Сведения о формах, размерах и движении Земли

      Содержание.

1. Дано: Сведения о формах, размерах и движении Земли
2. Порядок выполнения работы

1. Форма и размеры Земли………………………………………………………. 2

2. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение……………………….. 4
3. Геофизические следствия формы, размеров и движения Земли……….. 6
4. Устройство поверхности (основные понятия)……………………………….... 8
5. Внешние оболочки (основные понятия)……………………………………….. 9
6. Внутренние оболочки (основные понятия)…………………………………... 10
7. Современные представления о происхождении геосфер (основные понятия)………………………………………………………………………....... 11

3. Анализ полученных результатов………………………………………………... 12

Литература…………………………………………………………………............. 12

2.1. Форма и размеры  Земли

        С древнейших  времен ученых интересовала форма   Земли,  и представление о ней эволюционировало вместе с развитием взглядов человечества  на  пространство.   Сначало   считалось, что она плоская,  дискообразная,   окружена     мифической     рекой     Океан.

В дальнейшем, в VI в. до н. э.  были высказаны предположения о шарообразности Земли, а спустя три века Архимед ввел понятие о сфероиде — поверхности, близкой по форме к сфере. В конце III — начале II в. до н. э. Эратосфен, который впервые вычислил разность географических широт Асуана и Александрии, определил размеры Земли, учитывая ее шарообразность. Зная расстояние между указанными пунктами, он рассчитал, что радиус земного шара равен 6311000 м. Вплоть до XVII в. господствовало представление о Земле как о шаре с таким радиусом. С появлением более совершенных технических средств и методов триангуляционных работ  начали  проводиться  уточнения  размеров  и формы Земли. Так, в 1669—1670гг. французский астроном Пикар по измерениям длины дуги меридиана в 1°22'55¢¢ вычислил, что радиус Земли составляет 6371692 м.                                          
Данные Пикэра и работа Коперника «Об обращении небесных сфер» (1543 г.)   послужили основой для разработки Ньютоном в 1687 г. теории фигуры Земли. Рассматривая суточное вращение Земли, Ньютон заключает, что «фигура планеты при не  очень быстром вращении должна принять форму эллипсоида вращения».

Земной  эллипсоид вращения отличается от шара тем, что он сплюснут у полюсов, меридианы его представляют собой эллипсы,  полярная   и   экваториальная   полуоси   имеют различную длину. Это означает, что кривизна дуги меридиана у полюсов меньше, чем у экватора. Данные фактических измерений объективно подтверждают указанное различие длины дуг меридиана.

Таблица 2.3

Длина дуги 1° меридиана

Эллипсоид вращения характеризуется большой  экваториальной (а_э) и малой полярной (b) полуосями, а также полярным сжатием а:

       .                                (2.1)

      Сжатие  земного эллипсоида можно также  выразить через силы вращения Земли и ускорение свободного падения:

       ,                                         (2.2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от плотности Земли; w — угловая скорость вращения Земли; d — радиус вращений;   g_э  — ускорение свободного падения на экваторе.

      Плотность всех геосфер по вертикали не остается постоянной, она неодинакова и в разных точках на одной и той же глубине (высоте). Неравномерное распределение суши и моря на земном шаре усиливает неравномерность пространственного распределения плотности Земли. Все это свидетельствует о том, что на величину а влияют не только скорость осевого вращения Земли и ее размеры, но и характер внутреннего строения планеты (степень се однородности). Изменение одной из компонент правых частей формул (2.1) и (2.2) вызывает изменение величины а. 
 

      Рис. 2.4. Трехосный эллипсоид вращения. 

     Значения  коэффициента k в формуле (2.2) заключены в некотором интервале. Первое крайнее значение этого интервала (k=1,25) принято Ньютоном па основе предположения о равенстве плотности во всех точках твердого тела Земли, второе (k =0,50) — Гюйгенсом при допущении, что вся масса Земли сосредоточена в ее центре. В соответствии с указанными допущениями, .

     В результате этих работ ученых на протяжении XVIII—XIX вв. и первых десятилетий XX, было установлено, что Земля не является ни шаром, ни двухосным эллипсоидом вращения, а больше всего по форме приближается к трехосному эллипсоиду вращения. Этот эллипсоид отличается от обычного тем, что у него не только меридианы, но и экватор является эллипсом. В 1940 г. А.А.Изотовым под руководством Красовского были вычислены элементы земного трехосного эллипсоида. Его размеры таковы (рис. 2.4): а_э=6378,245 км, малая экваториальная полуось а₁= 6378,032 км, b = 6356,863 км, a_э—b=21,382 км, a=1:288,3. 

