Орленок В.В. Основы геофизики

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

Планета Земля, как и вся Солнечная система, является прежде все-

го физическим объектом. Окружающее Землю космическое простран-

ство пронизано веществом и энергией – солнечным и космическим из-

лучением, гравитационными и электромагнитными полями.

Открытая космосу поверхность планеты вместе с покрывающей ее

пленкой живого вещества испытывают постоянное воздействие этих

внешних и собственных внутрипланетарных сил.

Мир вокруг нас – это мир физических объектов и явлений, разно-

образных масс и продуцируемых ими физических полей.

Ядра, атомы, молекулы – это элементы вещества. Их объединения

создают макротела от небольших размеров – метеоритов, комет, асте-

роидов до гигантских образований – планет, звезд и их ассоциаций.

Наблюдаемое многообразие масс существует благодаря энергети-

ческим полям взаимодействия между микрочастицами вещества и ме-

жду макрообъектами (астрономическими массами). Если бы такого

взаимодействия не существовало, то мир вокруг нас пребывал бы в

рассыпанном на элементы состоянии.

Таким образом, чтобы понять природу планеты Земля, других

объектов и физических полей окружающего ее космического про-

странства, необходимо изучить физику процессов и явлений, лежа-

щих в основе эволюции первичного планетного вещества (прото-

вещества).

Однако современные учебные программы многих географиче-

ских (впрочем, как и геологических) факультетов России и СНГ не

содержат такого курса. Вводный курс «Землеведение» не восполняет

этот пробел, так как по-прежнему традиционно строится как изложе-

ние суммы знаний частных дисциплин географии (геоморфологии,

гидрологии, метеорологии, океанологии, биологии, элементов геоло-

гии и др.). Мир Земли как элемент целостной планетарной системы

постигается студентами по частям, вне связи с процессами и явле-

ниями внутрипланетарного и космического масштаба. Это невольно

делает географическое образование геоцентрическим, замкнутым ис-

ключительно на внутриземные проблемы, практически без учета вне-

земных факторов воздействия на различные компоненты географиче-

ской среды. Назрела необходимость создания курса, знакомящего

студентов-географов с фундаментальными основами физики Земли и

окружающего космоса.

Около 10 лет назад автором было издано учебное пособие «Фи-

зика Земли, планет и звезд» (Орлёнок, 1991). За прошедшие годы

появилось немало новых данных в этой области знаний. Кроме того,

работая со студентами и обсуждая образовательные программы в

научно-методическом совете по высшему географическому образо-

ванию с коллегами, автор укрепился в мысли, что необходимо рас-

ширить и углубить названное учебное пособие и переиздать его под

названием «Основы геофизики», соответствующему профессиональ-

ному блоку образовательного стандарта по специальности «Геогра-

фия».

Это фундаментальный курс, в котором раскрывается физическая

картина мира Земли и окружающего космического пространства, по-

зволяющая понять особенности эволюции геосфер и их взаимодейст-

вие с внеземными процессами и явлениями. Курс следует вводить на

5-м или 6-м семестрах после того, как студентами будут усвоены

дисциплины: землеведение, физика, химия, высшая математика, гео-

логия, геоморфология, гидрология и др. Без этого, как показывает

многолетний опыт преподавания курса в Калининградском государ-

ственном университете, многое в «Основах геофизики» воспринима-

ется студентами с трудом или остается за пределами понимая вооб-

ще.

Читаемый на некоторых геологических факультетах курс «Разве-

дочная геофизика» не является адекватным «Основам геофизики». Он

является, по существу, одним из направлений общей геофизики, разви-

ваемых в применении к решению практических задач изучения строе-

ния земной коры, поиска и разведки полезных ископаемых с помощью

физических полей.

Многие разделы учебного пособия были разработаны автором и

впервые введены в научное обращение в последние 10 – 15 лет.

