Контрольная работа по "Геофизике"

Содержание

 

Форма, размеры и движения Земли       2

Форма и размеры Земли         2

Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение     7

Орбитальное движение Земли        8

Осевое вращение Земли         8

Доказательства осевого вращения Земли       9

Скорости осевого вращения и движения Земли      10

Причины изменения скорости10

Геофизические следствия формы, размеров и движения Земли   12

Гравитационное поле земли. Основные характеристики ,их изменения по

широте, глубине, высоте над поверхностью Земли. Гравитационные

аномалии           14

Геофизические поля          14

Гравитационное поле         14

Сила тяжести и ее потенциал         15

Нормальное гравитационное поле и его аномалии      18

Нормальное гравитационное поле        18

Гравитационные аномалии         19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Форма, размеры и движения Земли

 

Исследования формы (фигуры) и движений Земли в прошлом способствовали открытию многих законов природы (расположение материков и океанов, смена времен года, дня и ночи и т. д.). Эти вопросы продолжают оставаться актуальными и в настоящее время. Для понимания многих закономерностей строения и состава геосфер, формирования климата и теплового баланса Земли и познания целого ряда других природных явлений планетарного масштаба важно иметь правильное представление о форме Земли, ее геометрических размерах и параметрах различных движений. Интерес к определению истинной формы Земли и ее размеров возрос также в связи с исследованиями космического пространства и планет Солнечной системы.

 

Форма и размеры Земли

 

Под формой Земли понимается форма не ее твердой оболочки со всеми горами и океаническими впадинами, а горизонтальной уровенной поверхности, совпадающей с уровнем океана, не возмущенным воздействием приливов и ветров, и мысленно продолженной под материки и острова.

Форма Земли интересовала ученых с древнейших времен, и представление о ней эволюционировало вместе с развитием взглядов человечества на пространство. Первые представления базировались на чувственном восприятии Земли; считалось, что она плоская, дискообразная, окружена мифической рекой Океан. В дальнейшем, в VI в. до н.э. были высказаны предположения о шарообразности Земли.

Форма, близкая к шарообразной, характерна для большинства небесных тел, в том числе для всех больших планет Солнечной системы.

В III в до н.э. Архимед ввел понятие о сфероиде — поверхности, близкой по форме к сфере.

В конце III — начале II в. до н. э. Эратосфен, который впервые вычислил разность географических широт Асуана и Александрии, определил размеры Земли, учитывая ее шарообразность. Зная расстояние между указанными пунктами, он рассчитал, что радиус земного шара равен 6 311 000 м. Вплоть до XVII в. господствовало представление о Земле как о шаре с таким радиусом.

С появлением более совершенных технических средств и методов триангуляционных работ начали проводиться уточнения размеров и формы Земли. Так, в 1669—1670 гг. французский астроном Пикар по измерениям длины дуги меридиана в 1°22’55’’ вычислил, что радиус Земли составляет 6 371 692 м.

Данные Пикара и работа Коперника «Об обращении небесных сфер» (1543 г.) послужили основой для разработки Ньютоном в 1687 г. теории фигуры Земли. Рассматривая суточное вращение Земли, Ньютон заключает, что «…фигура планеты при не очень быстром вращении должна принять форму эллипсоида вращения».

Земля, как и большинство небесных тел, вращается. Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли вокруг своей оси, она слегка сплюснута у полюсов, меридианы ее представляют собой эллипсы, полярная и экваториальная полуоси имеют различную длину. Это означает, что кривизна дуги меридиана у полюсов меньше, чем у экватора.

Расстояние от центра Земли до полюса (полярный радиус) примерно на 21 км меньше расстояния от центра до экватора (экваториального радиуса). Поэтому более точно передает форму Земли эллипсоид вращения, тело, образующееся при вращении эллипса вокруг его оси, проходящей через оба полюса Земли.

 

 

Данные фактических измерений объективно подтверждают указанное различие длины дуг меридиана (табл. 1).

 

ТАБЛИЦА 1.

Длина дуги 1° меридиана

 

Географическая широта, °С	0	20	40	60	80
Длина дуги, 10³ м	110,6	110,7	111,0	111,4	111,7

 

Эллипсоид вращения характеризуется большой экваториальной (aэ) и малой полярной (b) полуосями, а также полярным сжатием α:

α =( aэ - b)/ aэ                                                                                            (1)

Сжатие земного эллипсоида можно также выразить через силы

вращения Земли и ускорение свободного падения:

α = kw²d/gэ                                                                                               (2)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от плотности Земли; w — угловая скорость вращения Земли; d — радиус вращения; gэ — ускорение свободного падения на экваторе.

