Контрольная работа по "Геофизике"

 

Орбитальное движение Земли

 Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с запада на восток (орбитальное движение). Эксцентриситет орбиты равен 0,017. Наиболее близкая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, наиболее удаленная — афелием. Полный оборот вокруг Солнца наша планета совершает за 365 сут. 5 ч 48 мин 46 с. Характерно, что на отдельных участках орбиты движение 3емли происходит быстрее, чем на других. Первую половину своей орбиты планета проходит примерно за 186 сут. (с 21 марта по 23 сентября), вторую — за 179 сут. (с 23 сентября по 21 марта). Наибольших значений скорость орбитального движения достигает в перигелии, наименьших — в афелии. При средней, или так называемой круговой, скорости Земли, равной 29 780 м/с, различие скоростей в перигелии и афелии составляет около 950 м/с.

 

Осевое вращение Земли

Наряду с орбитальным движением Земля постоянно совершает вращательное движение вокруг своей оси. Ось вращения Земли отклонена от оси, перпендикулярной орбите на 23,40.  Такое вращение происходит также с запада на восток, полный оборот вокруг своей оси относительно «мира неподвижных звезд» планета совершает за одни сутки (23 ч 56 мин 4 с) с угловой скоростью около 7,292116*10-5 с-1 , или со средней линейной скоростью 465 м/c.

 

 

Рис. 5. Звездные и солнечные сутки

Начинаем отсчет времени с того момента, когда меридиан ОА обращен к бесконечно удаленной звезде (рис.5); на линии между Землей и звездой лежит Солнце, следовательно, на этом меридиане полдень. Прошли звездные сутки, 23 часа 56 минут 4 секунды, Земля сделала полный оборот относительно звезды, так что меридиан ОА снова обращен к звезде (направления на нее с любой точки орбиты можно без всякой погрешности считать параллельными). Звездные сутки - время одного оборота Земли вокруг своей оси относительно звезд. Но одновременно Земля сместилась по околосолнечной орбите, и получилось, что на меридиане ОА полдень еще не наступил; только когда Земля повернется на некоторый дополнительный угол (на это уходит около четырех минут), на нашем меридиане, который теперь занял положение ОА', наступит полдень и можно будет сказать, что с начала отсчета времени Земля совершила полный оборот относительно Солнца, прошли солнечные сутки. Солнечные сутки - время одного оборота Земли вокруг своей оси относительно Солнца.

Продолжительность оборота (продолжительность суток τ) и угловая скорость ω меняются в течение года. Наибольших значений τ достигает в марте (τIII), наименьших — в августе (τ VIII). Разность (τIII - τ VIII) приблизительно равна 25*10- 4с. Относительное изменение угловой скорости между мартом и августом составляет около 2,8*10- 8. По

Н. Н. Павлову, значение τ зависит от солнечной активности: при ее максимуме τ на 0,7 с.

больше, чем в период ее минимума.

Разница между звездными и солнечными сутками зимой несколько больше, а следовательно и солнечные сутки несколько длиннее; колебания в продолжительности суток составляют лишь секунды, но приборами вполне улавливаются. Поэтому за единицу счета времени взята средняя продолжительность солнечных суток — средние солнечные сутки. Именно их всегда имеют в виду, когда говорят просто «сутки». Сутки делятся на 24 часа, каждый час — на 60 минут, минута — на 60 секунд; в часе 3 600 секунд, в сутках — 86 400; в звездных сутках 86 164 секунды.

Доказательства осевого вращения Земли

 

1.Главные доказательства осевого вращения Земли — это те явления на земном шаре, которые нельзя объяснить иначе, как этим движением. Так, выпуклость Земли в экваториальном поясе и сплюснутость ее у полюсов могли возникнуть лишь при участии

центробежной силы, развивающейся только при вращении тел. Под влиянием этого же движения возникает так называемое поворотное ускорение (ускорение Кориолиса), действием которого объясняется подмыв правого берега рек в Северном полушарии и левого — в Южном. Это же ускорение отклоняет от меридиана воздушные и морские течения с эффектом, прямо пропорциональным массе движущихся воздушных и водных масс.

2.Ярким доказательством осевого вращения Земли является известный опыт, поставленный Фуко в 1851 г. С физическим маятником (рис.6). Опыт основан на законе механики, в силу которого всякое качающееся тело стремится сохранить плоскость своего качания при одном условии: на него не действует никакая другая сила, кроме силы тяжести.