      Объем земного трехосного эллипсоида и  площадь его поверхности соответственно равны 1,083×10²¹ м³ и 5,1×10¹⁴ м², длина окружности меридиана составляет 40008,548 км, радиус шара такого же объема равен 6371,200 км. Экваториальное сжатие . Этот эллипсоид носит название эллипсоида Красовского.

     В последнее время на основе анализа  движений ИСЗ, запущенных по полярным орбитам, найдено, что коэффициент k в формуле (2.2) равен 0,966. В соответствии с этим полярное сжатие Земли равно 1/298,25. Этим значением и предпочитают теперь пользоваться.

На основе многочисленных измерений Международный  астрономический союз в 1964 году принял следующие значения элементов двухосного земного эллипсоида: экваториальная полуось 6378,160 км, полярная полуось 6356,780 км и сжатие 1: 298,25.

Данные  ИСЗ и наземные измерения показывают также, что Южное полушарие Земли более сжато, чем Северное. При этом земной трехосный эллипсоид по форме ближе подходит к сердцевидной фигуре — кардиоиду — с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью на Северном.

     Форма Земли не остается постоянной. Она  изменяется под влиянием внешних и внутренних факторов. Основными из них являются изменения геометрических размеров, массы и скорости вращения Земли, а также внутреннего ее строения.

Под влиянием приливного торможения Земли в системах Земля—Луна и Земля—Солнце полярное сжатие земного сфероида a убывает. На это, так называемое вековое, уменьшение a накладываются пульсационные колебания, обусловленные неустойчивостью внутренних слоев нашей планеты. Характерно, что скорость изменения a в Северном и Южном полушариях неодинакова: в ходе векового уменьшения a Северное полушарие опережает Южное. Причиной этого является асимметричность сил вращения Земли, возникающая вследствие несимметричности Северного и Южного полушарий.

     Несимметричность  полушарий выражается в том, что  в Северном полушарии по площади преобладают материки, в Южном — океаны, на Южном полюсе находится материк, на Северном — океан. Также различны геологическая история и состав вещества верхних слоев твердого тела Земли обоих полушарий. Указанная несимметричность тормозит сжатие Северного полушария и ускоряет сжатие Южного. 

     Если  бы весь земной шар был покрыт неглубоким морем, то форма поверхности Земли полностью определялась бы гидростатическим равновесием воды под действием силы тяжести и сил, возникающих из-за вращения Земли, Получающаяся при этом эквипотенциальная поверхность (эквипотенциальная поверхность — поверхность, во всех точках которой гравитационный потенциал постоянен) носит название геоида (рис. 2.5). Под такой поверхностью понимается уровенная  поверхность, совпадающая со средним уровнем Мирового океана и мысленно продолженная под материки. Поверхность геоида всюду перпендикулярна к направлению силы тяжести.

     Рельеф  поверхности материков (горные хребты, котловины и т. д.), как и сами материки, создает заметное отклонение реальной земной поверхности от геоида. Не в меньшей мере этому способствует неравномерное распределение твердых масс в теле Земли. В итоге форма геоида отличается от эллипсоида вращения,  обычно  принимаемого  в    геофизике    за    истинную    форму Земли.

Поверхность геоида достаточно сложная и обычно всюду выпуклая в соответствии с выпуклостью поверхности Мирового океана. Она редко выступает над поверхностью сфероида. Так, на экваторе отклонения геоида от сфероида обычно составляют не более ±100 м и лишь в отдельных случаях +125 и —140 м.

      Рис. 2.5. Поверхность геоида и эллипсоида вращения.

    Действительная поверхность Земли имеет весьма неправильную форму. Поэтому в последнее время делаются попытки определить размеры общего земного эллипсоида, т. е. такого, центр которого совпадает с центром инерции Земли, ось — с осью вращения, а сумма квадратов отклонений точек поверхности от геоида минимальна. В этом смысле важнейшая роль принадлежит измерениям с помощью ИСЗ.