Плотность всех геосфер по вертикали не остается постоянной, она неодинакова и в разных точках на одной и той же глубине (высоте). Неравномерное распределение суши и моря на земном шаре усиливает неравномерность пространственного распределения плотности Земли. Всё это свидетельствует о том, что на величину α влияют не только скорость осевого вращения Земли и ее размеры, но и характер внутреннего строения планеты (степень ее однородности). Изменение одной из компонент правых частей формул (1) и (2) вызывает изменение величины α.

Значения коэффициента k в формуле (2) заключены в некотором интервале. Первое крайнее значение этого интервала (k=1,25) принято Ньютоном на основе предположения о равенстве плотности во всех точках твердого тела Земли, второе (k = 0,50) —Гюйгенсом при допущении, что вся масса Земли сосредоточена в ее центре. В соответствии с указанными допущениями, 1/230> α >1/576.

На протяжении XVIII—XIX вв. и первых десятилетий XX в. ученые различных стран проводили обширные работы по градусным измерениям на земной поверхности. В результате работ русских геофизиков Ф. Ф. Шуберта, В. Ф. Струве, советских ученых

Ф. Н. Красовского, А. А. Изотова, А. Я. Орлова и некоторых других было установлено, что Земля не является ни шаром, ни двухосным эллипсоидом вращения, а больше всего по форме приближается к трехосному эллипсоиду вращения. Этот эллипсоид отличается от обычного тем, что у него не только меридианы, но и экватор является эллипсом. В 1940 г. Изотовым под руководством Красовского были вычислены элементы земного трехосного эллипсоида. Его размеры таковы (рис. 1): аэ=6378,245 км, малая экваториальная полуось a1 = 6378,032 км, b = 6356,863 км, аэ — b = 21,382 км, α= 1 : 298,3.

 

 

 

 

 

Рис.1 Трехосный эллипсоид вращения

 

 

 

Объем земного трехосного эллипсоида и площадь его поверхности соответственно равны 1,083*1021м3 и 5,1*1014 м2, длина окружности меридиана составляет 40 008,548 км, радиус шара такого же объема равен 6371,200 км. Экваториальное сжатие

aэ= (аэ — a1)/aэ= 1/30 000. В СССР этот эллипсоид принят с 1946 г. для заданий системы координат и обработки геодезических измерений. Он носит название эллипсоида Красовского в честь выдающегося советского ученого. В последнее время на основу анализа движений ИСЗ, запущенных по полярным орбитам, найдено, что коэффициент k в формуле (2) равен 0,966. В соответствии с этим полярное сжатие Земли равно 1/298,25. Этим значением и предпочитают теперь пользоваться. Характерно, что результаты геодезических измерений практически не противоречат значению α, полученному по

спутниковым данным, однако, результаты геодезических измерений систематически смещены от этого значения в одну сторону.

На основе многочисленных измерений Международный астрономический союз в 1964 г. принял следующие значения элементов двухосного земного эллипсоида: экваториальная полуось 6378,160 км, полярная полуось 6356,780 км и сжатие 1 : 298,25.

Данные ИСЗ и наземные измерения показывают также, что Южное полушарие Земли более сжато, чем Северное. При этом земной трехосный эллипсоид по форме ближе подходит к сердцевидной фигуре — кардиоиду — с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью на Северном.

Форма Земли не остается постоянной. Она изменяется под влиянием внешних и внутренних факторов. Основными из них являются изменения геометрических размеров, массы и скорости вращения Земли, а также внутреннего ее строения. Точная оценка

вклада каждого из этих факторов в изменение формы Земли представляет собой очень сложную проблему. Однако направленность изменения полярного сжатия может быть оценена уже сейчас.

Под влиянием приливного торможения Земли в системах Земля—Луна и Земля—Солнце полярное сжатие земного сфероида α убывает. На это, так называемое вековое, уменьшение α накладываются пульсационные колебания, обусловленные неустойчивостью внутренних слоев нашей планеты. Характерно, что скорость изменения α в Северном и Южном полушариях неодинакова: в ходе векового уменьшения α Северное полушарие опережает Южное. Причиной этого является асимметричность сил вращения Земли, возникающая вследствие несимметричности Северного и Южного полушарий (рис. 2).