Сюда относятся разработка концепции океанизации Земли, теория

холодной контракции планеты, выделение и обоснование планетарного

и звездного путей эволюции протовещества, новые доказательства

геофизического сходства континентальных и океанических структур

земной коры, критический анализ геофизического фундамента неомо-

билизма, история гравитационного взаимодействия системы Земля –

Луна и многое другое.

Автор надеется, что с изданием учебного пособия «Основы геофи-

зики» эта важная для географов фундаментальная дисциплина утвер-

дится в учебных программах многих географических и геологических

факультетов России и СНГ.

В. В. Орлёнок, доктор

геолого-минералогических наук,

профессор

ЧАСТЬ I

Глава I. СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

§1. Планеты и законы их обращения

Солнечная система включает девять крупных планет, которые со

своими 57 спутниками обращаются вокруг массивной звезды по эл-

липтическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты

можно разделить на две группы – планеты земной группы, располо-

женные ближе к Солнцу, – Меркурий, Венера, Земля и Марс и плане-

ты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, находящиеся на значи-

тельно более удаленных орбитах от центральной звезды. Последняя из

известных планет Плутон своей орбитой с радиусом около 6 млрд. км

очерчивает границы Солнечной системы. Плутон не относится к пла-

нетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли.

Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рас-

сматривать ее как бывший спутник Нептуна.

Кроме больших планет между орбитами Марса и Юпитера враща-

ется более 2300 малых планет – астероидов, множество более мелких

тел – метеоритов и метеорной пыли, а также несколько десятков тысяч

комет, двигающихся по сильно вытянутым орбитам, некоторые из ко-

торых далеко выходят за границы Солнечной системы.

Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в направле-

нии движения Земли – с запада на восток. Это так называемое прямое

движение. Основные закономерности движения планет полностью оп-

ределяются законами Кеплера. Рассмотрим эти законы и охарактеризу-

ем основные элементы эллиптических орбит.

Согласно первому закону, все планеты обращаются вокруг Солнца

по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится

Солнце. На рис. 2 показаны элементы планетных орбит с Солнцем (С)

в фокусе. Линия АП называется линией апсид, крайние точки которой

афелий (А) и перигелий (П) характеризуют наибольшее и наименьшее

удаление от Солнца. Расстояние планет (Р) на орбите от Солнца (гели-

оцентрическое расстояние) определяется радиусом-вектором r = СР.

Отношение полуфокального расстояния (с) к большой полуоси (а) на-

зывается эксцентриситетом орбиты:

Рис. 1. Солнечная система

e =

. (I.1)

Если обозначить через q перигельное

расстояние, а через

Q афелийное рас-

стояние, то их значения легко определить

из выражений:

qaca e

−

()1 ; (I.2)

Qaca a

()1 . (I.3)

Тогда, определив большую полуось (а),

мы найдем среднее годичное расстояние

планеты до Солнца:

. (I.4)

Рис. 2. Элементы планетной

орбиты: АП – большая

полуось орбиты, ось апсид;

П – перигелий; А – афелий;

r – радиус вектор

Cреднее гелиоцентрическое расстоя-

ние Земли от Солнца равно 149,6 млн. км.

Эта величина называется астрономиче-

ской единицей и принимается за единицу

измерений расстояний в пределах Сол-

нечной системы.

Согласно второму закону Кеплера ра-

диус-вектор планеты описывает площади,

прямо пропорциональные промежуткам

времени. Если обозначить через S

пло-

щадь перигелийного сектора (рис. 3), а

через S

– площадь афелийного сектора,

то их отношение будет пропорционально

временам

∆t

и ∆t

, за которые планета

прошла соответствующие отрезки дуг орбиты:

∆

. (I.5)

Отсюда следует, что секториальная скорость

const===

∆∆

(I.6)

величина постоянная.

