геофизические следствия движений вращения и формы земли

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИРОДЫ МАТЕРИКОВ И ОКЕАНОВ

На уроках общей географии и природоведения вы получили знания о Земле как природном теле, которое развивается по определенным законам и состоит из взаимозависимых земных оболочек. Вы узнали о некоторых географических закономерностях — продолжительных устойчивых взаимосвязях между географическими объектами и явлениями, повторяющимися во времени и пространстве.

Возникновение и проявление географических закономерностей обусловлены вращением планеты вокруг своей оси и вокруг Солнца, углом ее наклона к плоскости орбиты, а также действием внутренних сил. Географические закономерности проявляются прежде всего в формировании и развитии природных компонентов — горных пород, воды, воздуха, почв, растительного и животного мира, а также в размещении природных комплексов. Например, географические закономерности проявляются в географической зональности, вертикальной поясности и т. д. Материки и океаны являются составляющими географической оболочки, поэтому им свойственны проявления всех существующих географических закономерностей.

ТЕМА 1. ФОРМА И ДВИЖЕНИЕ ЗЕМЛИ

§ 3. Географические следствия формы и движения Земли

Вы узнаете:

• как форма Земли и ее движение влияют на природу материков и океанов

Вспомните:

• какую фигуру напоминает форма Земли

• какие изменения в природе происходят на протяжении года

Земля — третья от Солнца и крупнейшая из планет земной группы. Астрономы установили, что наша планета одновременно участвует в нескольких видах движений. Например, в составе Солнечной системы она движется вокруг центра Млечного пути. Однако главные виды движения, которые с древних времен были известны человечеству, — это осевое и орбитальное. Знания о форме, размерах и закономерностях движения нашей планеты помогут понять, как проявляются многие природные закономерности на материках и в океанах.

1. Географические следствия формы и размеров Земли.

По мнению ученых, Земля образовалась примерно 4,7 млрд лет назад. Своей формой она напоминает сплюснутый шар. Такая шарообразная форма Земли была названа геоид.

Форма Земли и ее размеры имеют важное географическое значение. Масса нашей планеты — 6,6 секстиллионов тонн (в этом числе 21 ноль!). Она формирует силу земного тяготения, удерживающую на поверхности воду и атмосферу вокруг Земли.

Форма Земли определяет угол падения солнечных лучей на поверхность: на разных широтах они падают под разным углом. Это служит причиной неравномерного нагревания планеты, зонального распределения тепла и формирования тепловых поясов. Тепловые пояса, в свою очередь, наряду с другими факторами (размером и массой Земли, ее расстоянием от Солнца) обуславливают закономерное изменение природных процессов и явлений в географической оболочке в направлении от экватора к полюсам.

2. Вращение Земли вокруг своей оси.

Наша планета равномерно вращается вокруг условной оси с запада на восток, если смотреть на нее со стороны Северного полюса. Такое движение Земли называют осевым вращением. Земная ось наклонена под углом 66°33′ к плоскости орбиты. При этом ось ориентирована своим северным концом на Полярную звезду (рис. 1).

Рис. 1. Осевое вращение Земли.

Осевое вращение Земли имеет важное географическое значение. Прежде всего оно определяет смену дня и ночи и возникновение единицы времени — суток. Полный оборот вокруг своей оси Земля совершает за 23 часа 56 минут 4 секунды.

Смена дня и ночи обуславливает суточные ритмы в природе, то есть регулярное повторение в течение суток различных природных процессов. К ним относятся закономерные изменения в освещенности поверхности Земли, температура воздуха. Жизнь животных, растений и человека также подчинена суточному ритму.

Продолжительность суток зависит от скорости вращения планеты. Чем быстрее вращается планета вокруг своей оси, тем короче сутки, и наоборот. Например, Уран вращается вокруг своей оси в два раза быстрее Земли, поэтому продолжительность суток на Уране составляет половину земных суток.

Осевое вращение влияет на форму Земли. Сжатие Земли у полюсов — результат ее осевого вращения. Расстояние от центра Земли до полюсов (полярный радиус) на 21 км короче расстояния от центра Земли до экватора (экваториальный радиус). По этой же причине окружность Земли по меридианам на 72 км меньше, чем по экватору.

Вследствие осевого вращения Земли все тела, движущиеся по ее поверхности, отклоняются от первоначального направления: в Северном полушарии — в правую сторону по направлению своего движения, а в Южном полушарии — в левую сторону. Человек, движущийся со скоростью 4—5 км/ч, действия отклоняющей силы, разумеется, не ощущает. Однако на большие массы воды она оказывает существенное влияние. Это хорошо заметно на берегах рек. Отклоняющая сила прижимает воду к одному из берегов: у рек Северного полушария обычно более крутой правый берег, а в Южном полушарии — левый. Отклонение также влияет на направление движения ветров в атмосфере, течений в Мировом океане.

3. Орбитальное движение Земли.

Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со средней скоростью около 30 км/с. Один оборот вокруг Солнца она осуществляет за год — отрезок времени продолжительностью 365 суток 6 часов 9 минут 9 секунд. Из-за наклона земной оси к плоскости орбиты при орбитальном движении Солнце освещает лучше то Северное, то Южное полушарие. Неравномерностью освещенности и нагрева земной поверхности вызвана смена времен года.

