Сила тяжести, плотность, давление

На Земле постоянно действуют, такие физические свойства Земли как: сила притяжения и центробежная сила; равнодействующая этих сил определяет силу тяжесть. Сила тяжести закономерно меняется (в общем в малых размерах) как по горизонтали, увеличиваясь от экватора к полюсам, так и по вертикали, уменьшаясь с высотой.

В связи с неравномерным распределением вещества в земной коре действительное значение силы тяжести отклоняется он нормальной (то есть теоретически вычисленной). Эти отклонения получили название аномалий силы тяжести они бывают:

1. положительными (при наличии на данной площади более плотных толщ горных пород).
2. отрицательными (когда распространены менее плотные толщи горных пород).

Изучение аномалий сил тяжести ведется с помощью особых приборов — гравиметров; полученные данные способствуют выявлению в недрах полезных ископаемых. Отрасль прикладной геофизики, занимающаяся изучением аномалий силы тяжести с целью выявления в недрах полезных ископаемых или благоприятных геологических структур, называется гравиразведкой. Гравиметры можно устанавливать на самолётах, спутниках, космических кораблях, орбитальных станциях. Изучение силы тяжести позволило определить среднюю плотность Земли — 5,52 г/cм³. Плотность пород, слагающих земную кору, от 1,5 до 3,3 г/см3. Средняя плотность земной коры 2,7 — 2,8 г/см³. Различие между средней плотностью Земли в целом и земной коры указывается на более плотное состояние вещества во внутренних частях Земли. Одновременно с увеличением плотности в направлении к центру Земли возрастает и давление. В центре Земли давление достигает огромной величины — около 3,5⋅10¹¹ Па. С глубиной, вследствие увеличения давления, а также перестройки структуры вещества, плотность возрастает обычно скачкообразно, особенно на границах отдельных геосфер (то есть отдельных, слагающих Землю, оболочек).

Магнетизм Земли

Магнитными свойствами обладают не только отдельные минералы, но и Земля в целом. Земля — это гигантский магнит с магнитным силовым полем вокруг. Как всякий магнит, Земля имеет магнитные полюса, которые, однако, не совпадают с географическими полюсами. Ввиду несовпадения магнитных и географических полюсов, в показаниях магнитной стрелки компаса различают магнитное склонение и магнитное наклонение.

1. Магнитное склонение определяется углом, образуемым направлением магнитной стрелки компаса, установившейся по направлению магнитной силовой линии, и географическим меридианом в данной точке наблюдения. Этот угол будет наибольшим на географических полюсах (90°) и наименьшим на экваторе (3 — 4°). В средних широтах величина угла составляет 7 — 8°. Склонение различают западное и восточное.
2. Магнитное наклонение определяется углом, образуемым наклоном магнитной стрелки компаса к горизонту. По мере приближения к магнитному полюсу магнитная стрелка всё более и более наклоняется и на магнитных полюсах стремится занять вертикальное положение. В связи с наличием магнитных полюсов различают меридианы, магнитный экватор. Проявлением магнитных свойств Земли является напряженность геомагнитного поля, величина которого в общем небольшая; она измеряется в амперах на метр (А/м) или эрстедах (1 Э≈79,58 А/м)

Помимо закономерных колебаний (вариаций) магнитного поля имеют место и незакономерные колебания. Наиболее ощутимыми из них являются магнитные бури. Они происходят внезапно и продолжаются обычно несколько дней. Во время магнитных бурь магнитная стрелка компаса испытывает непрерывные и быстрые колебания. Магнитные бури связаны с усилением корпускулярного излучения Солнца и происходят чаща всего во время проявления солнечных вспышек. Магнитные бури нередко проявляются перед началом землетрясений — это уже, очевидно, результат чисто земных причин, вызванных процессами, происходящими в глубоких недрах Земли. Магнитные свойства характерны для так называемых ферромагнитных минералов — компоненты горных пород, содержащих железо, титан, никель, кобальт, и прежде всего для таких минералов — оксидов, как гематит, магнетит, ильменит и некоторых других. Их крупные скопления в недрах образуют магнитные аномалии. Выявлением таких аномалий с целью поисков железных руд занимается отрасль разведочной геофизики — магниторазведка. Магнитные аномалии, вызванные залежами железных руд, можно выявлять не только неземными методами магниторазведки, но и аэромагниторазведкой, а также магнитометрами, установленными на ракетах, спутниках, космических кораблях.