2.2. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение

    Скорость вращения Галактики вокруг своей оси неодинакова – она возрастает  по мере удаления от ядра системы к ее периферии. Полный оборот на расстоянии Солнца от ядра Галактика совершает как минимум за 180 млн лет, вращаясь со скоростью около 25×10⁴ м/с. Галактика постоянно поступательно движется в направлении созвездия Единорога со скоростью около 21×10⁴ м/с. В этих движениях вместе с Солнцем участвует Земля как составная часть Солнечной системы.

    Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с запада на восток (орбитальное движение). Эксцентриситет орбиты равен 0,017. Наиболее близкая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, наиболее удаленная— афелием. Полный оборот вокруг Солнца наша планета совершает за 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд. Характерно, что на отдельных участках орбиты движение Земли происходит быстрее, чем на других. Первую половину своей орбиты планета проходит примерно за 186 суток (с 21 марта по 23 сентября), вторую — за 179 суток (с 23 сентября по 21 марта). Наибольших значений скорость орбитального движения достигает в перигелии, наименьших — в афелии. При средней, или так называемой круговой, скорости Земли, равной 29780 м/с, различие скоростей в перигелии и афелии составляет около 950 м/с.

    Наряду  с орбитальным движением Земля постоянно совершает вращательное движение вокруг своей оси. Такое вращение происходит также с запада на восток, полный оборот вокруг своей оси планета совершает за одни сутки (23 часа 56 минут 4 секунды) с угловой скоростью около 7,292116 ×10^-5 c^-1 ,  или со средней линейной скоростью 465 м/с.

    Продолжительность такого оборота (продолжительность  суток t) и угловая скорость w меняются в течение года. Наибольших значений t достигает в марте (t_III), наименьших — в августе (t_viii). Разность t_III-t_VIII приблизительно равна 25×10^-4 с. Относительное изменение угловой скорости между мартом и августом составляет около 2,8×10^-8. По Н. Н. Павлову, значение t зависит от солнечной активности: при ее максимуме t на 0,7 секунд  больше, чем в период ее минимума.

    Скорости  осевого вращения и движения Земли  не остаются постоянными. Изменения скорости осевого вращения могут быть трех типов: вековые, нерегулярные (скачкообразные) и периодические (сезонные). Вековые изменения приводят к увеличению периода вращения Земли вокруг своей оси. В результате продолжительность суток, например, за последние 2000 лет возрастала в среднем на 0,0023 с в столетие. Нерегулярные изменения скорости могут удлинять или сокращать продолжительность суток до 0,004 с. Периодические изменения ведут к тому, что время осевого вращения Земли в течение года может различаться на ±0,001 с.

     Изменения скорости орбитального движения Земли и скорости ее осевого вращения происходят под действием ряда причин. Они условно могут быть объединены в    две    группы — внутренние и внешние. К первым из них относятся те, которые обусловливаются колебанием момента инерции Земли.

     Известно, что момент количества вращения I свободно вращающегося тела есть величина    постоянная    и представляет собой произведение момента инерции I' на угловую скорость w. Для Земли

                                                          (2.4)

где À — коэффициент, зависящий от структуры планеты (распределения плотностей горных пород по ее радиусу) — так называемый структурный коэффициент (для Земли в настоящее время структурный коэффициент принят равным 0,33), М и `R — соответственно масса и средний радиус Земли.

      Значит, если I' будет уменьшаться (например, из-за уменьшения À и `R), то скорость вращения Земли возрастет. По данным В. Мейсрмана, Н. Парийского и Г. Н. Каттерфельда, средняя интенсивность уменьшения земного радиуса составляет около 5 см за 100 лет, достигая в отдельные периоды 12 см. В то же время уменьшение величины R ведет к уплотнению земных недр, т. е. к уменьшению коэффициента À. Это неизбежно способствует росту значений w.

Уменьшение  радиуса Земли происходит неравномерно. Это усиливается неустойчивостью механического    и    физико-химического  состояния земных недр. Так, давление в    центре    Земли Р_з    по П. Н. Тверскому, равно:

  ,                                                             (2.5) 

где f — гравитационная постоянная.