Чтобы лучше понять причины смены времен года, рассмотрим положение Земли в дни весеннего и осеннего равноденствия, зимнего и летнего солнцестояния (рис. 2).

Рис. 2. Орбитальное движение Земли.

Во время весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) Солнце находится в зените над экватором. Его лучи падают на экватор под прямым углом. К северу и к югу от него лучи падают под одинаково меньшими углами. Поэтому на всем земном шаре (кроме полюсов) день равен ночи и длится 12 часов.

В день летнего солнцестояния (22 июня) ось Земли наклонена северным концом к Солнцу, и его лучи отвесно падают на параллель 23°26′ с. ш. — Северный тропик. В это время на всех широтах Северного полушария Солнце занимает самое высокое положение. К северу от параллели 66°34′ с. ш., которую называют Северным полярным кругом, Солнце за горизонт не заходит. Во всем Северном полушарии день длиннее ночи, он увеличивается от 12 часов на экваторе до 24 часов на полюсе. 22 июня в Северном полушарии начинается астрономическое лето, а в Южном — астрономическая зима.

В день зимнего солнцестояния — 22 декабря — положение Земли является противоположным. К Солнцу обращено Южное полушарие, и его лучи отвесно падают на Южный тропик — параллель 23°26′ ю. ш. Теперь освещена вся южная полярная часть от параллели 66°34′ ю. ш. (Южный полярный круг). В Южном полушарии начинается астрономическое лето, а в Северном — астрономическая зима.

В связи с орбитальным движением и наклоном земной оси к плоскости орбиты на Земле сформировались пять поясов освещенности, ограниченных тропиками и полярными кругами (рис. 3). Они отличаются высотой полуденного Солнца над горизонтом, продолжительностью дня и температурными условиями.

Рис. 3. Пояса освещенности, тропики и полярные круги.

Со сменой времен года связана сезонная ритмичность в природе. Она проявляется в изменениях температуры, влажности воздуха и других метеорологических показателей, в свою очередь, влияющих на режим водоемов, жизнь растений и животных.

Главное

• Шарообразная форма Земли определяет разницу в количестве солнечного света и тепла, поступающих на ее поверхность на различных широтах.

• Главные географические следствия осевого вращения Земли — смена дня и ночи, суточная ритмичность природных явлений и процессов, сплюснутая у полюсов форма планеты, отклоняющая сила.

• Главные географические следствия орбитального движения Земли — смена времен года и сезонная ритмичность природных процессов.

Вопросы и задания для самопроверки

1. Объясните значение формы Земли и ее размеров для географии. В каком месте на поверхности Земли человек может находиться ближе всего к ее центру? 2. Укажите географические следствия: а) вращения Земли вокруг своей оси; б) вращения Земли вокруг Солнца. 3. Приведите примеры суточных и сезонных ритмов в природе. 4. Что такое тропики и полярные круги? 5. В какой день в вашей местности высота Солнца над горизонтом в полдень будет наибольшей? наименьшей?

Работаем самостоятельно

1. Узнайте, кто, когда и каким образом первым измерил радиус Земли.

2. Подготовьте доклад о календарях, существовавших у разных народов. Укажите недостатки их систем отсчета времени.

Источник

Тема: « Форма, размеры и движения Земли и их геофизические следствия. Гравитационное поле Земли. Основные характеристики, их изменения по широте, глубине и высоте над поверхностью Земли. Гравитационные аномалии. » (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Тема: « Форма, размеры и движения Земли и их геофизические следствия. Гравитационное поле Земли. Основные характеристики, их изменения по широте, глубине и высоте над поверхностью Земли. Гравитационные аномалии. »

Выполнил: студент заочного отделения 1 курса

· Третья планета в галактике.

· Орбитальные характеристики планет.

· Внутренне строение Земли.

· Земная кора и её строение.

· Газовая оболочка Земли.

· Закон всемирного тяготения.

· Форма Земли и гравитация.

· Аномалии силы тяжести.

· Система Земля – Луна.

· Физические основы гравитационных аномалий.

· Первая в мире гравикарта.

· Список использованной литературы.

Третья планета в галактике.

Солнечная система включает девять крупных планет, которые со своими 57 спутниками обращаются вокруг массивной звезды по эллиптическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты можно разделить на две группы – планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, – Меркурий, Венера, Земля и Марс и планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, находящиеся на значительно 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 планетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.

Кроме больших планет между орбитами Марса и Юпитера вращается 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 которых далеко выходят за границы Солнечной системы.

Рис. 1. Солнечная система

Если обозначить через q перигельное расстояние, а через Q афелийное расстояние, то их значения легко определить из выражений: ;

Тогда, определив большую полуось (а), мы найдем среднее годичное расстояние планеты до Солнца:

Рис.3.Площади, описываемые радиус-вектором планеты

Cреднее гелиоцентрическое расстояние Земли от Солнца равно 149,6 млн. км. Эта величина называется астрономической единицей и принимается за единицу измерений расстояний в пределах Солнечной системы.

