В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Эта оценка дает значение вязкости, значительно меньшее ! 0 Па с. Однако лля генерации в ядре дипольного магнитного поля„ ось которого близко совпадает с осью вращения Земли, необходимо, чтобы скорости течений вещества ядра были достаточно большими для возникновения в них инерционных ускорений Кориолиса, способных «закрутить» такие течения в структуры с заметными широт- ными составляющими, Для этого необходимы скорости течений вещества в ядре порядка сантиметров или даже десятков сантиметров в секунду.
Течения с такими скоростями на поверхности ядра могут возникать только в том случае, если вязкость вещества окажется достаточно низкой лля возникновения быстрых течений. Изучение переменных составляющих геомагннтного поля, а также энергетического баланса механизмов его генерации, позволили определить, что вязкость жидкого вешества в земном ядре не превышает10 ' — 1О 2 Па с (О)мгп„2007). О вязкости внутреннего ядра известно немного, но по современным представлениям, она на много порядков превышает вязкость вещества во внешнем ядре.
Существует несколько оценок, которые различаются весьма существенно (О!аоп, 2007). Оценка гю затуханию сейсмических волн дает величину вязкости порядка 1Огь Па с. Оценки, связанные с криповым механизмом, дают от 10ю ' до !О" Па с, в зависимости от принятых моделей. Контрольные вопросы 1.
В чем состоит значение реохогии лля физики Земли и геолинамики? 2. Что такое механические напряжения'? 3. Что такое тензор напряжений'! 4. Что такое нормальные и сдвиговые напряжения? 5. Что юкос главные напряжения и главныеосн? б. Как описываются деформации сплошной среды*.' 7. Что такое ген юрлеформаций? К Что гакое нормальные и слвигоаыелеформацни? 9. Нарисуйте и объясните обобщенную кривую деформаци й. 10. Что пони мается под типом реологического поведения материала? 11. Как реологическое повеление зависит от условий (температуры, давления, скорости деформации)'? 12. Сформулируйте основные соотношения между напряжениями и деформациями лля упругой среды (закон Гука).
13. Как получаются уравнения лвижеиия упругой среды? 14. Каковы решения уравнения лвижения упругой среды? 15. Сйюрмулируйте основные соотношения для вязкой среды. 1б, Как получаются уравнения движения вязкой среды? 17, Что такое линейные реологические тела (Гука, Ньютона)? 15 Опишите реологическую модель тела Кельвина, 19. В чем особенности поведения тела Кельвина при малых н больших временах воздействия? 20. Опишите реологическую модель тела Максвелла.
21, В чем особенности поведения тела Максвелла при малых и больших временах возлейсгвяя? 22. Опишите механизм упругости тверлых тел. 23. Что такое диффузионная ползучесть? 24. От каких параметров зависит вязкость для механизма диффузионной ползучести'! 25. Что такое лпслокационная ползучесть? 2б. Каким соотношением описывается, от каких параметров зависит вязкостьлля механизма дислокационной ползучести? 27, Что такое вязкость по границам зерен, как она соотносится по величине с вязкостью зерен? 28. В чем состоит метод оценки вязкости астеносферы по послеледниковому поднятию? 29.
Опишите результаты оценок вязкости астеиосферы. 30. Опишите результаты оценок вязкости мантии Земли. 31. Опишиш результаты оценок вязкости ядра Земли. Глава 3 ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ И ФИГУРА ЗЕМЛИ Гравиметрня (от лат, агат)з — «тяжелыйь) в широком понимании — наука о поле силы тяжести и Фигуре Земли. Гравитационное поле отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с ее Формой. Гравитационное поле определяет внешнюю баллистику Земли (траектории естественных и искусственных спутников и т.д.).
3.1. ИЗ ИСТОРИИ ГРАВИМЕТРИИ 3.1.1. Первые определения гравиметрических характеристик Земли !. Из закона всемирного тяготения г" = 6 — (6 — гравитацн- глМ гг онная постоянная) н второго закона Ньютона Р'= лиат следует выражение лля ускорения силы тяжести на поверхности шарообразной Земли с радиусом й и массой М: я = 6 —. М Е д2' в 3 2.
Измерение ускорения я (среднее значение 9„3 ! м/с ). -- Из наблюдений за свободным падением (Галилей, ! 590) получаем л= 2з/!з, где г — путь, пройденный за время г. В настояшее время этот принцип использован в абсолютном гривимгерг. — Измерения с помощью маятника. Для математического маят- )! 4~~~ пика: период Т=2к ~ —, илил= —, — Измерения с ~омошью пружинного гравимеьлра. Измеряется удлинение пружины, на которой подвешен груз известной массы. Эю уллинение пропорционально значению л.
