Гравитационное поле Земли

 

Содержание

Введение

1. Сила тяжести и её составляющие
2. Измерение силы тяжести
3. Аномалии силы тяжести
4. Сила тяжести и фигура Земли
5. Поле силы тяжести и его значение для географической оболочки

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Гравитационное поле Земли - силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; незначительно зависит также от притяжения Луны и Солнца и других небесных тел и масс земной атмосферы. Гравитационное поле Земли характеризуется силой тяжести, потенциалом силы тяжести и различными его производными. Потенциал имеет размерность м2•с-2, за единицу измерения первых производных потенциала (в т.ч. силы тяжести) в гравиметрии принят миллигал (мГал), равный 10-5 м•с-2, а для вторых производных — этвеш (Э, Е), равный 10-9•с-2. 

Обычно гравитационное поле Земли представляют состоящим из 2 частей: нормальной и аномальной. Основная — нормальная часть поля соответствует схематизированной модели Земли в виде эллипсоида вращения (нормальная Земля). Она согласуется с реальной Землёй (совпадают центры масс, величины масс, угловые скорости и оси суточного вращения). Поверхность нормальной Земли считают уровненной, т.е. потенциал силы тяжести во всех её точках имеет одинаковое значение (см. геоид); сила тяжести направлена к ней по нормали и изменяется по простому закону.

На основании гравитационного поля Земли определяется геоид, характеризующий гравиметрическую фигуру Земли, относительно которой задаются высоты физической поверхности Земли. Гравитационное поле Земли в совокупности с другими геофизическими данными используется для изучения модели радиального распределения плотности Земли. По нему делаются выводы о гидростатическом равновесном состоянии Земли и о связанных с этим напряжениях в её недрах. По наблюдениям приливных вариаций силы тяжести изучают упругие свойства Земли.

Гравитационное поле Земли используется при расчёте орбит искусственных спутников Земли и траекторий движения ракет. По аномалиям гравитационного поля Земли изучают распределение плотностных неоднородностей в земной коре и верхней мантии, проводят тектоническое районирование, поиски месторождений полезных ископаемых (см. гравиметрическая разведка). Гравитационное поле Земли используется для вывода ряда фундаментальных постоянных геодезии, астрономии и геофизики.

 

Сила тяжести и её составляющие

Среди многих причин, обусловливающих строение Земли и ее поверхности, одно из главных мест принадлежит силе тяжести. Под влиянием силы тяжести опускаются и поднимаются громадные участки земной коры, разрушаются горы, текут реки, движутся ледники, образуются слои осадочных пород и т. д. Сила тяжести оказывает огромное влияние на развитие органической жизни и на деятельность человека.

Сила тяжести является равнодействующей силы притяжения Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения нашей планеты вокруг своей оси. Некоторое влияние на величину силы тяжести оказывает также притяжение Солнца, Луны и других небесных тел. Однако это влияние столь незначительно, что его можно совершенно не принимать в расчет.

Величина силы тяжести обычно измеряется ускорением свободно падающего тела или, как часто говорят, ускорением силы тяжести (g). Единицей измерения ускорения силы тяжести служит гал (1 гал = = 1 см/сек2). Среднее ускорение силы тяжести равно 981 галу2. Направление силы тяжести (направление вектора) определяет положение отвесной   линии   (вертикали)   и  астрономического  зенита   в   данном  пункте.

Распределение силы тяжести на земной поверхности. Если бы Земля имела форму правильного шара, состояла из совершенно одинаковых пород и не вращалась вокруг своей оси, то сила тяжести во всех точках земной поверхности была бы одинакова. Как мы уже говорили, сила тяжести является равнодействующей силы притяжения и центробежной силы вращения Земли. Понятно, что центробежная сила, уменьшающая силу тяжести, будет наибольшей на экваторе и совершенно отсутствовать на полюсах. Хотя величина центробежной силы очень невелика по сравнению с силой земного притяжения (даже на экваторе она составляет лишь 7288 часть силы тяжести), тем не менее вызывает уменьшение силы тяжести на экваторе по отношению к полюсам.

В то же время нам известно, что Земля представляет собой не правильный шар, а геоид, полярный радиус которого на 21,4 км меньше экваториального. Эта особенность формы Земли еще в большей степени, чем ее вращение, приводит к тому, что сила тяжести увеличивается по направлению от экватора к полюсам. В целом сила тяжести в основном зависит от формы и размеров земной поверхности и распределения плотностей внутри Земли. Как правило, сила тяжести возрастает при движении от экватора к полюсам и уменьшается с нарастанием абсолютной высоты местности. Однако эта общая закономерность часто нарушается в связи с особенностями строения того или иного участка Земли.

 

Измерение силы тяжести

Сила тяжести на поверхности Земли есть равнодействующая двух сил: силы притяжения, направленной к центру массы Земли, и центробежной силы, направленной перпендикулярно к оси вращения Земли. Так как Земля сплюснута вдоль оси вращения, то сила притяжения у полюсов больше, чем в других местах, и уменьшается к экватору.

Кроме того, центробежная сила действует против силы притяжения. Поэтому сила тяжести на поверхности Земли уменьшается при переходе от полюсов к экватору. Разница в ускорении силы тяжести между полюсами и экватором  составляет  g90 - g0 = 983,2 - 978,0 = 5,2  см/сек2. Около 2/3 этой разности возникает за счет центробежного ускорения на земном экваторе и около 1/3 - за счет сплюснутости Земли. Среднее значение ускорения силы земной тяжести принимается равным g = 981см/сек2.

