Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

мосі. Радіус Сонця становить 696 • 10' км або 109 радіусів Землі,

маса — 1,99 • 10

г або 332 • Ю

мас Землі, середня щільність —

1,41 г/см

або 0,256 середньої щільності Землі. Сила гравітації на

поверхні Сонця у 28 разів перевищує силу гравітації на поверхні

Землі.

Сонце — це величезна розпечена газова куля, що обертає-

ться в тому самому напрямку, що й Земля. Обертання Сонця

нерівномірне — на екваторі воно значно швидше, ніж бшя по-

люсів. Період обертання Сонця біля екватора становить близь-

ко 25 діб, біля полюсів — 33 доби. Однією з особливостей Со-

нця є наявність на його поверхні плям. Сонячні плями —- це

вихід потужних «джгутів» — трубок магнітних силових ліній. На-

пруженість магнітного поля у великих плямах досягає 240 кА/'м.

Більшість великих сонячних плям біполярна. В утворенні і

розміщенні плям на Сонці спостерігається 11-річний цикл, піс-

ля чого полярність плям у різних півкулях змінюється на зво-

ротну. Повний цикл плямоутворення на Сонці становить 22

роки. Згідно із справедливим зауваженням І.Д. Зосимовича

[73], існування зв'язку між процесами на Сонці та явищами на

Землі стало очевидним після того, як було встановлено, що у

варіаціях земного магнітного поля виявляється та сама цикліч-

ність, що й у числі сонячних плям.

Поряд із магнітним полем сонячних плям, Сонце, очевидно,

має також дипольну компоненту, зумовлену її загальним обер-

танням. Проте індукція його невелика і навряд чи перевищує де-

кілька одиниць 10

Тл в районі полюсів. Спостережуване випро-

мінювання Сонця виникає у відносно тонкому (порядку 700 км)

зовнішньому шарі, що називається фотосферою. Його ефективна

температура досягає порядку 6000 К. Температура всередині Сон-

ця перевищує 10

К.

Крім спокійного світіння на Сонці спостерігаються окремі

спалахи. Вважають [241], що це «розряди», зумовлені змінними

полями на ділянках сонячних плям. Сонячну радіацію загалом

умовно можна розділити на два типи: електромагнітні хвилі і за-

ряджені частинки. Електромагнітні хвилі — це ультрафіолетове

випромінювання, видиме світло і радіохвилі. Заряджені частинки

утворюють так званий сонячний вітер, швидкість якого поблизу

Землі досягає 400 км/с за концентрації' частинок 1 ... 10 прото-

нів/см

. Потоки плазми сонячного вігру захоплюють за собою у

міжпланетний простір і сонячні магнітні поля. Індукція цих полів

поблизу орбіти Землі становить близько 5 нТл.

Загальна кількість енергії, яку випромінює Сонце за 1 с, ста-

новить 3,86 • 10

Дж. На частку Землі припадає одна двохміль-

йонна її частина. І все ж за рік Земля отримує 6,1 • 10

Дж, а за

галактичний рік — 1,22 • 10

Дж. Цієї енергії цілком достатньо

для забезпечення перебігу будь-яких тектонічних явищ на Землі.

Планети Сонячної системи. Планети Сонячної системи прийнято

поділяти на внутрішні — Меркурій, Венера, Земля, Марс і зовнішні

— Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун, Плугон. Для внутрішніх планет

характерні порівняно невеликі діаметр і стиснення; для зовнішніх, за

винятком Плутона, геометричні розміри і стиснення — великі.

У табл. 1 наведено основні параметри перелічених вище пла-

нет. Стосовно інших їхніх характеристик, зокрема магнітних по-

лів, додамо таке [180].

Меркурій. Очевидно має дипольне магнітне поле, силові

лінії якого спрямовані приблизно вздовж осі обертання планети.

Індукція поля на поверхні планети перебуває в межах 350—700 нТл,

що становить 1 % напруженості магнітного поля на поверхні Зем-

лі. Полярність магнітного поля Меркурію збігається з полярністю

магнітного поля Землі.

Венера. Магнітне поле, якщо й існує, то принаймні в 10"

слабкіше за земне. Пояснюють це малою швидкістю її обертання.

Для Венери характерна щільна атмосфера, спостережувані верхні

шари якої зазнають глобального обертання в напрямку, протиле-

жному обертанню планети з періодом порядку 4 діб. Природа

цього явища поки що не з'ясована.

Марс. Має магнітне поле, індукція якого на екваторі дося-

гає ~64 нТл. Полярність обернена до земної. Кут між віссю дипо-

ля і віссю обертання ~15°. Вісь обертання Марса на відміну від

земної змінює кут свого нахилу на ~20° з періодом 10' і 10

років.

Однією з особливостей Марса є наявність потужних пилових бур,

ідо мають планетарний характер. Щоб утворилася пилова буря,

швидкість впру біля поверхні повинна перевищували 150 км/год.

