В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В современных гравиметрических работах детальныемодели гравитационного поля Земли и альтиметрические карты высот геоидаиспользуются совместно как независимые данные.63Высоты геоида количественно характеризуют отклонение гравитационногополя Земли от нормального поля. В принципе можно было бы предположить,что отклонение гравитационного поля от нормального обусловлено рельефомЗемли. Так, в местах, где имеется гора, гравитационное поле сильнее за счетдополнительного притяжения горы, а в местах расположения впадин поле слабееиз-за дефицита массы. В действительности карта высот геоида показывает, чтоэти уклонения не связаны с главными топографическими особенностями Земли(океанами и континентами).Отсюда следует важнейший вывод, что континентальные области изостатически скомпенсированы: материки плавают в подкоровом субстрате подобногигантским айсбергам в полярных морях.
Небольшие же отклонения гравитационного поля Земли от нормального вызваны какими-то флуктуациями плотностив коре и мантии Земли.Качественно идея изостазии была введена в геофизику в середине прошлоговека. Эта концепция была выдвинута, чтобы объяснить тот удивительный факт,что наличие гор почти не сказывается на гравиметрических измерениях. Согласно принципу изостазии, легкая кора, состоящая из гранита и базальта, изостатически уравновешена на более тяжелой мантии, как это показано на рис. 16.Получается так, что масса вещества на единицу площади, измеренная вплоть донекоторой стандартной поверхности в глубине, приблизительно одинакова длявсей поверхности Земли.
Мы видим, что легкое вещество земной коры, если онообразует в некотором месте горную систему, погружается на большие глубины втяжелые мантийные породы. Чтобы описать такую ситуацию, образно говорят,что горы имеют корни, уходящие вглубь.Наличие изостазии приводит к важным особенностям строения наружныхслоев Земли. Эти особенности, показанные на рис.
16, подтверждены с помощьюдетальных сейсмических исследований.Исследование гравитационного поля Земли с помощью искусственных спутников позволило со значительно большими подробностями количественно охарактеризовать изостатическую компенсацию земной коры для всей планеты.Как мы уже сказали, получается так, что земная кора как бы плавает в подстилающих мантийных породах. Однако, согласно данным сейсмологии, черезмантию проходят поперечные сейсмические волны (волны S) и, таким образом,она должна быть в твердом состоянии. В чем здесь дело? Ответ заключается вследующем.
Для периодических колебаний с периодами порядка секунд, часови дней (соответственно объемные и поверхностные сейсмические волны, собственные колебания Земли, земные приливы) — мантия ведет себя как упругоетвердое тело. Для движений же с периодами порядка десяти тысяч лет веществоверхней мантии течет как жидкость. Жидкость с периодом релаксаций порядка64десяти тысяч лет и механическими параметрами верхней мантии должна иметьочень большую вязкость — порядка 1021 пуаз. Отсюда геофизики заключили,что вязкость материала верхней мантии равна примерно 1021 пуаз.
Вещество,обладающее такими свойствами, будет течь при нагрузках, действующих па протяжении тысячелетий, и реагировать как упругое твердое тело на периодическиепроцессы в диапазоне от сейсмических волн до земных приливов.2.6.Земные приливыВот как описывает основные вехи в истории понимания приливов один изосновоположников геофизики Джордж Дарвин в своей популярной книге «Приливы и родственные им явления в Солнечной системе» (1898 г.): «. . . Теорияприливообразующей силы была дана Ньютоном в его «Началах» в 1687 г. Этатеория положила прочное основание, на котором построены все последующиеисследования.В 1738 г. Парижская академия наук объявила премию за лучшее изложениетеории приливов.
Ее получили авторы четырех работ, а именно: Д. Бернулли,Эйлер, Маклорен и Кавальери. Первые трое принимали не только гипотезутяготения, но и теорию Ньютона в ее полном объеме. Значительная часть работыБернулли сохранила свое значение до настоящего времени. Мемуары Эйлераи Маклорена свидетельствуют о замечательных успехах математических знаний,но мало дают собственно теории приливов. . .Ничего важного с той поры не было прибавлено к теории приливов, пока еюне заинтересовался (в 1774 г.) великий французский математик Лаплас. Именноон впервые выяснил всю трудность проблемы и показал, что вращение Земли —главный фактор в ее решении.
Современная постановка вопроса о явлении приливов дана Лапласом, хотя форма изложения теперь уже значительно отличаетсяот предложенной им. . .Кельвин должен считаться инициатором нового мощного метода изученияколебаний приливного характера. Его метод аналогичен тому, который уже давноприменяется при изучении движения Луны и планет. Разница между законамидвижения Луны и законами приливных явлений, однако, так велика, что напервый взгляд можно заметить лишь поверхностное сходство между обоимиметодами.
Так называемый гармонический анализ приливов с каждым днемзавоевывает все большее признание ученых как лучший метод, превосходящийвсе остальные. . .Среди всех великих ученых, трактовавших этот вопрос, выделяется, во-первых, Ньютон, а за ним мы должны сейчас же поставить Лапласа. Какие бы вбудущем ни появились оригинальные и важные труды по теории приливов, все65они неизбежно должны основываться на выводах этих великих людей.
Изложение теории океанских приливов, которой я буду придерживаться, основанона работах Ньютона, Бернулли, Лапласа, Кельвина, причем было бы труднооценить сравнительную важность работы каждого из них. . . »В этот ряд великих имен необходимо поставить и имя самого Дж. Дарвина.Изучение приливов — обширная область современной геофизики, и здесь мыможем сказать о ней лишь кое-что имеющее отношение к изучению внутреннегостроения Земли. У нас в СССР эти работы проводятся под общим руководствомчл.-корр. АН СССР Н.Н. Парийского.Приливы наблюдают в океанах, атмосфере и в теле Земли.