     Из  формулы (2.5) видно, что небольшое  уменьшение радиуса планеты сопровождается резким увеличением давления во всех слоях ее недр. Это приводит к перетоку новых масс планеты в состав ее ядра и его уплотнению. В итоге давление Р_з растет, а объем планеты уменьшается. В целом из-за гравитационного сжатия и уменьшения земного радиуса наблюдается так называемое вековое ускорение вращения планеты, составляющее в относительных единицах 1,4×10^-8  в столетие.

     Наряду  с внутренними причинами значительно  большее влияние на изменения скорости орбитального движения и осевого вращения Земли оказывают внешние причины. В первую очередь к ним следует отнести приливное трение, воздушные течения и взаимодействие сезонной циркуляции атмосферы с поверхностью Земли. Сущность влияния заключается в следующем. В результате влияния на Землю притяжений Луны и Солнца в океанах и морях образуются приливные волны. Они перемещаются в направлении, противоположном вращению планеты. Это приводит к уменьшению энергии вращательного движения Земли и, тем самым, к замедлению ее вращения.

     В земной атмосфере имеются постоянные воздушные течения, размеры которых сопоставимы с размерами материков. Скорости этих течений на высотах (50... 70)×10³ м в среднем составляют зимой около 100 м/с, летом 70 м/с. Причем воздушные потоки в первом случае направлены с запада на восток, во втором — с востока на запад. В более низких слоях на высотах (8. . . 15)×10³ м скорость воздушных течений в среднем равна 40—60 м/с и они направлены с запада на восток. В результате трения воздушного потока о земную (водную) поверхность возникает тангенциальная сила, суммарное значение которой в приземном слое атмосферы может быть большим, тем самым она способствует замедлению вращения твердой оболочки Земли. В связи с тем, что воздушные течения характеризуются не стационарностью по скорости и частично по направлению, действие  этой силы вызывает скачкообразные, непериодические изменения угловой скорости w.

     Большая роль в изменении скорости вращения нашей планеты принадлежит взаимодействию сезонной атмосферной циркуляции с поверхностью Земли. В Северном полушарии над материками обычно летом развиваются области низкого, зимой — высокого атмосферного давления. Это связано с большей нагретостью летом суши, чем моря, а зимой — наоборот. В результате «избыточные массы воздуха» скапливаются над сушей зимой, над морями и океанами летом. Совместно с особенностями пространственного распределения материков в обоих полушариях это вызывает периодические изменения скорости вращения Земли. По мнению американских геофизиков Манка и Макдональда, возможные напряжения от этих избыточных воздушных масс на поверхности Земли могут в сотни раз превосходить напряжения, требуемые для объяснения наблюдаемых сезонных колебаний продолжительности суток. Поэтому, наряду с 11-летними и годовыми колебаниями скорости вращения Земли, связанными с солнечной активностью, могут существовать колебания, соответствующие разнообразным циклам погоды и имеющие период около 3 месяцев.

     Впервые периодические изменения w  были обнаружены в конце 30-х годов XX в. Относительные изменения в течение года значений w и соответствующей ей t заключались в пределах ±1,3×10^-8. Позднее Стойко на основе анализа хода атомных часов установил, что годовая амплитуда w соответствует 0,52×10^-8. Д. Ю. Белоцерковский полагает, что относительное систематическое замедление скорости вращения Земли может составлять 15×10^-9.

  2.3.  Геофизические следствия  формы, размеров  и движения Земли

      Эллипсоидальность и неравномерное распределение масс внутри Земли оказывают влияние на движение ИСЗ и других летательных аппаратов, находящихся на больших расстояниях от земной поверхности. Это связано с тем, что силовая функция нормального поля притяжения к земному эллипсу в первом приближении есть сумма двух слагаемых. Одно из них — силовая функция центрального поля, другое учитывает отличие фактического поля земного  притяжения  от  центрального  из-за    полярного    сжатия.

      При небольших удалениях от земной поверхности  второе слагаемое способствует существенному смещению орбиты летательного аппарата.