Юпіл ер. Магнітне поле дипольне, полярність обернена до

земної Вісь диполя нахилена до осі обертання на 10°,8 і змі-

щена від центра планети на відстань 700 км. Індукція магніт-

ного поля у верхній частині хмарового шару змінюється від

3-10

до 14-10

Тл. Поблизу поверхні планети поле складні-

шає: з'являються квадрупольні й октопольні компоненти. Осо-

бливістю Юпітера є нерівномірність обертання окремих його

частин: поблизу екватора «деталі» обертаються з періодом 9

год 50 хв 30 с, а у високих широтах — 9 год 55 хв 41 с. Такс

розходження пояснюють великомасштабними змінами юпітері-

анських вітрів.

ОС 00

ІУП ТГ

1 1

•ч-

ЧО

О*!

о"

—<

о о

о"

<"0

^ о

"І о

,-г

о,

гм

•ч-

гч

у'

о"

о-

С'

"З,

«2

'й

ь-.

ІС

сі

'е?

£>

га

го

о.

е;

1.3. Основні параметри і ротаційний режим

системи Земля — Місяць

Земля. Землю га її супутник Місяць можна розглядати як

подвійну планету, що обертається навколо спільного центра. Ни-

жче наведено їхні основні параметри [28, 180, 182].

Маса Землі - 5,976-10

г, об'єм — !,08 3-10

см

. Реальна

форма Землі дуже складна. В першому наближенні її можна вва-

жати еліпсоїдом обертання (рис. 2). Екваторіальний радіус зем-

ного еліпсоїда а. = 6,378160-Ю

км, полярний радіус а, =

= 6,356778-10

км, радіус рівновеликої кулі а = 6,371023-10

км.

Стиснення земного еліпсоїда е = {а

— а^/ау = 0,00335292 =

= (298,247)--'.

Рівняння земного еліпсоїда можна записати у вигляді

де г і ф

—-

полярні координати точок земного еліпсоїда.

Як наступне наближення до реальної форми Землі приймають

геоїд. Геоїд — це одна з рівневих поверхонь гравітаційного потен-

ціалу Землі, що збігається з незбуреною поверхнею морів і океа-

нів, продовжену під континенти. Ця поверхня найближче збігаєть-

ся з земним еліпсоїдом, відхиляючись від нього не більше, ніж на

120 м. У геодезичній практиці геоїд використовується для від-

творення справжньої поверхні Землі.

Геоїд звичайно характеризується відхиленнями від земного

еліпсоїда (референц-еліпсоїда). їх можна визначити декількома

г = а

{

( \ — є5Іп

ф)

(1)

способами: 1) за аномалі-

ями гравітаційного поля

(буде розглянуто нижче);

2) шляхом вивчення особ-

ливостей траєкторій руху

штучних супутників Зем-

лі; 3) на морях і в океанах

прямим вимірюванням від-

станей за допомогою лазе-

рного альтиметра, вста-

ношіеного на штучному

супутнику Землі з відо-

мою орбітою.

На рис. З наведено

схему однієї з карт висот

О,

геоїда, отриману другим способом, на рис. 4, а, б — викопіюван-

ня з карт висот геоїда однієї і тієї самої ділянки Землі, отримані

відповідно другим і третім способами. Із зіставлення рис. 4, а і 4, б

досить наочно видно вищу точність відхилення геоїда третім спо-

собом.

З інших параметрів Землі назвемо геоцентричну гравітаційну

сталу і моменти інерції. Геоцентрична гравітаційна стада є добут-

ком гравітаційної сталої / на масу Землі з атмосферою т:

/от = (3,98603 ± 0,00003)-10

/с

Моменти інерції: екваторіальний А = 8,042-10

гем

; поляр-

ний С = 8,068 10

г ем

; середній /= %(2А + С).

Моменти інерції необхідні для вивчення внутрішньої будови

Землі.

Ротаційний режим Землі. Розглянемо чотири параметри рота-

ційного режиму Землі: прецесію і нутацію земної осі обертання,

зміну положення осі обертання (полюсів) відносно земної повер-

хні та зміну кутової швидкості обертання Землі ш.

Внаслідок стиснення фігури Землі і притягання Сонця й Мі-

сяця земна вісь з періодом близько 26-10

років описує конус, кут

піврозхилу якого дорівнює 23°,5. Це явище називають прецесією

земної осі. Прецесія визначається величиною Н = (С

—

А)/С, що

дістала назву динамічного стиснення (стала прецесії). Із спостере-

жень і відповідної динамічної теорії випливає, що Н = 0,003273.

Якби Земля була однорідною, то її динамічне стиснення відпові-

дало б істинному — є. Для реальної Землі Н

—

0,976»:. що свідчить

про наявність у ній щільного ядра. На рівномірний прецесійний

рух осі обертання Землі накладаються невеликі її коливання від-

носно середнього положення, що називаються нутацією. Нутація

земної осі складається з рухів з різними періодами, максимальний

з яких дорівнює 18,6 року. Максимальне відхилення земної осі

від середнього положення досягає 9",21.