Плазма («солнечный ветер») и частицы энергии, поступающие из космоса, задерживаются магнитосферой (чем обеспечивается защита живых организмов, населяющих Землю, от их губительного воздействия), накапливаются в ней, образуя так называемые радиационные пояса. Последние протягиваются вокруг Земли на несколько сотен или тысячи километров. Радиационные пояса представляют опасность для людей, совершающих космические полёты. Состояние и положение радиационных поясов не постоянны, поэтому перед полётом космического корабля его путь выбирается с таким расчётом, чтобы он проходил за пределами области с повышенной радиацией. Исследования, проводимые в магнитосфере, имеют большое значение также для прогнозирования магнитных бурь, полярных сияний и некоторых других явлений.

Теплота Земли

Тепловой режим Земли обусловлен двумя причинами:

1. Излучением Солнца.
2. Теплотой, выделяемой из недр Земли.

На поверхности Земли основным источником тепла является Солнце. Внутреннее тело в тепловом режиме дневной поверхности в общем играет ничтожную роль. В каждою минуту на 1 см² земной поверхности поступает от Солнца около 8,13 Дж тепла. Эта величина носит название солнечной постоянной. Всего за такое же время Земля получает от Солнца 10¹⁹ Дж лучистой энергии. Количество солнечного тепла в несколько тысяч раз превышает тепло, поступающее из недр Земли на поверхности. Примерно треть солнечной энергии, поступающей на Землю, так и альбедо её, то есть доля отраженной солнечной радиации, неодинаковы для разных широт. Количество получаемого и отражаемого Землёй солнечного тепла зависит также от характера распределения суши и воды, от воздушных и океанических течений, от особенностей рельефа, растительного покрова. Под влиянием солнечной теплоты происходят самые разнообразные процессы: круговорот воды, разрушение водой и ветром земной поверхности, растрескивание горных пород и многие другие явления. Органический мир на Земле также возник и развивается благодаря солнечной энергии.

На поверхности Земли колебания температуры в течение года под действием солнечного излучения достигают нередко большой величины, например в пустынях до 100 °C. Зато с глубиной влияние солнечного тепла резко снижается и быстро сходит на нет. На некоторой глубине от поверхности располагается так называемый пояс постоянной температуры, где она круглый год одинакова и равно примерно среднегодовой температуре данной местности. В Москве пояс постоянной температуры находится на глубине 20 метров, в Париже — на глубине 28 метров. В общем действие солнечного тепла проникает ниже поверхности Земли не глубже 20 — 30 метров.

Ниже пояса постоянной температуры под влиянием внутреннего тепла Земли температура с глубиной закономерно повышается. Расстояние (в метрах), на которое необходимо углубится ниже пояса постоянной температуры, чтобы получить прирост температуры на один градус, называется геотермической ступенью. Для земной коры его величина в зависимости от состава пород, условий их залегания и других причин колеблется от нескольких метров до 200 метров и более. Среднее значение геотермической ступени 33 метра.

Возрастание температуры с глубиной оказывает отрицательное воздействие на проходку шахт, туннелей. Однако в зонах с небольшими значениями геотермической ступени представляются возможными на доступных для бурений глубинах вскрывать рудные расплавы. Полагают, что такие расплавы можно обнаружить на глубинах 10 — 15 километров, до расплавов ещё ни одна скважина не дошла.

