Контрольная работа по "Геофизике"

 

Велика геофизическая роль размеров Земли. В первую очередь это относится к ее массе М и радиусу R, которые, по существу, определяют скорость v, необходимую любому телу для преодоления земного притяжения (v2= 2fM/R). Для Земли v = 11,3 км/с.

Орбитальное движение Земли также имеет целый ряд следствий. К их числу относятся смена времен года, обусловливающая изменения напряжения лучистого потока солнечного тепла в году (см. табл. 2.4) и в конечном итоге приводящая к так называемому

годовому ходу температуры, например, воздуха, воды и горных пород верхних слоев земной поверхности.

Другим следствием вращения Земли вокруг Солнца является перемещение географических полюсов. Причина заключается в том, что при таком движении тело нашей планеты смещается относительно оси ее вращения, хотя и не влияет на эту ось. По-

этому географические полюсы Земли в разное время совпадают с различными точками ее поверхности и тем самым совершают периодические небольшие по амплитуде, но сложные по направлению и неравномерные по скорости движения. По данным советского ученого А. А. Михайлова, за период с 1900 по 1969 г. северный полюс в течение года совершал движение вдоль эллипса с полуосями 242 и 304 см. Параметры эллипса обычно повторялись из года в год.

Прямым следствием суточного вращения Земли является смена дня и ночи. Это сопровождается изменениями в течение суток целого ряда параметров геосфер. Например, температура воздуха обладает ясно выраженным суточным ходом, обычно с максимумом в середине дня и минимумом перед восходом Солнца. В полярных районах, когда смены дня и ночи нет, температура воздуха за сутки почти не изменяется.

Осевое вращение Земли превращает приливные выступы в морях и океанах и в твердой оболочке Земли и приливную волну, которая как бы обходит вокруг планеты, перемещается навстречу ее вращения и поэтому замедляет его. Из-за возникающего торможения увеличивается продолжительность суток и это, в исторически большом масштабе времени, ведет к смене климата и других физико-географических условий. Кроме того, в результате замедления вращения уменьшается полярное сжатие Земли. Это сопровождается опусканием и сокращением материков в экваториальной области, поднятием и увеличением их площадей в полярных областях.

Важнейшими следствиями рассматриваемых движений Земли являются ритмические явления, которые, по С. В. Калеснику, представляют собой комплекс явлений, повторяющихся во времени и развивающихся в одном направлении. Ритмы имеют различную продолжительность: от одних суток (суточный ритм — смена дня и ночи) до сезона (сезонный ритм — смена сезонов года) и нескольких десятков тысяч лет. Бывают ритмы большой продолжительности (21 тыс., 40 тыс. и 92 тыс. лет), они обусловлены изменениями наклона эклиптики (от 24°36' до 21°58'). С ритмом в 40 тыс. лет связаны изменения климата планеты и ее оледенения. Ритмы средней продолжительности (2—3, 5—6, 11, 22 и 80— 90 лет) вызываются изменениями солнечной активности. Суточные и сезонные ритмы характерны для многих природных процессов: таяние ледников, физическое выветривание, суточный и годовой ход температуры сред геосфер и других климатических элементов ,ледостав на водных объектах их водность и др.).

 

Гравитационное поле земли. Основные характеристики, их изменения по широте, глубине, высоте над поверхностью Земли. Гравитационные аномалии.

 

 

Геофизические поля

 

За основную характеристику геофизических полей принимают силу, с которой они действуют на единичный источник (электрический заряд, массу, энергию). Обычно эту силу называют напряженностью поля Е, которая является векторной величиной, направленной в сторону действия силы. Если сила ориентирована по радиусу от источника, то напряженность считается положительной, если к источнику — отрицательной.

Напряженность геофизических полей может быть оценена через потенциал, т.е. работу, произведенную внешними силами, для внесения единичного положительного источника в данную точку поля из бесконечности при условии, что напряженность в бесконечности равна нулю. Эта работа придает источнику некоторый энергетический потенциал U. Между Е и U установлена связь Е =-grad U: градиент направлен в сторону увеличения потенциала, а напряженность — в сторону его падения.