Отсюда следует, что секториальная скорость :

Время, в течение которого планета сделает полный оборот по орбите, называется звездным, или сидерическим периодом Т (рис. 3). За полный оборот радиус-вектор планеты опишет площадь эллипса:

Поэтому секториальная скорость :

Таким образом, орбита Земли лишь ненамного отличается от окружности.

Найденные из наблюдательной астрономии законы Кеплера показали, что Солнечная система представляет собой механическую 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 силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

где M и m – взаимодействующие массы, r – расстояние между ними; G – гравитационная постоянная. В системе СИ G = 6,672·10-11 м3·кг-1·с-2. Физический смысл гравитационной постоянной заключается в следующем: 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 весов.

Закон Ньютона решил задачу о характере действия силы, управляющей движением планет. Это сила тяготения, создаваемая центральной 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 планеты.

Но одновременно из второго закона механики эта же сила равна произведению массы на ускорение:

найдем выражение для определения массы Земли:

Подставив известные значения G = 6,672·10-11 м3·кг-1·с-2, g = 9,81 м/с2, R = 6,371·106 м, в итоге получим MЗ = 5,97·1024 кг, или в граммах: M3 = 5,97·1027 г. Такова масса Земли.

В настоящее время для более точного определения массы и фигуры планет и их спутников используются параметры орбиты искусственных спутников, запускаемых с Земли.

Орбитальные характеристики планет.

Физические условия на поверхности каждой из девяти планет всецело 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 солнечного тепла, ощутимо влияющего на температуру поверхности планет. Две из них – Венера и Земля – имеют плотную атмосферу, Меркурий и Марс атмосферы практически не имеют.

Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун значительно удалены от Солнца, имеют гигантские массы и плотную мощную атмосферу. Все они отличаются высокой осевой скоростью вращения. Солнечное тепло почти не достигает этих планет. На Юпитере оно составляет 0,018·103 Вт/м2, на Нептуне – 0,008·103 Вт/м2.

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, метеоритах, метеорной и космической пыли.

то выражение для момента импульса планеты примет вид: .

Из последней формулы следует, что при сжатии вращающихся систем, т. е. при уменьшении r и постоянстве т, угловая скорость вращения w неизбежно возрастает.

В таблице приведены орбитальные параметры планет. Хорошо видно, как по мере возрастания радиуса орбиты (гелиоцентрического расстояния) уменьшается период обращения и, следовательно, скорость движения планет.

Орбитальные параметры планет Солнечной системы.

Источник

Читать реферат по геодезии: «Форма, размеры и движения Земли и их геофизические следствия. Гравитационное поле Земли» Страница 1

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выполнил: студент заочного отделения 1 курса

специальность метеорология Бондарчук А.В. План

Третья планета в галактике.

Орбитальные характеристики планет.

Внутренне строение Земли.

Земная кора и её строение.

Газовая оболочка Земли.

Закон всемирного тяготения.

Форма Земли и гравитация.

Аномалии силы тяжести.

Система Земля – Луна.

Физические основы гравитационных аномалий.

Первая в мире гравикарта.

Список использованной литературы.

Третья планета в галактике. Солнечная система включает девять крупных планет, которые со своими 57 спутниками обращаются вокруг массивной звезды по эллиптическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты можно разделить на две группы – планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, – Меркурий, Венера, Земля и Марс и планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, находящиеся на значительно 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 планетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.

Кроме больших планет между орбитами Марса и Юпитера вращается 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 которых далеко выходят за границы Солнечной системы.Рис. 1. Солнечная система В

се планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в направлении движения Земли – с запада на восток. Это так называемое прямое движение. Основные закономерности движения планет полностью определяются законами Кеплера. Рассмотрим эти законы и охарактеризуем 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 (гели­оцентрическое расстояние) определяется радиусом-вектором r = СР. Отношение полуфокального расстояния (с) к большой полуоси (а) называется эксцентриситетом орбиты:.

Если обозначить через q перигельное расстояние, а через Q афелийное расстояние, то их значения легко определить из выражений:;

Тогда, определив большую полуось (а), мы найдем среднее годичное расстояние планеты до Солнца:

Источник

Форма, размеры и движения Земли и их геофизические следствия. Гравитационное поле Земли

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выполнил: студент заочного отделения 1 курса

специальность метеорология Бондарчук А.В.

· Третья планета в галактике.

· Орбитальные характеристики планет.

· Внутренне строение Земли.

· Земная кора и её строение.

· Газовая оболочка Земли.

· Закон всемирного тяготения.

· Форма Земли и гравитация.

· Аномалии силы тяжести.

· Система Земля – Луна.

· Физические основы гравитационных аномалий.

· Первая в мире гравикарта.

· Список использованной литературы.

Третья планета в галактике.

Солнечная система включает девять крупных планет, которые со своими 57 спутниками обращаются вокруг массивной звезды по эллиптическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты можно разделить на две группы – планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, – Меркурий, Венера, Земля и Марс и планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, находящиеся на значительно 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 планетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.

