Сила тяжести - равнодействующая притяжения массы Земли и центробежной силы от вращения планеты. В экваториальных широтах она равна в среднем 978 галл, а в полярных возрастает до 983 галл, что связано как с фигурой Земли, так и с уменьшением с широтой центробежной силы.

О значении силы тяжести для географической оболочки выше говорилось в разных аспектах. Обобщим это, поскольку гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение.

1. Силами тяготения, превышающими силы сцепления, создана фигура Земли. В практике решается обратная задача: потенциал силы тяжести используется при изучении фигуры Земли.
2. Земное тяготение уплотнило внутреннее вещество Земли и, независимо от его химического состава, сформировало плотное ядро.
3. Ядро вместе с вращением Земли создало магнитосферу, роль которой для биосферы огромна.
4. Величина земного тяготения такова, что удерживает газовую оболочку, позволяя ускользать только легким элементам - гелию и водороду. Частично благодаря этому между земной атмосферой и Вселенной наблюдается газовое несоответствие: во Вселенной на водород приходится 93%, а в атмосфере Земли его ничтожно мало.
5. Атмосферное прикрытие обеспечивает существование гидросферы; в противном случае вода мгновенно испарилась бы и улетучилась.
6. Давление глубинных масс наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию - источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу.
7. Сила тяжести обусловливает стремление земной коры к изостатическому равновесию. Изостазия была обнаружена при изучении распределения силы тяжести. Горные хребты создают на поверхности дополнительную массу и должны вызывать увеличение силы тяжести, пропорциональное массе горной страны. В океанах 4-5 км сложены водой с плотностью около 1,0 г/см 3 , поэтому здесь сила тяжести должна быть меньше, чем в горах. Низменные равнины материков занимают промежуточное положение и должны иметь силу тяжести среднего значения. Измерения показали, что фактически сила тяжести на одной и той же параллели везде - на море, на низменной суше, в горных странах - в общем одинакова. Это значит, что в горах она меньше нормальной, или, как принято считать, здесь обнаруживается отрицательная гравиметрическая аномалия, на море сила тяжести больше расчетной, или ее аномалия положительная, на низменностях фактическая величина ее близка к теоретической, т. е. аномалии нет. Такое распределение силы тяжести и ее аномалии объясняют изостазией.
8. Астеносфера - размягченный теплом слой, допускающий движение литосферы,- тоже функция силы тяжести, поскольку расплавление вещества происходит при благоприятном соотношении количества тепла и величины сжатия - давления.
9. Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности - конически и равнинные. Они соответствуют двум универсальным форма симметрии - конической и билатеральной (И. И. Шафранский). Над каждым малым и большим участком земной поверхности существует конусообразное поле земного тяготения. Оно отпечатывается на всех телах, которые растут на Земле. Если тело растет вверх, или, что то же самое, вниз, то оно приобретает форму, близкую к конической (горные вершины, вулканы, карстовые воронки, песчаные формы рельефа, деревья и т. д.). Если тело растет горизонтально, то сила тяжести делает его листообразным (дельты, аккумулятивные равнины, поверхности выравнивания и т. д.). Переход конических форм в плоские образует склоны. Весь рельеф литосферы в сущности склоновый.
10. Сила тяжести обусловливает гравитационный тектогенез - формирование структур земной коры и вообще движение масс литосферы под действием силы тяжести. Так как развитие рельефа есть перемещение вещества, то сила тяжести в нем играет одну из решающих ролей.
11. Земное тяготение определяет верхний предел высоты горных хребтов. Вздымание складок земной коры не может быть выше 9 км, ибо этому препятствует сила тяжести.
12. Сочетание гравитационного поля и конкретных тел на Земле создает диспропорциональность земного пространства. Несколько примеров раскроет его сущность. На малых телах, вплоть д горных хребтов, действуют силы сцепления, а на больших - горных странах, литосфере в целом, а тем более на всей Земле - силы тяготения, с чем и связана изостазия. В условиях земного гравитационного поля каждый тип животного имеет наиболее удобные для него размеры, изменение которых повлекло бы изменение и формы. Если длину, высоту и ширину животного уменьшить или увеличить в 10 раз, то масса его изменится в 1000 раз, а поверхность в 100 раз. Понятно, что при этом должно перестроиться все тело. Соотношение объемов, размеров и масс определяет парусность пыльцы и семян растений и способы их перенесения.
13. Сила тяжести в сочетании с размерами тел определяет силу поверхностного натяжения воды, с которой связаны поднятие ее по капиллярам и, следовательно, одна из сторон водного режима почвы.
14. Направление силы тяжести вниз, к центру Земли, помогает животным удерживать вертикальное положение.
15. В течении воды вниз и, следовательно, в работе рек гравитационное поле играет второстепенную роль. Первостепенное значение имеет энергия солнечной радиации, которая вызывает испарение воды и подъем пара на материки и в горы.

Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.

Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.

Магнитные полюса Земли

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.

С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.

Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.

Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.

Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.

Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров.

Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2) m/c 2 , где m -масса тела.

Магнитное поле (рис. 4.) над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R , с ночной - вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R ; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·10 25 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет (по другим источникам 750 тыс.лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс.лет (500 тыс.лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2-4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.

Рис. 4. Магнитное поле Земли.

В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю намагниченного стержня (диполя), который смещен относительно центра Земли к Тихому океану и наклонен к земной оси. В настоящее время это смещение составляет 451 км, а наклон равен 11°. Сила и форма геомагнитного поля постепенно меняются, причем масштаб времени этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля обозначается векторной величиной F или B, а единицами измерения являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (г) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла= 10 -5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I , т.е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т.е. азимутом - углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных полюсов Земли на 1985г:

Северный магнитный полюс – 77 о 36" с.ш.; 102 о 48" з.д.

Южный магнитный полюс – 65 о 06" ю.ш.; 139 о 00" в.д.

Положение геомагнитных полюсов на 1985г:

Северный геомагнитный полюс – 78 о 48" с.ш.; 70 о 54" з.д.

Южный геомагнитный полюс – 78 о 48" ю.ш.; 109 о 06" в.д.

Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе -около 0,4 Э.

Приборы Центрального военно-технического института Сухопутных войск (ЦНИВТИ СВ) зафиксировали в начале 2002 года, что магнитный полюс Земли сместился на 200 км. По мнению ученых, аналогичное смещение магнитных полюсов произошло и на других планетах Солнечной системы по видимому по причине, что Солнечная система проходит "определенную зону галактического пространства и испытывает влияние со стороны других космических систем, находящихся рядом". "Переполюсовка" повлияла на ряд процессов, происходящих на Земле. Так, "Земля через свои разломы и так называемые геомагнитные точки сбрасывает в космос избыток своей энергии, что не может не сказаться как на погодных явлениях, так и на самочувствии людей". Кроме того избыточные волновые процессы, возникающие при сбросе энергии Земли, влияют на скорость вращения нашей планеты. По данным Центрального военно-технического института, "примерно каждые две недели эта скорость несколько замедляется, а в последующие две недели наблюдается определенное ускорение ее вращения, выравнивающее среднесуточное время Земли". Смещение магнитного полюса Земли не влияет на географические полюса планеты, то есть точки Северного и Южного полюсов остались на месте.

Геомагнитное поле Земли и радиационные пояса. Выше ионосферы расположена магнитосфера Земли или геомагнитное поле (заполнено плазмой), которое экранирует поверхность Земли от потоков космических лучей и является геомагнитной ловушкой для заряженных частиц, источником которых являются космические лучи, солнечный ветер (особенно во время солнечных бурь). Она заполнена частицами высоких энергий, образующими радиационные пояса Земли. Частицы, захваченные в геомагнитную ловушку, совершают колебательные движения из одного полушария в другое, двигаясь вдоль силовых линий, одновременно прецессируя вокруг них и дрейфуя по долготе из-за неоднородности геомагнитного поля. Время колебаний частиц составляет от 10-3 до 10-1с.

Радиационные пояса – внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3–4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс – на высоте ок. 22 тыс. км. Радиационный пояс - источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными поясами обладают Юпитер и Сатурн.

Электрическое поле (рис. 5.) над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз – это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Рис. 5. Электрическое поле над поверхностью Земли.