Источники внутренней тепловой энергии Земли ещё недостаточно изучены. Одним из основных, а может быть, и главным фактором высоких внутренних температур Земли, считают радиоактивный распад элементов, в процессе которого выделяется огромное количество тепла. Известно, что радиоактивные элементы в основном сконцентрированы в земной коре, но в некотором количестве они присутствуют и на большой глубине.

 

Внутреннее строение Земли

Земля, так же, как и многие другие планеты, имеет слоистое внутреннее строение. Наша планета состоит из трех основных слоев. Внутренний слой – это ядро, наружный – земная кора, а между ними размещена мантия.

Ядро представляет собой центральную часть Земли и расположено на глубине 3000-6000 км. Радиус ядра составляет 3500 км. По мнению ученых, ядро состоит из двух частей: внешней – вероятно, жидкой, и внутренней - твердой. Температура ядра составляет около 5000 градусов. Современные представления о ядре нашей планеты получены в ходе длительных исследований и анализа полученных данных. Так, доказано, что в ядре планеты содержание железа достигает 35%, что обусловливает его характерные сейсмические свойства. Внешняя часть ядра представлена вращающимися потоками никеля и железа, которые хорошо проводят электрический ток. Происхождение магнитного поля Земли связано именно с этой частью ядра, так как глобальное магнитное поле создается электрическими токами, протекающими в жидком веществе внешнего ядра. Из-за очень высокой температуры внешнее ядро оказывает значительное влияние на соприкасающиеся с ним участки мантии. В некоторых местах возникают громадные тепломассопотоки, направленные к поверхности Земли. Внутреннее ядро Земли твердое, также имеет высокую температуру. Ученые полагают, что такое состояние внутренней части ядра обеспечивается очень высоким давлением в центре Земли, достигающим 3 млн. атмосфер. При увеличении расстояния от поверхности Земли повышается сжатие веществ, при этом многие из которых переходят в металлическое состояние.

Промежуточный слой – мантия – покрывает ядро. Мантия занимает около 80% объема нашей планеты, это самая большая часть Земли. Мантия расположена кверху от ядра, но не достигает поверхности Земли, снаружи она соприкасается с земной корой. В основном, вещество мантии находится в твердом состоянии, кроме верхнего вязкого слоя толщиной примерно 80 км. Это астеносфера, в переводе с греческого языка означает «слабый шар». По мнению ученых, вещество мантии непрерывно движется. При увеличении расстояния от земной коры в сторону ядра происходит переход вещества мантии в более плотное состояние.

Снаружи мантию покрывает земная кора – внешняя прочная оболочка. Ее толщина варьирует от нескольких километров под океанами до нескольких десятков километров в горных массивах. На долю земной коры приходится всего 0,5% общей массы нашей планеты. В состав коры входят оксиды кремния, железа, алюминия, щелочных металлов. Континентальная земная кора делится на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. Океаническая земная кора состоит из осадочного и базальтового слоев.

Литосферу Земли формирует земная кора вместе с верхним слоем мантии. Литосфера слагается из тектонических литосферных плит, которые как будто «скользят» по астеносфере со скоростью от 20 до 75 мм в год. Двигающиеся друг относительно друга литосферные плиты различны по величине, а кинематику передвижения определяет тектоника плит.

 

Магнитные свойства Земли

Магнитные явления, наблюдаемые на земной поверхности, дают основание считать Землю огромным магнитом, имеющим два хорошо выраженных магнитных полюса. В настоящее время магнитный полюс в северном полушарии находится на о. Принца Уэльского вблизи полуострова Бутия (73° с. ш. и 100° з. д.), а в южном полушарии приблизительно на 6.7° ю. ш. и 147° в..д.

Элементы земного магнетизма. Линии магнитных сил, идущих от одного полюса до другого, образуют так называемые магнитные меридианы. Понятно, что стрелки компасов всюду должны совпадать с направлением магнитных меридианов.