Метод обладает достаточно высокой точностью, однако измерения относительные, так как необходимо учитывать изменения температуры, давления, усталость материала. 3. Определение величины гравитационной постоянной 6. Значение гравитационной постоянной 6 впервые вычислил Кавгадмм ( !798 г.) на основании закона всемирного тяготения и измерения силы притяжения между телами различной массы с помощью точных крутильных весов 6=Р ~,6=6,б72 (О и Н мз/кг~.
юМ ' 4. Масса Земли М. По современным оценкам М =- 5,977 10~ кг. Другой способ оценки массы Земли основан на так называемом взвепщванин гор. Оно состоит в измерении угла отклонения груза от линии отвеса вблизи гор известной массы т и размера. Угол отклонения прн этом пропорционален т/М (Грушинский, Грушинский, 1985). 5. Средняя плотность Земли, ре = — - = 5,517 г/см', ЗМ 4я)(~~- Поверхностные погюлы имеют плотность р = 2,5 — 3,5 г/см, плот! ность воды р --=-! г/см, такое значение средней плотности означает, что плотность Земли возрастает с глубииои. Ньютон полагал (еще до опрелеления массы Земли): «как бы ни образовывались планеты. в то время, котла они были жидкими мас- сами, все более тяжело вещество осело к центру... Обычное ве- щество на поверхности нашей Земли приблизительно в два раза тя- желее воды, а несколько глубже, в шахтах, находят вен!ссгпо в три, четыре и даже пять раз тяжелее...
Количество всего вещества в Земле можсг быть в пять или шесть раз больше, чем его было бы, если бы Земля полностью состояла из воды» (цитата по книге Бул- лена, 1978). б. Момент инерции Земли. Мечети инерции характеризует инертность тела при вращательном движении. 1 = ~~> ги, г~ = ) г'р(г)Л' . Чем ближе масса к оси вращения, У тем меньше 1, Для однородного шара радиуса ж / = 0,4тг .
Момент инерции определяют по величине прецессии земной оси, происходящей вследствие взаимодействия со спутниками и Луной. Экспериментально определенный момент инерции Земли 1, меньше, чем момент инерции 1, однородного шара такого же размера и массы ! =807 10з7кг. м~=0 3308 Мйе~=0 83 1„. Это еше раз подтверждает, что плотность внутри Земли возрастает. Вопрос., как именно возрастает, обсудим ниже. 3.1.2. Приближение аллипсоида для формы Завали Исаак Ньютон впервые связал гравитацию, вращение и форму планеты, Он применил закон всемирного тяготения к Земле, считая ее гравнтируюшей жидкостью.
Из его выкладок следовало, что если бы Земля не вращалась, то имела бы сферическую поверхность, а вертикаль (перпендикуляр к поверхностп) проходила бы через центр этого шара (рис. 3.1, а слева), Таким образом, шар — первое приближение лля фигуры Земли. Рис. ЗЛ. Приближение эллипсоида для отражения формы Земли: а — сила тяжести на вращающейся н не вращающейся Земле; 6 — разница между величиной мериднональной дуги у экватора и у полюса на эллип- тической Земле; Ц.М.
— центр масс Далее Ньютон учел„что при вращении к гравитационной сште 1" добавляется центробежная сила Г„в, и первоначально сферическое жидкое тело деформируется такйм образом, чтобы суммарная сила лгллсесиш была направлена перпендикулярно поверхности (рис. 3.1, а справа). В этом случае вертикаль не проходит через геометрический центр фигуры (кроме полюсов н экватора). Ньютон показал, что жидкая Земля примет форму этлилсоидл вращвллл (рнс. 3.1, а) со сжатием слепи 6 — экваториальный и полярный радиусы. Ньютон получил ос= 1 230. для однороднои Земли (те.
лля случая р(г) =сопя() значение ос= / Н з этих выкладок следовало (рис. 3. 1, 6), что линии широты (параллели 1, проводимые через равные углы между местными вертикалями и нап,явлениями на Поля,н,ю звезд,, Оказываюсся не на Олина колом расстоянии друг от друга; луга Г у полюса (111,7 км) болыне, чем на экваторе (110,6 км). Вообще говоря, сжатие вращающейся жидкости зависит от распределения масс внутри нее. Гюйгенс в предположении, что вся масса сосрелоточсна в центре Земли„получил Ос = 1/577. Значения сжатия сх = 1/230 и 1/577 можно рассматря вать как диапазон принципиально возможных значений. Современное значение сс = 1/298,25. Работы Ньютона породили научный спор о форьсе Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