Две кольцеобразные области вокруг Земли с высокой концентрацией высокоэнергичных электронов и протонов, которые были захвачены магнитным полем планеты. Пояса были обнаружены первым американским искусственным спутником Земли "Эксплорер-1", запущенным 31 января 1958 г. Пояса названы по имени Джеймса Ван Аллена - физика, руководившего экспериментом на "Эксплорере-1". Внутренний пояс Ван Аллена лежит над экватором на высоте около 0,8 земных радиусов. Во внешнем поясе область наибольшей концентрации находится на высоте от 2 до 3 земных радиусов над экватором, а обширная область, простирающаяся от внутреннего пояса до высоты 10 земных радиуса, содержит протоны и электроны более низкой энергии, которые, по-видимому, принесены в основном солнечным ветром. Поскольку магнитное поле Земли отклоняется от оси вращения планеты, внутренний пояс опускается вниз к поверхности в Южной части Атлантического океана, недалеко от побережья Бразилии. Эта Южноатлантическая аномалия представляет потенциальную опасность для искусственных спутников. В 1993 г. в пределах внутреннего пояса Ван Аллена была обнаружена область, содержащая частицы, которые проникли туда из межзвездного пространства.

План лекции

1.1.Форма и основные параметры Земли.

1.2. Гравитационное поле Земли.

1.3. Тепловое поле Земли.

1.4. Магнитное поле Земли.

Геология как наука, изучающая, прежде всего, нашу планету и ее верхнюю каменную оболочку, не оставляет без внимания и окружающей ильный мир - Вселенную. Это обусловлено тем, что в строении и Земли имеются определенные черты сходства и различия с планетами; некоторые геологические процессы непосредственно связаны с космическими явлениями.

Земля - типичная планета Солнечной системы – характеризуется наличием хорошо развитых внутренних и внешних оболочек.

1.1. Форма и основные параметры Земли

Под фигурой, или формой Земли, понимают форму ее твердого тела, образованную поверхностью материков и дном морей и океанов. Форма планеты определяется ее вращением, соотношением сил притяжения и центробежной силы, плотностью вещества и его распределением в теле

Геодезические измерения показали, что упрощенная фирма Земли приближается к ЭЛЛИПСОИДУ ВРАЩЕНИЯ (СФЕРОИДУ). Полярный радиус Rn 6356,8 км, экваториальный - 6378,2 км, разница между радиусами составляет 21,4 км.

Детальные измерения показали, что Земля имеет более сложную форму. Эта фигура, свойственная только Земле, получила название ГЕОИДА. В любой точке геоида вектор силы тяжести перпендикулярен к его поверхности, которая может быть получена продолжением поверхности Мирового океана под континентами. Именно поверхность геоида принимается за базовую при отсчете высот в топографии, геодезии, маркшейдерии.

Геоид и сфероид не совпадают, и расхождения между положением их поверхностей достигает 160 км (в СССР 100 м). По наиболее точным последним данным, установлено, что Земля имеет грушевидную форму (т.е. сердцевидного) трехосного эллипсоида.

Масса Земли составляет 5,977 10 21 т, объем 1,083 млрд.км 3 , площадь 510 млн. км 2 . Средняя плотность Земли равна 5,52 г/см 3 . Установлено, что внешняя, каменная часть земной коры имеет среднюю плотность 2,8 г/см 3 . Таким образом, чтобы общая плотность равнялась 5,52, внутренняя часть Земли должна быть плотнее, чем наружная. Возрастание плотности с глубиной можно объяснить различиями в составе и той огромной силой, с которой внешние части Земли давят на внутренние. Предполагается, что внутренне ядро имеет плотность около 13 г/см 3 ,что, по-видимому соответствует состоянию металлического железа при этом давлении.

1.2. Гравитационное поле Земли

Физические поля, создаваемые планетой в целом и отдельными изолированными телами, определяются совокупностью присущих каждому физическому объекту свойств. Важное значение имеет изучение геофизических полей при исследовании физических свойств горных пород в образцах и массиве. Изучение свойств и интерпретация полученных данных должны базироваться на знании общих и локальных закономерностей строения физических полей Земли.

Огромная масса Земли является причиной существования сил

притяжения, которые воздействуют на вое тела и предметы, находящиеся на ее поверхности. Пространство, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести или гравитационным полем (лат."гравитас"-тяжесть).Оно отражает характер распределения масс в недрах и тесно связано с фигурой Земли. Для каждой точки земной поверхности характерна своя величина силы тяжести, в центре Земли сила тяжести равна нулю.