Ввиду того что магнитные полюсы не совпадают с географическими полюсами, магнитные меридианы также не могут совпадать с географическими. Поэтому направление стрелки компаса обычно также не совпадает с направлением географического меридиана. Угол, образованный направлением магнитной стрелки (т. е. магнитным меридианом) и географическим меридианом, называют магнитным склонением или просто склонением. Нетрудно видеть, что этот угол в различных точках земной поверхности неодинаков.

Склонение отсчитывают от истинного меридиана к востоку или западу. В первом случае склонение называется восточным, а во втором западным. Восточное склонение принято обозначать знаком плюс (склонение положительное), а западное — знаком минус (склонение отрицательное).

Если взять магнитную стрелку, свободно подвешенную в центре ее тяжести, то стрелка после некоторых колебаний, расположившись в плоскости магнитного меридиана, в то же самое время образует угол с горизонтальной поверхностью. Этот угол носит название магнитного наклонения или просто наклонения. Он отсчитывается от горизонтального направления вниз до 90°.

Кроме склонения и наклонения, определяют еще абсолютную величину магнитного поля. Это так называемое напряжение магнитного поля. Напряжение земного магнитного поля невелико. Для измерения его применяется особая единица, которая называется гаммо й.1 гамма =1: 100 000 эрстеда; 1 эрстед есть сила притяжения или отталкивания, равная 1 дине. По правилу параллелограмма напряжение магнитного поля может быть разложено на горизонтальную составляющую Н и вертикальную составляющую Z. Первая направлена по линии магнитного меридиана, а вторая — по отвесу. Горизонтальная составляющая в свою очередь может быть разложена на другие две силы; одна из них направлена по географическому меридиану X, а другая — по географической параллели У.

Области западного и восточного склонения. На поверхности земного шара существуют пункты, величина склонения в которых равна 0°. Соединив эти пункты линиями, мы получим одну замкнутую кривую, проходящую через оба магнитных и оба географических полюса. Эта линия нулевого склонения носит название агонической линии. Агоническая линия делит земную поверхность на две большие области: область восточного склонения и область западного склонения

Если бы магнитные меридианы имели правильную форму окружностей, то агоническая линия делила бы Землю на два равных полушария: полушарие восточного склонения и полушарие западного склонения. На самом же деле магнитные меридианы (в силу неоднородности строения земной коры и ряда других причин являются не окружностями, а более сложными замкнутыми кривыми, приближающимися к окружностям). В силу этого и агоническая линия Земли имеет неправильную форму и делит земную поверхность на две не вполне равные, части, которые только приблизительно можно считать полушариями.

Область западного склонения заключает в себе Атлантический океан, Западную Европу и Африку, а также восточные части Северной и Южной Америки. Область же восточного склонения заключает в себе Тихий океан, большую часть Восточной Европы, Азии и Австралии, западные части Северной и Южной Америки. (Некоторое исключение составляет часть восточной Азии, где замкнутая кривая ограничивает довольно значительную площадь, имеющую западное склонение.)

Магнитные карты. Чтобы иметь представление о распределении магнитных элементов по земной поверхности, составляются так называемые магнитные карты. Для составления магнитной карты, наносят на карту пункты с обозначением величины склонений, а потом пункты с одинаковыми склонениями соединяют линиями, так называемыми изогонами.

Карты изогон имеют огромное значение для мореплавателей, геодезистов и других, имеющих дело с компасом. Только по таким картам возможно в каждом пункте вносить соответствующие поправки к показаниям компаса.

Таким же точно образом наносятся на карту и другие элементы земного магнетизма. В результате мы получаем карты изоклин (карты распределения магнитных наклонений) и изодинам (карты распределения абсолютных величин напряжения магнитного поля) и т. д.

Магнитные аномалии. Ряд закономерностей, которые существуют в распределении элементов земного магнетизма, позволяют установить некоторые «нормальные» величины этих элементов, характерные для данного пункта.