Кроме больших планет между орбитами Марса и Юпитера вращается 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 которых далеко выходят за границы Солнечной системы.

Рис. 1. Солнечная система

Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в направлении движения Земли – с запада на восток. Это так называемое прямое движение. Основные закономерности движения планет полностью определяются законами Кеплера. Рассмотрим эти законы и охарактеризуем 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 (гели­оцентрическое расстояние) определяется радиусом-вектором r = СР. Отношение полуфокального расстояния (с) к большой полуоси (а) называется эксцентриситетом орбиты: .

Если обозначить через q перигельное расстояние, а через Q афелийное расстояние, то их значения легко определить из выражений: ;

.

Тогда, определив большую полуось (а), мы найдем среднее годичное расстояние планеты до Солнца:

Рис.3.Площади, описываемые радиус-вектором планеты

.

Cреднее гелиоцентрическое расстояние Земли от Солнца равно 149,6 млн. км. Эта величина называется астрономической единицей и принимается за единицу измерений расстояний в пределах Солнечной системы.

Согласно второму закону Кеплера ра­диус-вектор планеты описывает площади, прямо пропорциональные промежуткам времени. Если обозначить через S₁ площадь перигелийного сектора (рис. 3), а через S₂ – площадь афелийного сектора, то их отношение будет пропорционально временам Dt₁ и Dt₂, за которые планета прошла соответствующие отрезки дуг орбиты: .

Отсюда следует, что секториальная скорость :

Время, в течение которого планета сделает полный оборот по орбите, называется звездным, или сидерическим периодом Т (рис. 3). За полный оборот радиус-вектор планеты опишет площадь эллипса:

.

Поэтому секториальная скорость :

Таким образом, орбита Земли лишь ненамного отличается от окружности.

Найденные из наблюдательной астрономии законы Кеплера показали, что Солнечная система представляет собой механическую 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 силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Математическая формулировка этого закона имеет вид: ,

Закон Ньютона решил задачу о характере действия силы, управляющей движением планет. Это сила тяготения, создаваемая центральной 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 планеты.

Воспользуемся законом тяготения и определим массу Земли, полагая, что взаимодействуют две массы – Земли (М) и некоторого тела, лежащего на ее поверхности. Сила притяжения этого тела определяется законом Ньютона: .

Но одновременно из второго закона механики эта же сила равна произведению массы на ускорение:

,

где g – ускорение силы тяжести; R – радиус Земли.Приравнивая правые части выражений: ,

найдем выражение для определения массы Земли:

В настоящее время для более точного определения массы и фигуры планет и их спутников используются параметры орбиты искусственных спутников, запускаемых с Земли.

Орбитальные характеристики планет.

Физические условия на поверхности каждой из девяти планет всецело 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 солнечного тепла, ощутимо влияющего на температуру поверхности планет. Две из них – Венера и Земля – имеют плотную атмосферу, Меркурий и Марс атмосферы практически не имеют.

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, метеоритах, метеорной и космической пыли.

Все планеты имеют сравнительно небольшие размеры и в сравнении с расстояниями между ними их можно представлять в виде материальной точки. Из курса физики известно, что произведение массы тела на его скорость называется импульсом: ,

а произведение радиуса-вектора на импульс – моментом импульса: .

Из приведенного выражения видно, что скорость V движения планеты по эллиптической орбите меняется вместе с изменением радиуса-вектора r. При этом на основании второго закона Кеплера имеет место сохранение моментов импульса: .

Видно, что при увеличении r₁ скорость V₁ должна уменьшаться, и наоборот (масса т планеты неизменна). Если выразить линейную скорость V через угловую скорость w : ,

то выражение для момента импульса планеты примет вид: .

Из последней формулы следует, что при сжатии вращающихся систем, т. е. при уменьшении r и постоянстве т, угловая скорость вращения w неизбежно возрастает.

В таблице приведены орбитальные параметры планет. Хорошо видно, как по мере возрастания радиуса орбиты (гелиоцентрического расстояния) уменьшается период обращения и, следовательно, скорость движения планет.

Орбитальные параметры планет Солнечной системы.

вращения, земные сут или ч

обращения земные сут

Меркурий57,90,3305,432,43958,65 сут2 ± 387,96935Венера108,24,8705,256,051

177,3224,7Земля149,65,9765,526,37823,9345 ч23,45365,26Марс227,90,6423,953,39324,6299 ч23,98686,98Юпитер778,319006,8471.3989,841 ч3,124333Сатурн1427,0568,85,8560,3310,233 ч26,7310759Уран2869,686,875,5526,2017,24 ч97,8630685Нептун4496,6102,05,6025,23(18,2 ± 0,4) ч(29,56)60189Плутон5900,1(0,013)(0,9)(1,5)6,387 сут(118,5)90465

При движении планеты вокруг Солнца сила притяжения последнего уравнивается центростремительной силой, приложенной к планете: .

Отсюда легко найти среднюю орбитальную скорость движения планеты, которая совпадает с круговой скоростью: ,

где r = a – расстояние от Солнца; Т – период обращения планеты вокруг светила.