Сила тяжести численно равна равнодействующей силы притяжения и центробежной силы Р, действующих на единицу массы вещества

В системе СGS величина силы тяжести выражается в галлах (см/сек В практике часто используются одной тысячной долей гала-миллигалом. Сила тяжести зависит от высотного положения местности, так как при этом изменяется расстояние до

центра Земли. Поэтому измерения силы тяжести принято приводить к одному

уровню, например уровню геоида или эллипсоида. Значение силы тяжести на поверхности Земли возрастает от экватора к полюсам с 978,049 до 963,235 гал. Среднее значение силы тяжести на поверхности геоида 981 гал.

величина силы тяжести зависит не только от высотного положения, но и от географической широты местности. На нее оказывает влияние и неравномерное распределение масс в недрах Земли. По этой причине возникают местные отклонения в значениях силы тяжести от теоретически вычисленных ее значений. Такие отклонения называются гравитационными аномалиями.

Различают положительные и отрицательные гравитационные аномалии. Положительные наблюдаются в том случае, когда в недрах земной коры залегают плотные массы (железные руды); отрицательные вызываются залеганиями легких масс (гипс, калийная соль) .Гравитационные аномалии выявляются с помощью гравиметров, маятниковыми приборами. По результатам измерений составляют гравиметрические карты, на которых с помощью изолиний показываются аномалии силы тяжести в миллигалах.

Изменения силы тяжести могут быть вызваны некоторыми явлениями, известными из астрономии, например замедлением или ускорением вращении Земли вокруг своей оси, изменениями фигуры и плотности Земли.

1.3. Тепловое поле Земли

Тепловое поле Земли образуется за счет внешних и внутренних источников. Главным источником внешней энергии является солнечное излучение. Лучистая энергия Солнца, получаемая земной поверхностью за год составляет5,44*10Дж. Около 55 % ее поглощается атмосферой, растительным покровом, почвой. Остальное количество энергии отражается в космос.

Источниками внутреннего тепла Земли являются следующие: радиоактивный распад элементов; энергия гравитационной дифференциации вещества; остаточное тепло и т.д

Получаемое солнечное тепло непосредственно нагревает горные породы и проникает лишь на небольшую глубину. Температура поверхности слоев изменяется в течение суток, сезона и года. С глубиной амплитуды колебания температуры убывают: сначала исчезает влияние суточных колебаний температуры воздуха, затем сезонных и, наконец, годовых. На некоторой глубине температура пород остается постоянной годы - пояс постоянной температуры. Выше него располагаются слои многолетних, сезонных и суточных колебаний.

Глубина залегания пояса постоянных температур меняется с широтой местности и с изменением теплофизических свойств в горных пород. В приэкваториальных областях пояс постоянной температуры достигнет 1-2 м, в средних широтах 20-30 м (в Москве - 20 м).

Постоянная температура этого пояса примерно равна средней годовой температуре приземного слоя данной местности (для Москвы +4,2°С, для Парижа +I8 ).Если среднегодовая температура местности ниже 0 , то атмосферные осадки и подземные воды превращаются в лед. Таково основное условие образования "вечной мерзлоты".

Начиная с пояса постоянных температур, отмечается постоянное повышение температуры пород с глубиной, которые характеризуется геотермической ступенью и геотермическим градиентом. ГЕОТЕРМИЧЕСКАЯ СТУПЕНЬ - численно равна количеству метров, на которое нужно углубиться для того, чтобы температура пород поднялась на 1 и имеет размерность м/град. ГЕОТЕРМИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ - величина обратная и численно равен числу градусов, на которое повышается температура горных пород при углублении на 100 м (м/град).

Геотермическая ступень в среднем принимается равной 33 м/град, но ее значение в различных пунктах колеблется в широких пределах от 2 до 250 м/град. Часто величина геотермической ступени значительно отклоняется на различных глубинах одного и того же пункта. Это зависит: от различной теплопроводности и условий залегания горных пород, подземных вод, удаленности от морей и океанов, рельефа местности, геохимических условий.

Наибольшая температура пород в подземных горных выработках равна С и наблюдалась в медных рудниках Магны (США) на глубине 1200 м. Температура пород в шахтах Донбасса на глубине 800-1000 превышает , а на глубине 1545 м достигает 56,3 . Для освоения залежей полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах и в районе многолетней мерзлоты, необходимо регулировать тепловой режим глубоких шахт и рудников.