Ретельними астрономічними спостереженнями доведено, що

положення осі обертання (полюсів) відносно поверхні Землі

не залишається незмінним. Щорічно полюси описують навколо

деяких центрів еліптичні, близькі до калових, траєкторії з колоріч-

ним періодом (1,0 і 1,2 роки) і середнім радіусом порядку 0",2.

На рис. 5, а наведено траєкторію Північного полюса обертан-

ня за три роки, а на рис. 5, б — крива переміщення річних цент-

рів Північного полюса за 66 років, отримані шляхом ковзного

Рис. 5. Астрономічні дані про переміщення полюсів за Є.П. Федоровим та ін.:

—

траєкторія Північного географічного полюса з 1950 по 1953 р.; б

—

траєкторія річних цент-

рів Північного полюса з 1900 по 1966 р.

осереднення за 6-річними інтервалами. Ця крива свідчить про

наявність регіональної складової переміщення полюсів по повер-

хні Землі з середньою швидкістю порядку 10 см/рік. Привертає

увагу складний вигляд кривої з петлеподібними ділянками.

З наведених даних випливає, що траєкторія руху полюса за

останнє століття мала вигляд складної кривої, що складається з

регіональної частини, яка монотонно змінюється, з накладеними

на неї циклічними складовими різних порядків з періодами від

одного року до кількох десятків років.

Останнім часом вдалося встановити величину коливання ши-

роти (зміну положення полюсів) і відповідну їй вільну нутацію

земної осі з колодобовим періодом [85]. Отже, в разі аналізу будь-

яких відносних переміщень на поверхні Землі, що виконуються в

кутових відстанях, цей факт слід враховувати.

Розглянемо дані про нерівномірність обертання Зем-

лі. За сучасними уявленнями, відхилення кутової швидкості від

середнього значення складається з таких компонентів: 1) вікові

варіації; 2) нерегулярні зміни; 3) періодичні коливання, які умов-

но можна розділити на довгоперіодні (періоди понад рік), сезонні

і короткоперіодні.

Вікові варіації кутової швидкості обертання Землі встановлю-

ються астрономічними методами шляхом вивчення ефемерид

Сонця, Місяця і планет, а останнім часом — за допомогою пале-

онтологічного методу [66]. Зокрема, відносне збільшення трива-

лості доби за 1 млн років (в 10~

), отримане за астрономічними

даними (екстраполяція) — 2,155 ± 0,214, а за даними палеонтоло-

гії - 2,150 ± 0,097.

На рис. 6, а наведено графіки зміни кутової швидкості обер-

тання Землі протягом фанерозою, вираженої числом діб в астро-

номічному році. Привертає увагу досить добра збіжність даних,

отриманих різними способами. Вони свідчать про систематичне

сповільнення обертання нашої планети. Проте це сповільнення

відбувається не лінійно, а порушується періодичними і нерегуляр-

ними коливаннями кутової швидкості, уявлення про які можна

отримати з графіків, наведених на рис. 6, б, в. Аналіз результатів

інструментальних вимірювань дає змогу зробити висновок про

наявність у цих порушеннях досить чітко вираженої компоненти

з річним періодом [144]. Графік зміни цієї компоненти наведений

на рис. 6,г.

Місяць і припливи на Землі. Параметри Місяця: маса —

7,35-Ю

г, середній радіус — 1,738-10

км, середня щільність —

3,34 г/см\ період обертання (сидеричний місяць) — 27,321661 до-

би. Місяць обертається навколо Землі по еліптичній орбіті, вели-

ка піввісь якої дорівнює 384,4-Ю

км, а мала — на 21-10

км мен-

ша. Площина орбіти Місяця нахилена до екліптики на кут 5°,9.

Характерною особливістю орбіти Місяця є безперервна зміна її

основних характеристик (півосей еліпса і кута нахилу площини

місячної орбіти до екліптики), що відбувається під дією збурень,

зумовлених притяганням Сонця та інших планет, а також відхи-

ленням форм Землі і Місяця від сферичної. Все це спричинює

зміни умов взаємодії Землі і Місяця.

Під впливом місячного притягання у Землі виникають своєрід-

ні п р и п л и в и , що виявляються у вигляді підіймань і супровід-

них опускань земної поверхні на материках або водної поверхні в

акваторіях морів і океанів, що хвилеподібно переміщуються по

поверхні Землі вслід за рухом Місяця (рис. 7, а). Складність трає-

кторії Місяця зумовлює також складний характер припливних

рухів у земній корі. їх можна уявити як такі, що складаються з

сукупності хвиль з періодами, починаючи від часток доби і закін-

чуючи багаторічними. Найчіткіше виявляються хвилі з півдобови-

ми, добовими і двотижневими періодами. Згідно з теоретичними

розрахунками, для Землі, що має властивості ідеальної рідини

[120], під впливом місячного притягання рівнева поверхня Землі

(геоїд) могла б підійнятися максимум на 35,6 см, а опуститися —

максимум на 17,8 см, тобто діапазон коливань міг би досягти

53,4 см. На місячні припливні деформації' геоїда накладаються

аналогічні сонячні, діапазон зміни яких дещо менший. Він ста-