В качестве примера найдем среднюю орбитальную скорость вращения Земли, положив в формулу Т = 365,2564·86400 с = 31,56·10 6 с, а = 149,6·10 6 км, получим V = 29,78 км/с.

Внутренне строение Земли.

Именно эти планетарные характеристики определили единственно возможный путь эволюции живого и неживого вещества Земли в условиях Солнечной системы, итоги которого запечатлены в неповторимом облике планеты. Эти три важнейшие характеристики у других восьми планет Солнечной системы существенно отличаются от земных, что и явилось причиной наблюдаемых различий в их строении и путях эволюции.

Масса современной Земли равна 5,976·10 27 г. В прошлом вследствие непрерывно протекающих процессов диссипации летучих элементов и тепла она, несомненно, была больше. Масса планеты играет определяющую роль в эволюции протовещества. Шарообразная форма Земли свидетельствует о преобладании гравитационной организации вещества в теле планеты.

С ростом глубины растут давление и температура. Вещество переходит в расплавленное и даже ионизованное состояние, благодаря чему возрастает его химический потенциал. Тем самым создаются предпосылки для длительной термической и, следовательно, геологической активности планеты.

Суточное вращение Земли обеспечивает также попеременное нагревание и охлаждение ее поверхности. Это способствует развитию водной и воздушной циркуляции, ускорению динамики всех процессов жизнедеятельности биосферы, преобразованию вещества земной коры.

Наклон оси вращения к плоскости орбиты (23°27¢) приводит к периодическому (сезонному) изменению количества солнечного тепла, получаемого различными участками земной поверхности при движении планеты по гелиоцентрической орбите. Полное обращение вокруг Солнца Земля делает за 365,2564 звездных суток (сидерический год), или 365,2422 солнечных суток (тропический год).

Земная кора и её строение.

Рис. Типы земной коры:

Субокеанская кора развита под глубоководными котловинами окраинных и внутренних морей (Черное, Средиземное, Охотское и др.), а также обнаружена в некоторых глубоких впадинах на суше (централь­ная часть Прикаспийской впадины). Мощность субокеанской коры 10-25 км, причем увеличена она преимущественно за счет осадочного слоя, залегающего непосредственно на нижнем слое океанской коры.

Газовая оболочка Земли.

Тропосфера. Это приземный слой атмосферы, про­­стирающийся до высоты 12 – 18 км. В нем содержится до 80% массы всей атмосферы, водяной пар и частицы пы­ли антропогенного и естественного происхождения (вул­­канизм, пыльные бури и т.д.). На уровне моря атмосферное давление равно 760 мм ртутного столба, или 1013,32 гПа. С высотой давление падает и на верхней границе тропосферы не превышает 0,026 атм (26 гПа). Тропосфера пронизывается двумя видами солнечной энергии – световой и тепловой. Потоки света и тепла частично рассеиваются облаками и частицами пыли и газов тропосферы, но в основном достигают земной поверхности, нагревая ее до 20 – 40°С. Нагреваясь, Земля переизлучает тепло в атмосферу, но в более длинноволновом диапазоне – инфракрасном. Это тепло поглощается парами воды и углекислого газа. Происходит прогревание тропосферы снизу. Поэтому с высотой температура тропосферы падает в среднем на 6 градусов на километр. Благодаря наклону земной оси к плоскости орбиты и сферичности Земли, количество тепла, получаемое земной поверхностью по долготе – от экватора до полюсов, – сильно меняется. На его распределение оказывают влияние также рельеф, океанические и морские бассейны.

Закон всемирного тяготения.

Согласно закону тяготения Ньютона, сила притяжения F определяется из выражения: , где r – расстояние от центра Земли до притягиваемой точки;М – масса Земли;m – масса притягиваемого тела;G – гравитационная постоянная, равная в системе СИ: .

Центробежная сила Р пропорциональна радиусу вращения l (рас­стояние от оси вращения) и квадрату угловой скорости w, где Т – средние звездные сутки, в течение которых Земля делает полный оборот (на 360°) вокруг своей оси. Таким образом, Р = w 2 lcos j;

рад/с.

На экваторе а = 6,378160×10 8 см, следовательно, сила, действующая на единицу массы на поверхности земного экватора, будет равна: Р_э = w 2 а = 3,391584 гал.

где l – расстояние от оси вращения Земли до точечной массы m на поверхности. Направление вектора g совпадает с линией отвеса, на конце которого подвешен груз с некоторой массой m.

, км

Форма Земли и гравитация.

Фундаментальные постоянные планет

Рис. 1.1. Эллипсоид вращения

Это различие в длинах радиуса обусловливает современное изменение силы тяжести от полюса до экватора на величину 1,6 гал.Отношение центробежной силы Р к силе тяготения F называют геодинамической постоянной q:

.

Оно показывает, что сила тяжести на поверхности Земли определяется главным образом притяжением ее массы, а вклад центробежного ускорения составляет всего 0,5%. Тем не менее эта величина действует на протяжении длительного времени, играет исключительно важную роль в дифференциации земного вещества, динамике водных и воздушных масс. Изменение силы Р по широте и сжатие Земли совместно определяют нормальное изменение поля силы тяжести у Земли.