Время, в течение которого планета сделает полный оборот по ор-

бите, называется звездным, или сидерическим периодом Т (рис. 3). За

полный оборот радиус-вектор планеты опишет площадь эллипса:

Saba e== −

ππ

1 . (I.7)

Поэтому секториальная скорость

−

(I.8)

оказывается наибольшей в перигелии, а наименьшей – в афелии. Испо-

льзуя второй закон, можно вычислить эксцентриситет земной орбиты по

наибольшему и наименьшему суточному смещению Солнца по эклип-

тике, отражающему движение Земли (см. §4). Земля в перигелии пре-

бывает в начале января (h

max

= 61'), а в афелии в начале июля (h

max

= 57').

По второму закону Кеплера скорость Земли в афелии и перигелии оп-

ределяется из выражений:

Рис. 3. Площади, описывае-

мые радиус-вектором планеты

VhQ

min

; Vhq

max

. (I.9)

Учитывая закон сохранения момента количества движения

Vq V Q

(I.10)

и подставив сюда значения (I.9) с учетом выражений (I.2) и (I.3), най-

дем:

1 03397

−

===

max

min

, откуда е = 0,0167.

Таким образом, орбита Земли лишь ненамного отличается от ок-

ружности.

Согласно третьему закону Кеплера, квадраты сидерических перио-

дов обращения планет (Т

и Т

) прямо пропорциональны кубам их

средних расстояний от Солнца (а

и а

= . (I.11)

Если одна из планет, к примеру, Земля, и период ее сидерического об-

ращения Т

и расстояние от Солнца а

положить равным единице, т.е.

= 1 а. е., Т

= 1 году, то выражение (I.11) принимает простой вид:

= . (1.12)

Полученное выражение позволяет, по известным из наблюдений пе-

риодам обращения планет, других небесных тел вокруг Солнца, вы-

числять их средние гелиоцентрические расстояния.

Найденные эмпирически из наблюдательной астрономии законы

Кеплера показали, что Солнечная система представляет собой механи-

ческую систему с центром, находящимся в солнечной массе.

Законы Кеплера послужили Ньютону основой для вывода своего

знаменитого закона всемирного тяготения, который он сформулировал

так: каждые две материальные частицы взаимно притягиваются с си-

лой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квад-

рату расстояния между ними.

Математическая формулировка этого закона имеет вид:

, (I.13)

где M и m – взаимодействующие массы, r – расстояние между ними; G

– гравитационная постоянная. В системе СИ G = 6,672

·10

-11

·кг

-1

·с

-2

Физический смысл гравитационной постоянной заключается в сле-

дующем: она характеризует силу притяжения двух масс весом в 1 кг

каждая на расстоянии в 1 м. Величина G впервые была определена в

1798 г. английским физиком Кавендишем с помощью крутильных ве-

сов.

Закон Ньютона решил задачу о характере действия силы, управ-

ляющей движением планет. Это сила тяготения, создаваемая централь-

ной массой Солнца. Именно эта сила не дает планетам разлететься, а

сохраняет их в связной системе последовательных орбит, по которым

как на привязи сотни миллионов лет кружатся большие и малые плане-

ты.

Решая задачу движения двух тел под действием взаимного притя-

жения Ньютон аналитически определил законы движения планет в по-

ле тяготения Солнца. Тем самым эмпирические законы Кеплера полу-

чили строгое математическое доказательство. Третий же закон был

уточнен за счет введения масс планет и Солнца:

(

)

()

TM m

= . (I.14)

Теперь с его помощью оказалось возможным вычислять массы

небесных тел. Полагая в выражении (I.14) массы спутников планет m

и m

равными нулю, ввиду их малости в сравнении с массой планет (за

исключением Луны) и приняв массу Земли M

= 1, соотношение (I.14)

примет вид:

= . (I.15)

Воспользуемся законом тяготения и определим массу Земли, полагая,

что взаимодействуют две массы – Земли (М) и некоторого тела, лежа-

щего на ее поверхности. Сила притяжения этого тела определяется за-

коном Ньютона:

. (I.16)

Но одновременно из второго закона механики эта же сила равна произ-

ведению массы на ускорение:

, (I.17)

где

g – ускорение силы тяжести; R – радиус Земли.