      Большую роль форма Земли играет в формировании закономерностей географической зональности и распределении солнечного тепла на земной поверхности. Например, солнечные лучи, падающие на Землю, образуют с ней в один и тот же момент времени  в разных ее точках различные углы, которые зависят от географической широты, высоты Солнца над горизонтом и рельефа местности. Если принять, что при вертикальном падении лучей интенсивность прямой солнечной радиации в полдень равна Q_n, то при встрече с земной  поверхностью под углом b эта интенсивность будет составлять Q_n×sinb.  Причем если бы Земля была идеальным шаром, то углы b_i закономерно уменьшались бы от экватора к полюсам. При эллипсоидальной, а тем более при кардиоидальной ее форме и при различии сжатия Северного и Южного полушарий эта закономерность изменений b_i существенно нарушается. Все это вместе с изменением высоты Солнца над горизонтом во времени (сутки, сезон, год) существенно сказывается на поступлении солнечного тепла в различные точки географического меридиана. Об этом можно судить по данным табл. 2.4.

     Таблица 2.4

     Суммарная   солнечная   радиация   в   Северном   полушарии,   мДж/м²

Велика  геофизическая роль размеров Земли. В первую очередь это относится к ее массе М и радиусу R, которые, по - существу, определяют скорость u, необходимую любому телу для преодоления земного притяжения ( ). Для Земли u= 11,3 км/с.

     Орбитальное движение Земли также имеет целый  ряд следствий. К их числу относятся смена времен года, обусловливающая изменения напряжения лучистого потока солнечного тепла в году и, в конечном итоге, приводящая к так называемому годовому ходу температуры, например, воздуха, воды и горных пород верхних слоев земной поверхности.

     Другим  следствием вращения Земли вокруг Солнца является перемещение географических полюсов. Причина заключается в том, что при таком движении тело нашей планеты смещается относительно оси ее вращения, хотя и не влияет на эту ось. Поэтому географические полюсы Земли в разное время совпадают с различными точками ее поверхности и тем самым совершают периодические небольшие по амплитуде, но сложные по направлению и неравномерные по скорости движения. По данным А. А. Михайлова, за период с 1900 по 1969 г. северный полюс в течение года совершал движение вдоль эллипса с полуосями 242 и 304 см. Параметры эллипса обычно повторялись из года в год.

     Прямым  следствием суточного вращения Земли  является смена дня и ночи. Это сопровождается изменениями в течение суток целого ряда параметров геосфер. Например, температура воздуха обладает ясно выраженным суточным ходом, обычно с максимумом в середине дня и минимумом перед восходом Солнца, В полярных районах, когда смены дня и ночи нет, температура воздуха за сутки почти не изменяется.

Осевое  вращение Земли превращает приливные  выступы в морях и океанах и в твердой оболочке Земли в приливную волну, которая как бы обходит вокруг планеты, перемещается навстречу ее вращения и поэтому замедляет его. Из-за возникающего торможения увеличивается продолжительность суток и это, в исторически большом масштабе времени, ведет к смене климата и других физико-географических условий. Кроме того, в результате замедления вращения уменьшается полярное сжатие Земли. Это сопровождается опусканием и сокращением материков в экваториальной области, поднятием и увеличением их площадей в полярных областях.

   Важнейшими  следствиями рассматриваемых движений Земли являются ритмические явления, которые по С. В. Калеснику, представляют собой комплекс явлений, повторяющихся во времени и развивающихся в одном направлении. Ритмы имеют различную продолжительность: от одних суток (суточный ритм — смена дня и ночи) до сезона (сезонный ритм — смена сезонов года) и нескольких десятков тысяч лет. Бывают ритмы большой продолжительности (21 тыс., 40 тыс. и 92 тыс. лет), они обусловлены изменениями наклона эклиптики (от 24°36' до 21°58'). С ритмом в 40 тыс. лет связаны изменения климата планеты и ее оледенения. Ритмы средней продолжительности (2—3, 5—6, 11, 22 и 80— 90 лет) вызываются изменениями солнечной активности. Суточные и сезонные ритмы характерны для многих природных процессов (таяние ледников, физическое выветривание, суточный и годовой  ход температуры различных сред геосфер и других климатических элементов, ледостав на водных объектах, их водность и др.). 

2.4. Устройство поверхности (основные понятия)

Основные  понятия

   1. Гипсографическая кривая - кривая, показывающая относительное распределение по площади высот суши и глубин океана на поверхности Земли. Находится, если на графике по оси ординат откладывать высоты и глубины, а по оси абсцисс - площади, занятые определенными высотами и глубинами.

  . 2. Литосфера (от греч. lithos - камень, сфера - шар) - каменная оболочка Земли. Иногда рассматривается как синоним понятия «земная кора». Подробнее см. раздел 3.3 этой главы.