Для вычислений нормальных значений силы тяжести Земли используются формулы, рассчитанные для эллипсоида вращения в предположении, что Земля состоит из концентрических слоев, однородных по плотности.
Формулы Клеро (1743): G0 = ge(1+βsin2φ-β’sin22φ); β = 5/2q-α; β’ = 1/8α2+1/4αβ,
где: g0 – нормальное значение силы тяжести;
ge – значение силы тяжести на экваторе;
φ – широта пункта наблюдения;
q ≈ 1/300.
Формулы Клеро позволяют вычислить теоретическое значение силы тяжести в какой-либо точке земной поверхности, если известна широта этого пункта. Коэффициенты в формуле Клеро для нормального распределения силы тяжести выводились многими учеными, но практическое применение нашли формула Гельмерта и международная формула Кассиниса.
Формула Гельмерта (1901-1909):
g0 = 978,030(1+0,005302sin2φ-0,000007sin22φ)
Формула Кассиниса:
g0 = 978,049(1+0,0052884sin2φ-0,0000059sin22φ)
Чтобы наблюденные значения силы тяжести, относящиеся к реальной поверхности Земли, сравнивать с нормальными, их необходимо приводить (редуцировать) к уровню эллипсоида. Есть поправка в свободном воздухе, поправка за промежуточный слой, поправка за рельеф.

Аномалии силы тяжести.

Представляя фигуру Земли эллипсоидом вращения и вводя понятие геоида, мы предполагаем, что масса Земли сложена однородным по плотности веществом. При этом изменение силы тяжести на поверхности Земли должно быть обусловлено лишь изменением по широте потенциала центробежной силы и различием в экваториальном и полярном радиусах. Однако в реальных условиях характер изменения силы тяжести отличается от теоретического нормального распределения, рассчитанного для поверхности однородного геоида, или эллипсоида. Такого рода отклонения силы тяжести от нормальной величины вызваны неоднородным распределением плотностей в теле Земли и особенно в верхних ее частях.

Аномалии силы тяжести создаются главным образом неоднородным распределением плотностей в земной коре и верхней мантии. Однако, чтобы выявить эту неоднородность, простого вычитания из наблюденной силы тяжести нормальной составляющей оказывается недостаточно. Дело в том, что величина силы тяжести зависит от целого ряда факторов, и в первую очередь от географической широты и высоты места (относительно уровня моря), рельефа окружающей местности, характера плотностных неоднородностей в верхних слоях Земли под точкой наблюдения и др. Для исключения влияния этих факторов в наблюденное значение Dg вводят поправки или, как их еще называют, редукции. Название редукции определяет название аномалии силы тяжести.

Таким образом, аномалия в свободном воздухе отражает суммарное влияние плотностной неоднородности горных пород и влияние дополнительных масс, вызванное рельефом. Поэтому в условиях расчлененного рельефа с большим перепадом высот (порядка нескольких сотен метров) аномалия в свободном воздухе в значительной степени будет отражать топографию, в то время как гравитационный эффект плотностных неоднородностей верхних этажей геологического разреза Земли будет замаскирован. Исключение, как уже отмечалось, составляют равнинные участки с небольшими перепадами рель­ефа. В этих условиях аномалия в свободном воздухе может быть использована для изучения глубинной структуры.

в которой постоянные нужно считать известными. Эти данные определяются из наблюдений и зависят от методики их вычислений, от объема и качества наблюдательных данных. Построение «нормальной» формулы для вычисления силы тяжести требует привлечения экспериментальных данных, полученных в разных странах, в разных экспедициях. В последние 3-4 десятилетия широко используются и спутниковые наблюдения, которые резко увеличили надежность результатов. Для того, чтобы карты гравитационных аномалий, полученных разными авторами, можно было сравнивать и анализировать, необходимо, чтобы гравитационные аномалии вычисляли по одинаковым методикам. По этой причине Международный Геофизический и Геодезический союз на своей Генеральной Ассамблее в августе 1971 года утвердил следующую формулу для нормальной силы тяжести

В качестве «нормальной Земли» принят общий земной эллипсоид с параметрами

Максимальное уклонение (73) располагается в районе Индийского океана, минимальные в Тихом.

Система Земля – Луна.

Рассмотрим еще одно интересное явление, возникающее под действием взаимного притяжения планеты и обращающегося вокруг нее спутника. Внешним проявлением на Земле этого явления являются приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды дважды в сутки поднимается и опускается до своих максимальных отметок. Это объясняется притяжением Луны между двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей оси быстрей, чем Луна совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50 мин.

Найдем разность ускорений силы тяжести материальных точек А и О: .

Поскольку расстояние r и 2r много больше единицы, то последними можно пренебречь. В итоге получим: .

Выражение характеризует приливообразующую силу внутри и на поверхности Земли, которая, как видим, обратно пропорциональна кубу расстояний между планетой и ее спутником.