1.4. Магнитное поле Земли

Вокруг земного шара и внутри его существуют магнитные поля. По данным космических исследований, оно простирается за пределы планеты на расстояние, превышающее десятикратный радиус Земли, образуя магнитосферу. Установлена сложная ассиметричная внешняя форма магнитосферы, непрерывно изменяющаяся по форме и силе. Со стороны Земли, освещенной Солнцем, магнитосфера значительно сжата, а с противоположной стороны - вытянута с образованием магнитного шлейфа.

Ассиметричность магнитосферы обусловлена воздействием солнечного ветра (космического излучения).

По данным I960 г граница магнетизма располагается на высоте 93 тыс.км. Величина магнитного поля Земли убывает примерно до высоты 43 тыс.км пропорционально кубу расстояния. В околоземном пространстве, за пределами земного магнетизма, существует магнитное поле межпланетного пространства. Природа магнитного поля Земли в настоящее время окончательно не выяснена. Известно, что воздействие на него процессов, происходящих в высоких слоях атмосферы, невелико и не превышает 6 %. На этом основании полагают, что магнитное поле связано с процессами, протекающими в глубоких недрах Земли. Магнитное поле влияет на ориентировку ферромагнитных минералов (магнетита, ильменита, гематита) в горных породах. Сильнее всего реагируют на магнитное поле ультраосновные и основные изверженнее (базальты, габбро) и красноцветные пески. Осадочного генезиса.

Полюса магнитного поля Земли не совпадают с географическими полюсами.

Основные характеристики магнитного поля следующие:

МАГНИТНОЕ СКЛОНЕНИЕ - угол между осью магнитной стрелки магнитным меридианов и географическим меридианом.

МАГНИТНОЕ НАКЛОНЕНИЕ - угол наклона магнитной стрелки к горизонту.

СИЛА магнитного поля Земли выражается векторной величиной - МАГНИТНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ. Единицей измерения магнитной напряженности является одна стотысячная доля эрстеда, называемая гаммой ().

Отклонения элементов магнитного поля Земли называются магнитными аномалиями. Они обусловлены или залеганием больших магнитных масс (железные руды) или же нарушениями однородности геологического строения.

Самой крупной магнитной аномалией в мире, вызванной залеганием больших магнитных масс является КМА.

Изучение магнитного поля Земли широко используется для поисков месторождений полезных ископаемых, в том числе нефтяных и газовых.

Вокруг Земли существует поле тяготения, обусловлено ее массой. Это поле называется гравитационным. Сила притяжения присуща как малым, так и большим телам. Чем больше масса тела, тем мощнее его гравитационное поле. У поверхности Земли его среднее значение составляет около 9,8 м / с 2. С высотой напряженность поля уменьшается. Теоретически гравитационное поле Земли распространяется до бесконечности. Ближе к поверхности Земли сила притяжения приобретает несколько иной характер. Здесь проявляются силы, которые не только привлекают, а и отталкивают тела, находящиеся на поверхности Земли. Отталкивающая сила обусловлена вращением Земли вокруг своей оси и называется центробежной. Равнодействующая двух сил - гравитационной и центробежной - называется силой тяжести. Определяется сила притяжения массой тел. Масса, собственно, и есть сила, с которой тела притягиваются в направлении к центру Земли. Сила притяжения удерживает тела и предметы на поверхности Земли, а гравитационное поле удерживает на расстоянии спутник Земли Луну.

Распределение величины силы тяжести на поверхности Земли зависит от географической широты: с увеличением широты она растет. Уменьшение силы тяжести в направлении экватора объясняется двумя причинами: увеличением в этом направлении центробежной силы и увеличением расстояния от центра планеты, а также особенностями ее внутреннего строения. Если бы Земля была правильной неподвижной пулей, по составу однородной от поверхности до центра, то ее сила притяжения везде была бы одинаковой и направленной к центру планеты.

На полюсах, где центробежная сила практически отсутствует, а расстояние до центра Земли наименьшая, сила притяжения наибольшая и составляет 9,83 м / с 2. На экваторе центробежная сила и расстояние самые, поэтому сила притяжения наименьшая - 9,78 м / с 2.

