Физические свойства (поля) Земли

Поле силы тяжести. Вокруг Земли существует поле тяготения, обусловленное ее массой, получившее название гравитационного. На поверхности Земли существует и отталкивающая сила — центробежная, вызванная вращением Земли вокруг своей оси.

Равнодействующая двух этих сил — гравитационного притяжения и центробежной называется силой тяжести, последняя способствует удержанию тел на поверхности Земли, а гравитационное поле удерживает на расстоянии спутник Земли — Луну. Сила тяжести выражается как произведение массы на ускорение силы тяжести.

Величина ускорения силы тяжести изменяется от плотности горных пород и зависит от конфигурации Земли и рельефа ее поверхности. В меридиональном направлении значение ее постепенно меняется от 978 — на экваторе до 983 гал (в честь Г.Галилея: I гал = I см/c2) — на полюсах.

С удалением от Земли напряженность гравитационного поля убывает. Тем не менее, неоднородное распределение масс в различных района Земли заметно сказывается на орбитах искусственных спутников — там, где ускорение силы тяжести больше, спутники пролетают ниже и наоборот.

поле тяготения

В глубь Земли ускорение силы тяжести несколько увеличивается, достигая максимума (1037 гал) на границе мантии и ядра, а в ядре — равномерно уменьшается до нуля в центре ядра.

Неоднородности состава и строения земной коры и мантии вызывают гравитационные аномалии — отклонение значений силы тяжести от расчетных значений, полученных исходя из средней плотности пород. Устанавливаемые с поверхности суши или с воды океанов и морей аномалии бывают положительные — над залегающими более плотными породами и отрицательные — над более легкими.

Как правило, крупные положительные аномалии проявляются в океанических впадинах, отрицательные — в горных областях на континентах. Считается, что континенты и океаны находятся в состоянии изостатического равновесия, за исключением наиболее тектонически-активных в современную эпоху регионов.

Для измерения силы тяжести используются приборы гравиметры. Расшифровка гравиметрических карт помогает составить представление о глубинном строении недр и обнаружить месторождения полезных ископаемых.

Магнитное поле Земли поле тяготения

Источник земного магнетизма находится внутри Земли; магнетизм образуется за счет электрических токов циркулирующих на больших глубинах. Ряд ученых считают, что электрический ток генерирует турбулентная конвекция во внешнем жидком ядре. Английский геофизик Е.Буллард объясняет существование магнитного поля Земли неодинаковым вращением ядра и вышележащих оболочек.

Магнитное поле простирается на расстояние до 93 тыс. км от поверхности Земли, что установлено российскими искусственными спутниками и имеет исключительное значение в возникновении и развитии жизни на Земле, так как задерживает потоки заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, не допускает их к поверхности Земли.

Рис. 2.4. Магнитное поле Земли

Земля представляет собой сферический магнит, геомагнитное поле дипольное. Величина индукции геомагнитного поля максимальная у магнитных полюсов и минимальная — на экваторе. Магнитные полюсы Земли не совпадают с полюсами вращения, т.е. с географическими — Северным и Южным полюсами Земли (рис. 2.4).

Северный магнитный полюс находится среди островов северной Канады и имеет координаты 70° с.ш, 100° з.д., а южный магнитный полюс располагается в Антарктиде — 68° ю.ш., 143° в.д. В течение последнего столетия наблюдалось блуждание Северного магнитного полюса в пределах нескольких сотен километров от среднего положения.

Поле тяготения Земли

На протяжении геологической истории происходило многократное изменение полярности магнитного поля Земли, т.е. Северный полюс становился Южным и наоборот. Периоды относительного устойчивого положения знака полюсов оцениваются геофизиками от 700 тыс. до 1,5 млн. лет.

Магнитное поле характеризуется склонением и наклонением. Склонение выражается углом, который образует магнитная стрелка компаса с направлением географического меридиана. Наклонение определяется углом, образованным наклоном стрелки компаса к горизонту. По мере приближения к магнитному полюсу магнитная стрелка все более наклоняется и на магнитных полюсах принимает вертикальное положение.

В земной коре имеются магнитные аномалии, они обнаруживаются в местном отклонении от регионального среднего значения магнитного поля, вызываются неоднородностями геологического строения недр и наличием ферромагнитных минералов. Такова, например, Курская магнитная аномалия, вызванная залежами железной руды — магнитное напряжение там в 5 раз выше среднего.

Дну океанов присущи полосовые аномалии. Они вытянуты линейно на сотни километров параллельно срединно-океаническим хребтам. Магнитные свойства горных пород и особенно магнитные аномалии используются для изучения строения земной коры, ее геологической истории и поисков полезных ископаемых.

Тепловое поле Земли и поле тяготения

Земля получает тепловую энергию от Солнца и из недр. Основным источником внутреннего тепла считают самопроизвольный распад радиоактивных элементов, кроме того, тепло образуется при гравитационной дифференциации вещества Земли, фазовых изменений минералов и пород с образованием вещества большей плотности, химических реакциях, трении при тектонических перемещениях, возможной кристаллизации ядра.

Считается, что за длительную геологическую историю Земли перечисленные процессы разогрели некогда холодную материю. Средний тепловой поток из недр Земли на поверхности оценивается величиной 1,5Ч10-6 кал. с каждого квадратного сантиметра в секунду (в молодых горах — больше, на древних равнинах — меньше).