 

Рис.6 Маятник Фуко

 

 

Если длинный маятник подвесить на широте φ , то наблюдателю будет казаться, что со временем плоскость качания поворачивается вокруг вертикали данного места по часовой стрелке (в Южном полушарии—против часовой стрелки). В действительности же поворачивается не плоскость качания маятника (она остается неизменной), а Земля под маятником с запада на восток. Угловая скорость этого поворота ω φ составляет ωsinφ или примерно 7,292116*10-5 с-1. За одни сутки плоскость колебания маятника совершает кажущийся полный оборот относительно поверхности Земли с угловой скоростью ω = 15° за 1 ч. Поэтому суточный поворот составляет 24 ω sin φ. Из выражения ω φ = ω sin φ нетрудно видеть, что по мере продвижения от экватора к полюсам угловая скорость поворота возрастает соответственно от 0 до 15° за 1 ч. Это означает, что на любой промежуточной широте между 0 и 90° поворот горизонта больше, чем на экваторе, и меньше, чем на полюсе.

3.Другим важным доказательством осевого движения Земли является отклонение падающих тел к востоку в Северном и к западу — в Южном полушарии. Это связано с тем, что чем дальше находится точка от оси вращения Земли, тем больше ее скорость вращения с запада на восток. Отклонение падающего тела к востоку х зависит от высоты падения z и географической широты φ следующим образом:

    

х = 0,22z √z cos φ .        (3)

 

Скорости осевого вращения и движения Земли

 

Скорости осевого вращения и движения Земли не остаются постоянными. Изменения скорости осевого вращения могут быть трех типов: вековые, нерегулярные (скачкообразные) и периодические (сезонные). Вековые изменения приводят к увеличению периода вращения Земли вокруг своей оси. В результате продолжительность суток, например, за последние 2000 лет возрастала в среднем на 0,0023 с в столетие. Нерегулярные изменения скорости могут удлинять или сокращать продолжительность суток до 0,004 с. Периодические изменения ведут к тому, что время осевого вращения Земли в течение года может различаться на ±0,001 с.

 

Причины изменения скорости

 

Изменения скорости орбитального движения Земли и скорости ее осевого вращения происходят под действием ряда причин. Они условно могут быть объединены в две группы — внутренние и внешние. К первым из них относятся те, которые обусловливаются колебанием момента инерции Земли.

 

Внутренние причины

Известно, что момент количества вращения I свободно вращающегося тела есть величина постоянная, и представляет собой произведение момента инерции I ' на угловую скорость ω.

Для Земли   _

I = I' ω = χ MR2(l + ⅔ α) ω ,          (4)

 где χ - коэффициент, зависящий от структуры планеты (распределения плотностей горных пород по ее радиусу) — так называемый структурный коэффициент1; М и R — соответственно масса и средний радиус Земли.

Значит, если I ' будет уменьшаться (например, из-за уменьшения χ и R), то скорость вращения Земли возрастет. По данным В. Мейермана, Н. Парийского и Г.Н. Каттерфельда, средняя интенсивность уменьшения земного радиуса составляет около 5см за 100 лет, достигая в отдельные периоды 12см. В то же время уменьшение величины R ведет к уплотнению земных недр, т.е. к уменьшению коэффициента χ . Это неизбежно способствует росту значений ω .

Уменьшение радиуса Земли происходит неравномерно. Это усиливается неустойчивостью механического и физико-химического состояния земных недр. Так, давление в центре Земли Р3 , по П. Н. Тверскому, равно:  

                _

P3 = f3M2/(8πR2),        (5)

где f — гравитационная постоянная.

Из формулы (5) видно, что небольшое уменьшение радиуса планеты сопровождается резким увеличением давления во всех слоях ее недр. Это приводит к перетоку новых масс планеты в состав её ядра и его уплотнению. В итоге давление Р3 растет, а объем планеты уменьшается. В целом из-за гравитационного сжатия и уменьшения земного радиуса наблюдается так называемое вековое ускорение вращения планеты, составляющее в относительных единицах 1,4*10-8 в столетие.

 

1

 Значение и, по Г. Н. Каттерфельду, заключено в пределах 0,400 (однородное распределение плотностей)—0,133 (вся масса в центре). Для Земли в настоящее время структурный коэффициент принят равным 0,33.

 

 

Внешние причины

Наряду с внутренними причинами значительно большее влияние на изменения скорости орбитального движения и осевого вращения Земли оказывают внешние причины.

1.В первую очередь к ним следует отнести приливное трение, воздушные течения и

взаимодействие сезонной циркуляции атмосферы с поверхностью Земли. Сущность влияния заключается в следующем. В результате влияния на Землю притяжений Луны и Солнца в океанах и морях образуются приливные волны. Они перемещаются в направлении, противоположном вращению планеты. Это приводит к уменьшению энергии вращательного движения Земли и тем самым к замедлению ее вращения.