Влияние гравитационного поля на развитие планеты и ее географическую оболочку огромен. Сила притяжения определяет истинную форму земной поверхности - геоида, приводит движения земной коры. ПОД ее влиянием происходит перемещение рыхлых горных пород, масс воды, льда, воздуха. Гравитационное поле Земли является одной из причин круговоротов в литосфере, атмосфере и гидросфере.

Само же гравитационное поле обусловлено, как уже было отмечено, массой Земли. Подсчитано, что полная масса Земли (F) составляет 5,976 · десять двадцать-семь г. Непосредственно эту массу измерить невозможно, но рассчитать ее сравнительно просто по формуле гравитационного притяжения:

где k e - гравитационная постоянная, равная 6,67 · +10 +8; m 1, m 2 - массы тел, привлекаемых, г d - расстояние между центрами тел, см.

Объем сферической Земли также легко примерно подсчитать, поскольку измерений дуг ее круга известен радиус. Найденные таким образом объем нашей планеты составляет 1,083 · десять две +7 см 3.

Зная массу и объем Земли, можно найти ее среднюю плотность. Она составляет 5,52 г / см 3, то есть вдвое больше плотность гранита "

Установлено, что земная кора имеет среднюю плотность 2,7 г / см 3. Таким образом, чтобы средняя плотность Земли равна 5,52 г / см 3, внутренняя часть Земли должна быть плотная, чем внешняя. Увеличение плотности с глубиной можно объяснить различиями в химическом составе и той огромной силой, с которой внешние части Земли давят на внутренние. Предполагается, что внутреннее ядро имеет плотность около 13 г / см 3.

Земной магнетизм

Земля - это огромный сферический магнит. Хотя о наличии у планеты магнетизма людям стало известно давно, а изучением его свойств занимаются ученые различных стран мира, в природе ее магнитного поля много еще остается невыясненным. Известно, что среди металлов только железо и никель могут быть постоянными магнитами. Эти материалы называются ферромагнитными. Но ферромагнитные вещества перестают быть магнитом, если их нагреть выше точки Кюри (770 ° С для железа и 358 ° C для никеля). Поскольку температура в недрах Земли значительно выше эти величины, земное ядро, состоящее главным образом из железа и никеля, не может быть ферромагнитным из-за отсутствия для этого соответствующих условий.

Из многих теорий, которые были выдвинуты для объяснения происхождения магнитного поля Земли, наиболее популярной в настоящее время является теория динамо. Согласно ей Земля является скорее электромагнитом, чем постоянным магнитом: электрический ток, каким образом обусловленные турбулентной конвекции в жидком ядре, образует вокруг себя поле однородного намагничивания, или постоянное поле. Невыясненным остается вопрос об источнике энергии, вызывает конвекцию в земном ядре, где очень мало или совсем нет радиоактивных элементов. Допускают три варианта: 1) на границе между внутренним и внешним ядром происходит постепенная кристаллизация железа с выделением тепла; 2) вследствие опускания железа из мантии вниз высвобождается гравитационная энергия; 3) тепло выделяется при фазовых изменениях веществ, происходящих в результате гипотетического расширения Земли.

Магнитное поле Земли достигает высоты 80-90 тыс. Км от ее поверхности. До высоты 44 тыс. Км магнитное поле постоянно, его величина уменьшается с удалением от земной поверхности постепенно. На высоте от 44 до 90 тыс. Км магнитное поле переменное, в зависимости от знака оно захватывает и удерживает электроны или протоны. Сфера околоземного пространства, в котором находятся заряженные части, захваченные магнитным полем Земли, называется магнитосферы.

Строение магнитосферы Земли, то есть окружающего пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоком заряженных частиц солнечного ветра, в прошлом представлялась достаточно простой. Считалось, что магнитосфера образует симметричный диполь. Но уже первые прямые измерения магнитных полей, которые были сделаны непосредственно в космосе, не подтвердили эту гипотезу. Оказалось, что магнитосфера Земли крайне асимметрична: со стороны Солнца магнитное поле сильно сжато, а с противоположной стороны - наоборот, очень вытянутое и образует длинный, до 1 млн км, магнитосферный хвост (рис. 5). Это является следствием обтекания магнитосферы солнечным ветром. При этом здесь, в зависимости от давления солнечного ветра, граница магнитосферы со стороны Солнца - магнитопауза - то приближается к Земле (при росте давления), то удаляется (при его ослаблены). Плазма солнечного ветра обтекает магнитосферу Земли со сверхзвуковой скоростью, в результате чего перед магнитосферой образуется ударная волна, которая отделена от магнитопаузы переходной областью.

