也发生这种变形。岩石对剪切或扭曲应力的抵抗越大，其刚性就越大。S波通过剪切岩石而传播，剪切模量给出其速度的量度。通常是剪切模量越大，S波速度就越大。

P波和S波速度的简单公式在下面给出。这些表达式与已经提到的波的重要性质一致：因为流体的剪切模量是0，剪切波在水中的速度为0，因为两个弹性模量总是正的，所以P波比S波传播得快。

因为地球内部的强大压力，岩石的密度随深度增大。由于密度在P波和S波速度公式中的分母项上，表面看来，波速度应随其在地球的深度增加而减小。然而体积模量和剪切模量随深度而增加，而且比岩石密度增加得更快(但当岩石熔融时，其剪切模量下降至0)。这样，在我们的地球内部P和S地震波速一般是随深度而增加的，在第6章中将进一步讨论。

虽然某一给定岩石弹性模量是常数，但在一些地质环境里岩石不同方向上的性质可以显着变化。这种情况叫各向异性，这时，P波和S波向不同方位传播时具有不同速度。通过这种各向异性性质的探测，可以提供有关地球内部地质状况的信息，这是当今广泛研究的问题。但在以下的讨论中将限制在各向同性的情况，绝大多数地震运动属于这种情况。

弹性模量和波速

均质各向同性的固体可由两个常数： k和μ来描述其弹性，两常数都可表示为单位面积的力。

k是体积模量，表示不可压缩性。

花岗岩：k约为27×1010达因/厘米2；

水：k约为2×1010达因/厘米2。

μ是剪切模量，表示其刚性。

花岗岩：μ约为1.6×1010达因/厘米2；

水：μ为0。

密度为ρ的弹性固体内，可以传播两种弹性波。

P波，速度vP =√(k+3/4μ)/ρ。

花岗岩： vP=5.5千米/秒；

水： vP=1.5千米/秒。

S波，速度vS=√μ/ρ。

花岗岩：vS=3.0千米/秒；

水： vS=0千米/秒。