Научно-практическое значение геофизических полей огромно. Геофизические поля определяют, например, характер и направленность миграции электрически заряженных частиц, процессы растворения, окисления, смещения горных пород и т. п. Они обусловливают движение воздушных масс и природных вод, определяют дифференциацию вещества по плотности. Геофизические поля позволяют изучать внутреннее строение и физико-химические свойства Земли, выполнять разведку полезных ископаемых и вскрывать взаимодействие геосфер между собой.

Из всех геофизических полей наибольший интерес имеют гравитационное, электромагнитное и тепловое поля, в значительной мере определяющие обмен энергией и веществом геосфер в планетарном масштабе.

 

 Гравитационное  поле Земли 

 

Гравитационное поле Земли —  силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; незначительно зависит также от притяжения Луны и Солнца и других небесных тел и масс земной атмосферы. Гравитационное поле Земли характеризуется силой тяжести, потенциалом силы тяжести и различными его производными.

На основании гравитационного поля Земли определяется геоид, характеризующий гравиметрическую фигуру Земли, относительно которой задаются высоты физической поверхности Земли. Гравитационное поле Земли в совокупности с другими геофизическими данными используется для изучения модели радиального распределения плотности Земли. По нему делаются выводы о гидростатическом равновесном состоянии Земли и о связанных с этим напряжениях в её недрах. По наблюдениям приливных вариаций силы тяжести изучают упругие свойства Земли.

Гравитационное поле Земли используется при расчёте орбит искусственных спутников Земли и траекторий движения ракет. По аномалиям гравитационного поля Земли изучают распределение плотностных неоднородностей в земной коре и верхней мантии, проводят тектоническое районирование, поиски месторождений полезных ископаемых. Гравитационное поле Земли используется для вывода ряда фундаментальных постоянных геодезии, астрономии и геофизики.

Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Впервые закон всемирного тяготения сформулировал И. Ньютон в 1687 г. Этот закон имеет универсальный характер, так как притяжение, или «тяготение», присуще всем телам; оно проникает сквозь небесные тела так же свободно, как если бы этих тел не

существовало.

Основными измеряемыми элементами гравитационного поля Земли являются ускорение свободного падения и вторые производные потенциала силы тяжести. По этим данным определяют форму Земли, они используются в астрономо-геодезических измерениях при определении высот пунктов и вычислении астрономо-геодезических уклонений отвеса. Элементы гравитационного поля Земли широко используют в гравиметрической разведке, навигации, метрологии и при решении целого ряда задач во многих других областях науки и техники.

Изученность гравитационного поля Земли принято оценивать по аномалиям силы тяжести, осредненным в трапециях 1X1° и 5x5°. Если в каждой из таких трапеций есть хотя бы один гравиметрический пункт, то в гравиметрическом отношении они считаются изученными. Оценивая с этих позиций изученность гравитационного поля Земли, следует указать, что на Земле 64 800 трапеций 1X1°, из которых изучено около 60% , причем

гравиметрическая изученность Северного полушария выше, чем Южного, примерно в 2 раза и по состоянию на 1976 г. составила 80 %.

 

 

Гравитационные процессы и явления

 

Изостазия. Логически можно предположить, что отклонение гравитационного поля от нормального значения в первую очередь обусловлено рельефом Земли. Казалось бы, что в горах гравитационное поле должно иметь более высокую напряженность за счет дополнительного притяжения гор, а в местах расположения впадин – менее высокую из-за дефицита массы. Однако попытка Буге (около 1740 г.) «взвесить Землю» путем наблюдений за отвесом и сопоставления гравитационного притяжения равнины и Анд показала, что горы имеют значительно меньшую массу, чем можно было ожидать,. исходя из их объема. Позднее обнаружилось, что недостаток массы характерен не только для Анд, но и для всех гор.

Изостазия  – это предполагаемое равновесное состояние земной коры, обусловленное действием гравитационных сил, при котором отдельные ее участки как бы плавают на более плотном, но более податливом подкорковом слое. 