Рис. 5.

Силовые линии геомагнитного поля, отходят назад под действием солнечного ветра, образуют хвост, или "шлейф" магнитосферы. Он разделен магнитно-нейтральным слоем на два сектора - северный и южный. Магнитные силовые линии секторов связанные с полярными областями Земли. В магнитно-нейтральном слое концентрируется плотная и горячая плазма с температурой около миллиона градусов, которая своим давлением препятствует аннигиляции силовых линий противоположных направлений в секторах "шлейфа".

Внутри магнитосферы расположены радиационные пояса. Они состоят из заряженных частиц протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли из потока солнечного ветра. Радиационные пояса образуют в атмосфере слой ионосферы и считаются областью захваченной радиации, они бы магнитными ловушками для заряженных частиц космоса.

Магнитное поле наглядно проявляется при работе с компасом: магнитная стрелка в любой точке земной поверхности устанавливается в определенном направлении. Угол, который образуют магнитный и географический меридианы, называется магнитным склонением. Оно вычисляется по северным концом стрелки компаса и может быть западным или восточным (рис. 6).

Рис. 6.

Линии, соединяющие точки с одинаковым склонением, называются изогон. Нулевая изогон - это линия, которая соединяет точки, в которых стрелка компаса направлена одновременно на магнитный и географический полюса. Она делит земной шар на две части. Сейчас линия нулевого склонения проходит через средние части Северной и Южной Америки, а в Евразии делает очень извилистый путь из Скандинавии через Центральную Европу в Египет, далее в Сомали и через Гималаи выходит в море Лаптевых, откуда снова поворачивает на юг (см. Рис. 7). С целью характеристики земного магнетизма определяют также магнитное наклонение, то есть угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью. Свободно подвешена магнитная стрелка сохраняет горизонтальное положение только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. К северу и к югу от магнитного экватора стрелка наклоняется к земной поверхности, причем тем больше, чем выше широта. Линии, соединяющие точки с одинаковым наклонением, называются изоклин. Поскольку магнитные полюса не совпадают с географическими, изоклины также не совпадают с параллелями.

Рис. 7.

Магнитные полюса меняют свое положение из года в год. Сейчас северный магнитный полюс находится среди островов Канады и имеет координаты 77 ° с. ш. и сто второй зап. д., а южный магнитный полюс располагается в Антарктиде около 65 ° ю. ш. и 139 ° в. д. Считается доказанным, что 300 млн лет назад магнитные полюса находились в современной экваториальной области.

Магнитное поле у поверхности Земли характеризуется также величиной напряжения земного магнетизма. Она определяется количеством колебаний магнитной стрелки за единицу времени, или периодом ее колебания, подобно тому, как сила тяжести определяется периодом колебания маятника. Напряжение магнетизма на полюсах больше, чем на экваторе. Места наибольшего напряжения магнитного поля называются полюсами напряжения.

Как показывают результаты измерений, на поверхности планеты часто наблюдаются магнитные аномалии. Они проявляются в отклонении значений элементов земного магнетизма от их средних величин для данного места. Различают региональные и локальные магнитные аномалии. Региональные охватывают большие площади, они вызваны глубинными процессами. Примером региональной аномалии является Восточносибирская аномалия, где имеет место западное склонение вместо восточного. Локальные магнитные аномалии связаны с местными особенностями строения земной коры (например, с залежами железных руд), как, например, в Курске, Харькове.

Магнитное поле испытывает периодических и непериодических колебаний. Наиболее сильные периодические магнитные колебания получили название магнитных бурь. Они обусловлены изменениями электрических токов в атмосфере под влиянием солнечного ветра.

Магнетизм имеет большое практическое значение. С помощью магнитной стрелки определяют направления сторон горизонта. На установлении связей магнитных элементов с геологическими структурами базируются магнитометрические методы поисков полезных ископаемых. Исследование палеомагнетизма Земли позволяет воссоздать историю развития земной коры. Магнитосфера защищает географическую оболочку Земли от прямого воздействия солнечного ветра, от проникновения в нижние слои атмосферы электронов и протонов высоких энергий, а следовательно, изменяет влияние космоса на живую природу.