Наряду с этим существуют отдельные участки, магнитные элементы которых в большей или меньшей степени отличаются от нормальных. Подобные участки представляют собой так называемые магнитные аномалии. В тех случаях, когда магнитные аномалии захватывают сравнительно небольшие площади (исчисляемые десятками, реже сотнями километров), они носят название местных аномалий. Местные аномалии зависят обыкновенно от неоднородного строения земной коры, от залежей железных руд и других пород, обладающих магнитными свойствами. Примерами таких аномалий могут быть: аномалии в Лапландии, Кривом Роге, а также самая крупная на Земле Курская магнитная аномалия. Изучение местных магнитных аномалий имеет большое значение в деле разведки полезных ископаемых (в частности железных и никелевых руд).

Магнитные аномалии, распространяющиеся на большие пространства (исчисляемые тысячами километров), называют геоаномалиями. Причины их более сложны и далеко не везде выяснены. Примером геоаномалий может служить самая большая Восточно-Сибирская геоаномалия, где вместо восточного склонения наблюдается западное склонение.

Изменение элементов земного магнетизма. Для одного и того же места элементы земного магнетизма не остаются одинаковыми в течение длительного времени. Например, в 1540 г. для Лондона склонение было восточное и составило 8°, в 1700 г. склонение стало западным и в 1800 г. составило около 20°, но к 1920 г. эта величина несколько уменьшилась.

Эти очень медленные изменения элементов земного магнетизма носят название вековых вариаций или векового хода. Изменение элементов земного магнетизма связано с перемещением магнитных полюсов.

Напряжение магнитного поля Земли в течение последних 100—120 лет уменьшалось, но, начиная с 40-х годов текущего столетия, отмечено его увеличение. Удалось выявить, что изменения геомагнитного поля привязаны к определенным областям земной поверхности, которые называются фокусами вековых изменений. В последнее время они испытывают медленное перемещение на запад. Большинство центров вековых изменений геомагнетизма связано с сейсмическими районами.

Наряду с вековыми вариациями существуют суточные изменения геомагнитного поля. Они наступают в одно и то же время в любой точке поверхности Земли. Кроме того, элементы земного магнетизма меняются в течение года и обнаруживают правильный суточный ход в течение ряда лет, причем последние изменения часто охватывают периоды в одиннадцать лет.

Значительное влияние на изменения геомагнетизма оказывают процессы, происходящие на Солнце.

Магнитные возмущения. Колебания элементов земного магнетизма обычно протекают плавно и спокойно. Однако существуют моменты, когда они подвергаются неожиданным и весьма резким колебаниям, далеко выходящим за границу суточных колебаний. При этом стрелки компасов обнаруживают как будто беспокойство и совершают неправильные и большие колебания. Явления подобного рода носят название магнитных бурь. Магнитные бури (кстати сказать, ничего общего не имеющие с атмосферными бурями) обыкновенно продолжаются недолго (несколько часов, реже несколько дней), наблюдаются одновременно на значительных участках земной поверхности. Сильнее всего магнитные бури проявляются у полюсов. По мере же приближения к экватору они ослабевают и наблюдаются реже. Магнитные бури вызывают нарушения в работе телеграфа, телефона и радиосвязи.

Магнитные бури связаны с излучением Солнца. Наряду со световым излучением Солнца имеется еще корпускулярное, представляющее собой поток электрически заряженных частиц (корпускул). Последнее бывает неравномерным. В отдельные годы оно незначительно, в другие может усиливаться. Усиление корпускулярного излучения совпадает с моментом увеличения пятен на Солнце.

Поток корпускул, попадая в магнитное поле Земли, создает вокруг себя дополнительное магнитное поле, которое возмущает магнитное поле Земли.

Магнитный компас. Магнит, свободно подвешенный, обладает свойством располагаться в направлении с севера на юг. Это свойство магнита обратило на себя внимание людей в далекой древности. Оно было использовано для ориентирования на местности. Китайцам это свойство было известно за 2 тыс. лет до н. э. В Европе магнитная стрелка стала применяться в XII в.