Приравнивая правые части выражений (I.16) и (I.17):

= ,

найдем выражение для определения массы Земли:

. (I.18)

Подставив в (I.18) известные значения

G = 6,672·10

-11

·кг

-1

·с

-2

g = 9,81 м/с

, R = 6,371·10

м, в итоге получим M

= 5,97·10

кг, или в

граммах:

= 5,97·10

г. Такова масса Земли. Обращаем внимание на

формулы (I.16), (I.17), (I.18) – их надо твердо помнить. В дальнейшем

мы часто будем пользоваться ими как исходными для определения

входящих в них параметров.

Теперь воспользуемся уточненным третьим законом Кеплера и

найдем из выражения (I.15) массу Солнца. Для этого рассмотрим две

системы тел – Солнце с Землей и Землю с Луной. В первой системе

= 149,6·10

км, Т

= 365,26 суток; во второй системе а

= 384,4·10

км,

= 27,32 суток. Подставляя эти значения в формулу (I.15), находим

массу Солнца в относительных единицах массы Земли

=328700 М

Полученный результат отличается от более точных расчетов, так как в

сравнении с массой Земли массу Луны нельзя приравнивать нулю

(масса Луны составляет

массы Земли). Зная массу Земли в абсо-

лютных единицах (килограммах или граммах) и взяв более точное оп-

ределение массы Солнца (

= 333000 М

), определим его абсолютную

массу:

= 333000·5,97·10

г = 1,98·10

г.

В настоящее время для более точного определения массы и фигу-

ры планет и их спутников используются параметры орбиты искусст-

венных спутников, запускаемых с Земли.

Дальше мы увидим, что закон тяготения Ньютона объясняет не

только движение системы планет и других космических объектов в

Солнечной системе, но и лежит в основе понимания процессов, проис-

ходящих внутри самих астрономических масс.

§2. Орбитальные характеристики планет

Физические условия на поверхности каждой из девяти планет все-

цело определяются их положением на орбите относительно Солнца.

Ближайшие к светилу четыре планеты – Меркурий, Венера, Земля и

Марс – имеют сравнительно небольшие массы, заметное сходство в

составе слагающего их вещества и получают большое количество сол-

нечного тепла, ощутимо влияющего на температуру поверхности пла-

нет. Две из них – Венера и Земля – имеют плотную атмосферу, Мерку-

рий и Марс атмосферы практически не имеют.

Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун значительно

удалены от Солнца, имеют гигантские массы и плотную мощную ат-

мосферу. Все они отличаются высокой осевой скоростью вращения.

Солнечное тепло почти не достигает этих планет. На Юпитере оно со-

ставляет 0,018

·10

Вт/м

, на Нептуне – 0,008·10

Вт/м

Все планеты, за исключением Меркурия и Венеры, имеют спутни-

ки, общее число известных на сегодняшний день достигает 57. Наи-

большее количество спутников имеют Юпитер – 16, Сатурн – 17 и

Уран – 15. Остальные планеты имеют один – два спутника.

Большая часть массы вещества Солнечной системы сосредоточена

в самом Солнце – более 99%. На долю планет приходится менее 1%

общей массы. Остальное вещество рассеяно в астероидах, кометах, ме-

теоритах, метеорной и космической пыли.

Все планеты имеют сравнительно небольшие размеры и в сравне-

нии с расстояниями между ними их можно представлять в виде мате-

риальной точки. Из курса физики известно, что произведение массы

тела на его скорость называется импульсом:

, (I.19)

а произведение радиуса-вектора на импульс – моментом импульса:

LrPrm

. (I.20)

Из приведенного выражения видно, что скорость

V движения пла-

неты по эллиптической орбите меняется вместе с изменением радиуса-

вектора

r. При этом на основании второго закона Кеплера имеет место

сохранение моментов импульса:

rmV rmV

11 2 2

. (I.21)

Из (I.21) видно, что при увеличении

скорость V

должна уменьшать-

ся, и наоборот (масса

т планеты неизменна). Если выразить линейную

скорость

V через угловую скорость