Под действием силы dg точка А удаляется от точки О в направлении к Луне, образуя своеобразный горб на поверхности планеты – прилив. Но точка О в свою очередь также притягивается Луной на большую амплитуду, чем точка В, расположенная на обратной стороне Земли. Поэтому и на обратной стороне на поверхности планеты образуется приливное вздутие. Одновременно с двумя областями прилива, в точках квадратур, т. е. районах, отстоящих на 90° по меридиану от точек прилива, будет наблюдаться отлив. В ходе вращения Земли приливные волны дважды в сутки обходят ее поверхность. Высота прилива в океане не превыша­ет 1 – 2 м. Однако, когда приливная волна подходит к шельфовому мелководью, она возрастает до нескольких метров. Волны прилива наблюдаются и в твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения Луны и Солнца. Приливное трение, возникающее при движении жидкой и в меньшей степени твердой волн, приводит к торможению осевого вращения Земли и ее спутника. По этой причине Луна уже давно прекратила свое вращение вокруг оси и постоянно обращена к планете одной стороной. Уменьшение скорости вращения Земли составляет 2 с за каждые 100 тыс. лет. За последние 450 млн. лет она уменьшилась с 21 часа 53 минут до 24 часов в настоящее время.

Поскольку масса Земли в 81 раз больше массы Луны, то величина приливного ускорения на поверхности спутника будет примерно в 20 раз больше, чем на Земле, и теоретическая высота твердого прилива может достигать нескольких метров.

В связи с этим возникает интересный вопрос о предельно допустимом расстоянии, на которое могут сблизиться спутник и планета в ходе своей эволюции. Для этого приравняем приливной потенциал Земли к ускорению свободного падения на поверхности Луны:

.

После преобразований получим:= 1738»9400 км.

Здесь m, r₀ – масса и радиус спутника; М – масса планеты; r – расстояние между планетой и спутником. Полученное выражение называется пределом Роша. Спутник, попавший внутрь предела Роша вследствие многокилометровой приливной волны, будет неизбежно разрушен и превращен в каменное кольцо вокруг планеты. Не менее катастрофичными станут последствия такого сближения и для планеты. Гигантский приливный горб высотой многие сотни метров, прокатившись многократно по мере сближения спутника по поверхности, перемелет в пыль горы и равнины, реки и моря планеты, а приливное трение раскалит поверхность разрушившихся пород. Резко затормозится скорость вращения планеты, что вызовет изменение ее фигуры и сопутствующие этому процессу землетрясения. Поверхность планеты претерпит катастрофические разрушения. В свете сказанного гипотеза об образовании Тихого океана путем отрыва Луны представляется просто наивной. При входе в зону Роша она была бы превращена в пыль, сквозь которую мы до сих пор не могли бы видеть солнечного света, не говоря уже о том, что в геологической истории Земли подобной катастрофы не запечатлено.

Тессеральный прилив имеет более сложный фронт: узловые линии располагаются по меридиану и экватору. При этом максимум волны достигается на широтах 45° с.ш. и 45° ю.ш. На экваторе и полюсах фун­кция W = 0. Тессеральному приливу соответствуют главная фаза М₁ и две близкие по периоду волны К₁ и О₁. Их период равен звездным суткам. Несимметричность тессерального при­лива относительно экватора и различная амплитуда его в северном и южном полушариях обусловливают прецессию и нутацию земной оси за счет изменения главного момента инерции Земли.

Зональный прилив зависит только от широты. Его фронтом являются 35° с.ш. и 35°16´ ю.ш. Максимальная амплитуда достигается на полюсах. Поскольку склонение Луны изменяется с периодом 27,321 средних звездных суток, период зонального прилива составляет 14 суток. Зональный прилив определяет сжатие Земли. Перераспределение масс на полюсах и экваторе (прилив на полюсах ведет к образованию отлива на экваторе) приводит к изменению экваториального и полярного моментов инерции, что вызывает изменение главного момента инерции и периодические колебания скорости вращения Земли (Мельхиор, 1975).

В результате вращения узлов лунной орбиты с периодом Т₀ = = 18,613 года образуется дополнительная волна прилива, амплитуда которой сравнима с амплитудой месячного прилива. Сложение ее с главной волной зонального прилива приводит к настолько сильному перераспределению масс в теле Земли и перисфере, что это находит выражение в периодичности землетрясений и вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. В частности, прогноз 19-летних циклов составляет до 94 % для сильных землетрясений с магнитудой М ³ 7 и глубиной очагов 0 – 600 км, а также для мощного вулканизма.Кроме перечисленных волн имеются аналогичные им солнечные приливные волны несколько меньшей амплитуды, которые, складываясь с лунными, усиливают их.

Гармонический анализ только месячной серии приливных наблюдений позволяет выделить еще целый ряд волн. В частности, по разложению Дудсона получается 115 секториальных полусуточных, 158 тессеральных суточных, 99 зональных долгопериодных и 14 секториальных третьесуточных волн. Взаимодействие всех этих фаз приводит к сложнейшим взаимным перемещениям возмущающих масс вещества в теле Земли и на поверхности.

Физические основы гравитационных аномалий.