Именно приливы в теле твердой Земли и называются земными приливами. Из-за приливообразующей силы, которая действует на Землю со стороны Луны (и в меньшей мере Солнца), происходят периодические колебания гравитационного поляЗемли и уровня земной поверхности. Амплитуда откликов Земли на приливообразующую силу зависит от распределения упругих модулей и плотности внедрах планеты. Сравнивая наблюдаемые значения этих откликов Земли с теоретически рассчитанными, мы контролируем модель Земли.
Приливообразующуюсилу можно рассчитать практически с любой точностью, и это дает возможностьисследовать поведение твердой Земли в известном внешнем периодическом поле в диапазоне периодов от полусуток до полутора лет. Напомним, что периодыобъемных сейсмических волн ∼ 0.1–10 с, поверхностных волн ∼ 10–150 с и,наконец, собственных колебаний Земли ∼ 3–55 мин. Если бы недра Земли былиидеально упругими, то их свойства не зависели бы от периодов колебаний, спомощью которых они изучаются.
В действительности материал земных недрне является идеально упругим, и поэтому свойства земных недр несколько различаются в разных частотных интервалах. Изучение неупругости земных недрявляется актуальной задачей геофизики, и об этом мы более подробно расскажемв гл. 3.Следующая проблема, привлекающая внимание геофизиков, — это приливное трение, которое тормозит вращение Земли и систематически увеличиваетпродолжительность суток.Если рассматривать прилив только от Луны, то систему Земля – Луна можносчитать замкнутой системой, для которой должны выполняться законы сохранения энергии и момента количества движения.
Замедление вращения Земли из-заприливного трения приводит к увеличению орбитального момента количествадвижения Луны. В результате Луна испытывает систематическое отодвиганиеот Земли, и ее орбита расширяется. Вопрос об эволюции лунной орбиты связан с проблемой происхождения Луны, и, кроме того, эволюция лунной орбитысодержит ценную информацию о свойствах Земли в раннюю эпоху после ее66A'ОAО'аAδОО'A'бРис. 17. а) Приливный выступ для идеально упругой планеты; при наличии трения(из-за отклонения свойств вещества Земли от идеальных и из-за приливного тренияв океанах) возникает запаздывание максимума прилива, б) Смещенный с оси вследствие трения приливный выступ вызывает замедление вращения Земли из-за моментасил, возникающего при взаимодействии Луны и приливного выступа; этот же моментсил увеличивает момент количества движения Луны по орбите, вследствие чего Лунаотодвигается от Землиобразования.
Эти вопросы будут затронуты в конце книги, после того как мыпознакомимся с данными о Луне, полученными в результате космических исследований, Здесь же мы остановимся на основных понятиях, имеющих отношениек земным приливам.Поясним кратко идею возникновения прилива и приливного трения (рис. 17).Для конкретности рассмотрим случай земных приливов, вызываемых Луной.Луна обращается не вокруг центра Земли, а оба тела вращаются вокруг центрамасс, общего для Земли и Луны. Сам центр масс можно считать движущимсяпо инерции или по эллиптической траектории вокруг Солнца, что для нашегорассмотрения несущественно. Тогда расстояние центра масс до центра ЗемлиMЛ cMЗ c, а до центра Луны rЛ =.
Так как отношение масс ЗемлиrЗ =MЗ + MЛMЗ + MЛMЗ∼ 81, а c ≈ 60RЗ (RЗ — радиус Земли), то центр масс отстоит оти ЛуныMЛцентра Земли на расстояние (3/4) RЗ .Вначале рассмотрим случай идеально упругой Земля, не вращающейся вокруг своей оси. Тогда совместное действие гравитационного поля Луны и поляцентробежных сил, действующих на Землю из-за ее обращения вокруг центрамасс системы Земля – Луна, и составит приливообразующую силу. Получается,что на центр Земли действует приливообразующая сила, равная нулю.
Именно,в центре Земли из-за вращения Земли относительно центра масс сила гравитационного притяжения Луны в точности уравновешивается центробежной силой.67В точке A (рис. 17, а) притяжение Луны максимально, а направленная в ту жесторону центробежная сила минимальна. В результате сложения этих двух силмы получаем максимальную приливообразующую силу, направленную в сторону Луны. Наоборот, в точке A′ максимальна направленная от Луны центробежная сила, а гравитационная сила притяжения Луны минимальна. Разность этихдвух сил равна по величине приливообразующей силе, действующей на точкуA′ , но направлена в противоположную сторону.
В остальных точках тела Землиприливообразующая сила имеет промежуточное значение как по величине, так ипо направлению. В результате планета приобретает небольшую сфероидальнуюдеформацию с наибольшей осью, расположенной вдоль линии центров обоихтел. Реальный масштаб изменений экваториального радиуса планеты невелик исоставляет несколько десятков сантиметров. На рис.
17 эта деформация показана в утрированном виде.Предположим вначале, что недра Земли идеально упругие. Тогда, посколькуЗемля вращается значительно быстрее, чем Луна обращается вокруг нее по орбите, приливные выступы при вращении Земли будут перемещаться по планете,все время оставаясь на линии центров OO′ . В этом случае вследствие симметриине возникает момента сил, действующего па Луну, так что осредненное влияниеприливного эффекта на орбитальные параметры Луны за длительный промежуток времени обращается в нуль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