На поверхности Земли температура, определяемая солнечной радиацией, изменяется в широких пределах и зависит от времени года (от +58 до -80°С); среднегодовые температуры отличаются на 50-60°С.

поле тяготения

В глубь от поверхности Земли влияние солнечного тепла сказывается все менее и менее, колебания температуры уменьшаются и на некоторой глубине становятся равной среднегодовой температуре воздуха на поверхности Земли.

Это так называемый пояс постоянной температуры, глубина залегания которого зависит от климатических факторов, в частности, от амплитуды колебания температуры воздуха в течение года, теплопроводности пород, условий их залегания, обводненности, рельефа местности, наличия вулканических очагов или многолетнемерзлой зоны земной коры и других факторов.

Диапазон изменения глубины залегания пояса постоянных температур от 2 до 40 м; в Москве — на глубине 20 м (t = 4,2оС). Ниже пояса постоянных температур под влиянием внутреннего тепла Земли температура с глубиной повышается, рост ее, как показывают наблюдения, идет неравномерно.

Поле тяготения

Для оценки этих изменений пользуются понятиями: 1) геотермическая ступень, под которой понимают расстояние в метрах по вертикали, на которое температура повышается на 1°С и 2) геотермический градиент — число градусов Цельсия, на которое увеличивается температура при заглублении на 100 м.

Интенсивность изменения температуры с глубиной ниже пояса постоянных температур зависит от: состава горных пород и количества радиоактивных элементов в них, сформированных геологических структур, современных тектонических движений, наличия магматических очагов и подземных вод и других факторов.

Геотермическая ступень изменяется в основном в пределах от 10 до 80 м (меньшие значения характерны для платформенных областей, большие — для горно-складчатых), составляя в среднем 33 м; в Москве — 38,4 м, в Карелии — 100 м. Приведенный диапазон значений геотермической ступени справедлив в пределах сиалической оболочки земной коры до глубины 15-20 км.

поле тяготения

Ниже рост температуры замедляется и по прогнозным расчетам (с учетом всё возрастающего давления) температура составляет: в пределах раздела Мохоровичича — 900-1000, на глубине 100 км — 1300, на 400 км — 1700, на границе мантии и ядра (2900 км) — 3500 и в центре Земли порядка 5000°С.

Лава, изливающаяся на поверхность Земли при извержениях вулканов имеет температуру 800-1200°С. Характеризуя общий тепловой режим Земли, большинство ученых считает, что литосфера вступила в стадию остывания, а залегающие ниже мантия и ядро продолжают разогреваться. С внутренним теплом связаны так называемые эндогенные геологические процессы — вулканизм, землетрясения, тектонические движения.

Пар и горячие воды используются для выработки электрической энергии и обогревания домов. При проходке глубоких горных выработок для добычи полезных ископаемых приходится искусственно понижать температуру.

Давление внутри Земли и поле тяготения

Давление внутри Земли определяется с помощью уравнения гидростатики как функция плотности и силы тяжести. Исходя из этого, давление увеличивается в глубь Земли следующим образом: на глубине 1 км — 2,8Ч107, у подошвы земной коры на континенте — 1,3Ч109 , на границе мантии и ядра – 1,3Ч1011, в центре Земли более 3,5Ч1011 Па (13,5 млн. атм.).

Возрастающее с глубиной давление вызывает увеличение плотности пород. Под громадным давлением вещество может приобретать мало известные нам свойства.

Вещественный состав Земли

Для изучения состава земных недр отбираются образцы минералов и горных пород с дневной поверхности, из скважин и горных выработок, изучается состав метеоритов и космических тел. Из известных в природе химических элементов в земной коре обнаружено 92, остальные — полученные в лабораторных условиях, неустойчивы и почти сразу же распадаются.

Если учесть изотопы атомов, имеющиеся у многих химических элементов — обладающие разными атомными массами (различным числом нейтронов), но имеющие одинаковый заряд атомных ядер и поэтому занимающими одно место в периодической системе Менделеева, то их количество — 285 — это все, что на атомарном уровне обеспечивает бесконечное разнообразие природы.

Химические элементы встречаются в земной коре в атомарном, ионизированном и молекулярном состояниях и образуют твердые тела, жидкости и газы.

поле тяготения

Достоверно известен вещественный состав лишь самой верхней части земной коры. Более 99 % массы здесь состоит всего из 8 химических элементов.

Резко преобладают два из них: кислород — 47 % и кремний — 28 %, значительное распространение имеют алюминий — 8 % и железо — 5 %, далее идут кальций — 3 %, натрий и калий — по 2,5 % и магний — 2 % (цифры округлены), десятые доли процента составляют водород и титан. Остальные химические элементы содержатся в земной коре в ничтожных количествах.

В континентальной коре выше, чем в океанической содержание окислов кремния, натрия, калия и фосфора. Океаническая кора отличается повышенным содержанием окислов алюминия, кальция, магния, железа, титана и магния. В прогнозном составе Земли в целом, наибольшее содержание отводят железу — 35 %, на втором месте стоит кислород — 30 %, далее идут кремний — 16 % и магний — 13 %, замыкают список никель и сера — по 2 % и алюминий и кальций — по 1 %.

Большинство ученых считает, что ядро Земли сложено железом и никелем с примесью серы и кремния.

В следующей главе подробно рассматриваются наиболее часто встречающиеся в земной коре сочетания химических элементов, образующие минералы и горные породы.

Главная