Согласно принципу изостазии, призванному объяснить факт, что наличие гор почти не сказывается на гравиметрических измерениях, легкая кора, состоящая из гранита и базальта, изостатически уравновешена на более тяжёлой мантии (рис. 7). Как видно из рисунка, если легкое вещество земной коры образует в некотором месте горную систему, то оно погружается на большие глубины в тяжелые мантийные породы. 
Принцип изостазии исходит из наличия жесткого слоя, лежащего над пластичным: верхний слой, чтобы сохранился рельеф Земли, должен иметь конечную жесткость, иначе горы рассекались бы, а нижний слой, чтобы материал мог в него погружаться, должен быть мягким и податливым. Эти два слоя, жесткий и пластичный, получили соответственно название литосфера и астеносфера. 
Таким образом, земная кора как бы плавает в подстилающих мантийных породах. Но, с другой стороны, согласно данным сейсмологии через мантию проходят поперечные сейсмические волны (волны S) и, следовательно, она находится в твердом состоянии.

 

 

Рис. 7 – Изостатическое равновесие между корой и мантией

 

Решение этого парадокса связано с масштабом времени. Для периодических колебаний с периодом порядка секунд, часов и дней (соответственно объемные и поверхностные сейсмические волны, собственные колебания Земли, земные приливы) астеносфера ведет себя как упругое тело. Для движения же с периодом в десятки тысяч лет вещество астеносферы течет как жидкость. Исходя из этих соображений, вещество астеносферы должно обладать очень большой вязкостью – порядка 1020 П·с (паскаль·секунда). Для сравнения отметим, что вязкость воды при 20°С равна .0,001 П·с. Исследование гравитационного поля Земли с помощью искусственных спутников позволило с большими подробностями количественно охарактеризовать изостатическую компенсацию земной коры для всей планеты.

 

Приливы и отливы. Приливом и отливом называются периодические колебания уровня моря, деформации твердого тела Земли и колебания атмосферного давления, обусловленные притяжением Луны и Солнца. Приливы и отливы образуются вследствие того, что частицы гидросферы, атмосферы и твердого тела Земли, расположенные в данный момент ближе к возмущающему телу (Луне или Солнцу), притягиваются им сильнее, чем частицы, более удаленные от него. 
Первое научное объяснение явления приливов было дано в 1687 г. Ньютоном. Использовав закон всемирного тяготения и основные законы механики, он нашел математическое выражение для определения сил притяжения и центробежных сил от обращения систем Земли – Луна, Земля – Солнце и дал физическое толкование силе, возбуждающей приливные движения на Земле. 

 

Воздействие Луны в 2,2 раза больше воздействия Солнца, рассмотрим сначала приливообразующую силу Луны. Луна и Земля взаимно тяготеют друг к другу, Не падают они друг на друга лишь потому, что обладают движением в пространстве. Под влиянием этих двух сил – взаимного притяжения и собственного движения – Земля и Луна вращаются в пространстве вокруг общего центра тяжести образуемой ими единой жесткой системы, который находится на расстоянии, обратно пропорциональном их массам. Так как масса Земли в 81,5 раза превосходит массу Луны, а среднее расстояние между их центрами равно 60,ЗR (R средний радиус Земли), то центр системы Земля – Луна находится внутри Земли на расстоянии 0,73R от ее центра. В системе Земля – Солнце он находится ближе к центру Солнца, так как масса Солнца в 333400 раза больше массы Земли.

При обращении системы Земля – Луна около общего центра тяжести возникают центробежные силы, под влиянием которых Земля и Луна стремятся удалиться друг от друга. Однако этого не случается, так как их взаимное притяжение точно уравновешивает центробежную силу, возникающую от вращения системы.

Таким образом, на каждую частицу Земли постоянно действуют две силы: центробежная сила, возникающая от вращения системы Земля – Луна вокруг общего центра тяжести и сила тяготения Луны. Центробежная сила всегда и во всех точках на поверхности Земли направлена в одну и ту же сторону и обладает одной и той же величиной. Сила тяготения во всех точках поверхности Земли различна, направление ее зависит от положения Луны, а величина меняется обратно пропорционально квадрату расстояния до нее. Равнодействующая этих двух сил и будет приливообразующей силой Луны.

Если R – радиус Земли, d –расстояние от рассматриваемой точки до Луны и М – ее масса, то значение приливообразующей силы ΔF в точках Z и N: 
 
ΔF =2GMR/d3  
 
остальных точках Земли, где приливообразующее светило не находится в зените Z или надире N, приливообразующая сила меньше по величине, чем ΔF. Наименьшее ее значение в точках А и В.