2.В земной атмосфере имеются постоянные воздушные течения, размеры которых сопоставимы с размерами материков. Скорости этих течений на высотах (50. .. 70)*103 м в среднем составляют зимой около 100 м/с, летом 70 м/с. Причем в общем воздушные

потоки в первом случае направлены с запада на восток, во втором — с востока на запад. В более низких слоях на высотах (8... 15) *103 м скорость воздушных течений в среднем равна 40-60м/с, они направлены с запада на восток. В результате трения воздушного потока о земную (водную) поверхность возникает тангенциальная сила, суммарное значение которой в приземном слое атмосферы может быть большим, тем самым она способствует замедлению вращения твердой оболочки Земли. В связи с тем что

воздушные течения характеризуются нестационарностью по скорости и частично по направлению, действие этой силы вызывает скачкообразные, непериодические изменения ω.

3.Большая роль в изменении скорости вращения нашей планеты принадлежит взаимодействию сезонной атмосферной циркуляции с поверхностью Земли. В Северном полушарии над материками обычно летом развиваются области низкого, зимой — высокого атмосферного давления. Это связано с большим нагревом летом

суши, чем моря, а зимой — наоборот. В результате «избыточные массы воздуха» скапливаются над сушей зимой, над морями и океанами летом. Совместно с особенностями пространственного распределения материков в обоих полушариях это вызывает периодические изменения скорости вращения Земли. По мнению

американских геофизиков Манка и Макдональда, возможные напряжения от этих избыточных воздушных масс на поверхности Земли могут в сотни раз превосходить напряжения, требуемые для объяснения наблюдаемых сезонных колебаний продолжительности суток. Поэтому, наряду с 11-летними и годовыми колебаниями скорости вращения Земли, связанными с солнечной активностью, могут существовать колебания, соответствующие разнообразным циклам погоды и имеющие период около 3 месяцев.

 

Впервые периодические изменения ω были обнаружены в конце 30-х годов XX в. По данным исследований, относительные изменения в течение года значений ω и соответствующей ей τ заключались в пределах +/- 1,3*10- 8. Позднее Стойко на основе анализа хода атомных часов установил, что годовая амплитуда ω соответствует 0,52*10-8. Д. Ю. Белоцерковский полагает, что относительное систематическое замедление скорости вращения Земли может составлять 15*10- 9.

 

 Геофизические  следствия формы, размеров и движения

Земли

Следствий нешарообразности Земли и ее движений много. Так, эллипсоидальность

и неравномерное распределение масс внутри Земли оказывают влияние на движение ИСЗ и других летательных аппаратов, находящихся на больших расстояниях от земной поверхности. Это связано с тем, что силовая функция нормального поля притяжения к земному эллипсу в первом приближений есть сумма двух слагаемых. Одно из них — силовая функция центрального поля, другое учитывает отличие фактического поля земного притяжения от центрального из-за полярного сжатия. При небольших удалениях от земной поверхности второе слагаемое способствует существенному смещению орбиты летательного аппарата.

Большую роль форма Земли играет в формировании закономерностей географической зональности и распределения солнечного тепла на земной поверхности. Например, солнечные лучи, падающие на Землю, образуют с ней, в один и тот же момент

в разных ее точках различные углы, которые зависят от географической широты, высоты Солнца над горизонтом и рельефа местности. Если принять, что при вертикальном падении лучей интенсивность прямой солнечной радиации в полдень равна Qп, то при

встрече с земной поверхностью под углом β эта интенсивность будет составлять Qп sin β  . Причем если бы Земля была идеальным шаром, то углы βi закономерно уменьшались бы от экватора к полюсам. При эллипсоидальной, а тем более при кардиоидальной ее форме и при различии сжатия Северного и Южного полушарий эта закономерность изменений βi существенно нарушается. Все это вместе с изменением высоты Солнца над горизонтом во

 времени (сутки, сезон, год) существенно сказывается на поступлении солнечного тепла в различные точки географического меридиана. Об этом можно судить по данным табл. 2..

 

 

ТАБЛИЦА 2

Суммарная солнечная радиация в Северном полушарии, мДж/'м2

[44]

Период	Географическая широта φ0
	0	10	30	40	60	70	90
Летнее полугодие	670,3	710,1	731,0	710,1	622,2	578,6	555,6
Зимнее полугодие	673,6	617,1	459,4	352,5	140,7	56,5	0,0
Год	1343,9	1327,2	1184,4	1062,6	762,9	635,1	555,6