Аномальное гравитационное поле отражает суммарное действие гравитирующих масс, расположенных на различных глубинах в земной коре и верхней мантии. Поэтому для однозначного решения вопроса о природе аномалий необходимо уметь разделять гравитационные поля на региональные, создаваемые глубоко залегающими массами, и локальные, вызванные местными геологическими неоднородностями разреза. В частности, для исключения высокочастотного локального фона пользуются различными методами пересчета аномального поля в верхнее полупространство, т.е. наблюдатель как бы удаляется от объекта возмущений. В результате таких операций мелкие неоднородности поля сглаживаются и остается низкочастотный региональный фон, обусловленный действием глубоко залегающих гравитирующих масс.

Другая задача интерпретации заключается в исключении регионального фона и выделения локальных аномалий, связанных с неглубоко залегающими массами. Методы решения этих задач разработаны довольно обстоятельно и в целом носят полуколичественный характер.

Несмотря на сложную структуру аномального гравиметрического поля, наблюдаемого как на суше, так и на море, отдельные участки кривой Dg могут быть использованы для определения параметров гравитирующей массы. Иногда, меняя форму и глубину залегания гравитирующей массы, рассчитывают создаваемую при этом аномалию. Сравнивая ее с наблюденной аномалией, методом подбора определяют основные параметры возмущающей массы в реальных условиях.

Нахождение гравитационного поля по известной форме, плотности и глубине залегания гравитирующей массы называется прямой задачей гравиразведки.

Нахождение параметров гравитирующей массы по характеру аномалии называется обратной задачей гравиразведки.

На практике чаще всего приходится решать обратную задачу. При этом наиболее удовлетворительное приближение удается достигнуть для тел простой геометрической формы.

Существование гравитационных аномалий в земной коре, под дном океана, равно как и на суше, обусловлено плотностными неоднородностями горных пород. Чем значительнее эти неоднородности, тем лучше они отражаются в аномальном гравитационном поле. Большое значение имеют также размеры и форма аномалиеобразующего тела.

Для оценки параметров геологических объектов и расчетов создаваемого ими аномального поля силы тяжести вводится, как уже говорилось, понятие избыточной плотности горных пород:

.

Избыточной плотностью называется разность плотности вмещающих пород r₁ и плотности аномалиеобразующего тела r₂. Знание плотности важно при геологическом истолковании гравитационных аномалий.

Сведения о плотностях горных пород получают различными способами: непосредственными измерениями в скважинах или по образцам, или косвенным путем по данным о сейсмических скоростях распространения волн в толщах пород, или аналитически по наблюденным гравитационным аномалиям.

Плотность горной породы определяется как отношение массы вещества m к ее объему V:

Она зависит от минералогического состава, пористости и влажности породы. Чем больше пористость, тем меньше плотность, и наоборот. Если поры заполнены водой, то плотность такой породы повышается. Различные геологические процессы оказывают существенное влияние на плотность пород. Например, в зонах тектонических разломов в результате дробления пород и замещения их более легкими породами может происходить разуплотнение первоначально более плотного субстрата. В случае внедрения интрузий основного или ультраосновного состава происходит замещение менее плотных пород более плотными. Увеличение плотности пород наблюдается в сводах антиклинальных складок в результате сжатия пород.В целом плотность осадочных пород меньше, чем плотность магматических и метаморфических пород, и возрастает с увеличением основности пород. Ниже приведены плотности наиболее распространенных пород.

Плотности наиболее распространенных пород.

Средняя плотность, г/см 3

Глинистые сланцыМетаморфические2,3Серпентиниты2,6ГранитыКислые2,7Диабазы, габброОсновные2,9Базальты3,0ДунитыУльтраосновные3,2Глины2,0ПесчаникиОсадочные2,3Известняки2,5Морская вода–1,03

В реальных средах наблюдаются довольно значительные отклонения плотности от указанных средних значений в ту или иную сторону.

Сопоставление плотности с другими физическими свойствами гор­ных пород обнаруживает в ряде случаев определенные статистические связи. Так, отмечается параболическая зависимость скорости распространения продольных сейсмических волн от плотности. С увеличением скорости плотность закономерно возрастает. Это позволяет проводить оценку плотностных характеристик геологического разреза по материалам сейсмических исследований. Выше приводились данные об увеличении плотности пород по мере повышения их основности. В этом же направлении происходит и увеличение магнитной восприимчивости пород, хотя более определенной статистической закономерности здесь определить не удается.

Плотность горных пород дна океана в большинстве случаев удается определить на образцах, драгированных лишь с поверхности дна. Начавшееся в 1969 г. глубоководное бурение с «Гломар Челленджер» позволило проводить непосредственные определения плотности осадочных и базальтовых пород на глубину до 1 км под поверхность дна океана.

Измерения плотности на образцах производятся либо путем гидростатического взвешивания, либо с помощью специального прибора – денситометра. В первом случае значение плотности непористых образцов определяется по формуле : ,

Первая в мире гравикарта.

Список использованной литературы

1. Учебник по геофизике – 2000 г. – Орлёнок Ю.А.

2. Сборник статей по гравитационным аномалиям факультета геологии МГУ.

Источник