 

 

 

 

 

Северное полушарие    Южное полушарие

 

 

Рис.2 Различия Северного и Южного полушария

 

Несимметричность полушарий выражается в том, что в Северном по площади преобладают материки, в Южном — океаны, на Южном полюсе находится материк, на Северном — океан. Также различны геологическая история и состав вещества верхних слоев твердого тела Земли обоих полушарий. Указанная несимметричность тормозит сжатие Северного полушария и ускоряет сжатие Южного. Поэтому общее объемное сжатие Южного полушария  по данным советского ученого Г. Н. Каттерфельда (1962 г.), происходит быстрее, чем Северного, причем полярное сжатие Южного полушария растет по сравнению со сжатием Северного, в результате возникает полярная асимметрия формы Земли.

Если бы весь земной шар был покрыт неглубоким морем, то форма поверхности Земли полностью определялась бы гидростатическим равновесием воды под действием силы тяжести и сил, возникающих из-за вращения Земли. Получающаяся при этом эквипотенциальная поверхность* носит название геоида (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Геоид

 

* Эквипотенциальная поверхность — поверхность, во всех точках которой -

гравитационный потенциал постоянен

 

 

Под такой поверхностью понимается уровенная поверхность, совпадающая со средним уровнем Мирового океана и мысленно продолженная под материки. Все тела, находящиеся на этой поверхности, обладают одинаковой потенциальной энергией, то есть не могут быть смещены относительно друг друга под действием силы тяжести. Поверхность геоида всюду перпендикулярна к направлению силы тяжести.

Рельеф поверхности материков (горные хребты, котловины и т. д.), как и сами материки, создает заметное отклонение реальной земной поверхности от геоида. Не в меньшей мере этому способствует неравномерное распределение твердых масс в теле

Земли. Реальная поверхность суши отклоняется от поверхности геоида вверх до 8848 м (гора Эверест в Гималаях), вниз — до 11 022 м (Маpианский желоб в Тихом океане). В итоге форма геоида отличается от эллипсоида вращения, обычно принимаемого в геофизике за истинную форму Земли.

Поверхность геоида достаточно сложная и обычно всюду выпуклая в соответствии с выпуклостью поверхности Мирового океана. Она редко выступает над поверхностью сфероида. Так, на экваторе отклонения геоида от сфероида обычно составляют не более ±100 м и лишь в отдельных случаях +125 и —140 м. Действительная поверхность Земли имеет весьма неправильную форму. Поэтому в последнее время делаются попытки определить размеры общего земного эллипсоида, т. е. такого, центр которого совпадает с центром инерции Земли, ось — с осью вращения, а сумма квадратов отклонений точек поверхности от геоида минимальна. В этом смысле важнейшая роль принадлежит многоплановым измерениям с помощью ИСЗ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение

 

Рис.4 Отклонение оси вращения Земли от оси, перпендикулярной орбите.

 

 

 Галактика вращается  вокруг своей оси с неодинаковой угловой скоростью в различных точках системы: скорость возрастает по мере удаления от ядра системы к ее периферии. Полный оборот на расстоянии Солнца от ядра, Галактика совершает как

минимум за 180 млн. лет, вращаясь со скоростью около 25*104 м/с. Галактика постоянно поступательно движется в направлении созвездия Единорога со скоростью около 21*104 м/с. В этих движениях вместе с Солнцем участвует Земля как составная часть Солнечной системы.

На бесконечно большом расстоянии от Солнца находится «мир неподвижных звезд». Этот «мир неподвижных звезд» удобно принять за систему отсчета и относительно нее рассматpивать движение тел Солнечной системы.

Солнце и обращающиеся вокруг него небесные тела составляют Солнечную систему, которая состоит из центральной звезды — Солнца, девяти больших планет и множества малых (астероидов), а также комет, метеорных тел, межпланетного газа. Большие планеты — это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон; ученые не исключают того, что есть планета, расположенная еще дальше от Солнца, чем Плутон. Тела, входящие в Солнечную систему, могут обращаться не только непосредственно вокруг Солнца, но и вокруг планет — это спутники планет; они движутся вокруг Солнца вместе со своими планетами. Орбиты планет, движущихся вокруг Солнца, называются околосолнечными орбитами. Околосолнечная орбита - путь естественного или искусственного тела обращающегося вокруг Солнца.

Принято считать, что Земля совершает в пределах Солнечной системы одновременно два движения: обращается вокруг Солнца с периодом, равным году, и вращается вокруг своей оси, делая один оборот в сутки. Луна же обращается вокруг Земли, то есть движется по околоземной орбите (один оборот пpимеpно за месяц). Околоземная орбита - путь естественного или искусственного тела обращающегося вокруг Земли.