Результаты измерений ускорения силы тяжести в различных точках земной поверхности показали отклонения (возмущения) силы тяжести по сравнению с ее нормальным ходом, соответствующим эллипсоиду. Эти отклонения называются аномалиями силы тяжести и объясняются тем, что строение земной коры неоднородно как в отношении видимых наружных масс (горных массивов и т.п.), так и в отношении плотностей горных пород, составляющих земную кору.

Ряд мелких неоднородностей в строении верхних слоев земной коры вызывают местные аномалии силы тяжести, охватывающие небольшие районы. Местные аномалии свидетельствуют о наличии залежей ископаемых, обладающих либо очень большой плотностью (например, руды металлов) либо очень маленькой плотностью (например, залежи нефти, каменной соли).

 

Аномалии силы тяжести

Как известно, Земля, а в особенности ее верхняя оболочка (земная кора), слагается разнообразными породами, имеющими различную плотность и удельный вес. Сила тяжести над участками, сложенными более плотными породами, будет несколько большей, а над участками менее плотных пород — несколько меньшей, чем она должна была бы быть, если бы Земля слагалась однородными породами. Всякая разница между измеренной силой тяжести, приведенной к уровню моря при помощи специальных расчетов, и теоретически вычисленным значением силы тяжести в той же точке Земли носит название аномалии силы тяжести. В том случае, когда измеренное значение силы тяжести превышает теоретическое, говорят о положительной аномалии, в обратном — отрицательной.

Исследование аномалий силы тяжести играет громадную роль в геологии и разведке полезных ископаемых. Изучение распределения аномалий позволяет получить представление о строении и равновесии глубоких слоев земной коры. Сравнение карты аномалий с геологической картой позволяет судить о характере пород, перекрытых более молодыми отложениями. Например, известно, что Уральский хребет сложен несколькими меридионально вытянутыми полосами пород. Каждая из этих полос характеризуется своей аномалией силы тяжести. Как показали специальные исследования, в пределах Западно-Сибирской низменности наблюдается сходное чередование положительных и отрицательных аномалий. Эти аномалии показывают, что здесь мы имеем продолжение горных систем Урала, скрытых под толщей более молодых осадков.

Изучение изменения силы тяжести на отдельных небольших участках позволяет обнаружить месторождение полезных ископаемых и изучить их условия залегания. Особенно широко применяется этот метод при исследовании нефтяных и некоторых рудных месторождений.

В последние годы было установлено, что аномалии силы тяжести отмечаются также в районах, форма поверхности которых отличается от формы теоретически вычисленного геоида. Это позволяет применить метод изучения силы тяжести для более точного определения фигуры Земли. Советским ученым М. С. Молоденским разработан практический метод использования аномалий силы тяжести для целей геодезии и картографии.

 

Сила тяжести и фигура Земли

Фигура Земли понятие или представление о форме Земли, как планете в целом, изменявшееся в ходе историческогоразвития знаний и определяемое по соглашению.          

Ещё в древности было осознано, что Ф. З. имеет вид шара. Это явилось первым приближением впредставлении о Ф. З. Задача изучения, Ф. З. сводилась к определению радиуса земного шара (Эратосфен,Бируни). И. Ньютон,    исходя из открытого им закона всемирного тяготения, высказал предположение, что Ф.З. вследствие её вращения около оси и взаимного притяжения составляющих её масс должна быть слабосплюснута в направлении оси вращения и иметь вид сфероида, близкого к эллипсоиду вращения (см.Земной сфероид, Земной эллипсоид). Результаты градусных измерений (См. Градусные измерения) в 1йполовине 18 в. подтвердили обоснованность этого предположения, а также и закона всемирного тяготения. Предположение, что Ф. З. имеет вид эллипсоида вращения, явилось вторым приближением впредставлениях о ней. Задача изучения Ф. З. в этом приближении сводилась к определениюэкваториального радиуса и сжатия Земли (См. Сжатие земли). 

Работа А. Клеро по теории фигур равновесия вращающейся жидкой массы развивала исследования И.Ньютона и заложила основы теории Ф. З. Развитие теории Ф. З. в 19 в. Дж. Стоксом и др. учёными привело квведению понятия Геоид, отождествление с которым Ф. З. явилось следующим приближением впредставлениях о ней. Ф. З. в этом понимании имеет довольно сложный вид и зависит от внутреннего строения Земли. 

Созданная М. С. Молоденским (См. Молоденский) теория определения Ф. З. в её современномпонимании как фигуры реально существующей физической поверхности Земли, образованной на морях иокеанах невозмущённой поверхностью воды, а на материках и островах – рельефом, свободна от каких быто ни было гипотез о внутреннем строении Земли. В качестве вспомогательной поверхности им введёнквазигеоид, строгое математическое определение которого позволило изучать Ф. З. без привлечения такихгипотез. Задача изучения Ф. З. состоит в определении истинных координат точек земной поверхности, атакже в изучении внешнего гравитационного поля (См. Гравитационное поле)Земли в системе координат,общей для всей Земли. Это составляет предмет и основную научную проблему геодезии, которая решаетсяна основании астрономо-геодезических и гравиметрических измерений и наблюдений за движениемискусственных спутников Земли. Практически фигуру геоида заменяют наиболее близкой к нейповерхностью земного эллипсоида. В СССР в геодезических и картографических работах принят Красовского эллипсоид.

 

Поле силы тяжести и его значение для географической оболочки

Сила тяжести — равнодействующая притяжения массы Земли и центробежной силы от вращения планеты. В экваториальных широтах она равна в среднем 978 галл, а в полярных возрастает до 983 галл, что связано как с фигурой Земли, так и с уменьшением с широтой центробежной силы.

О значении силы тяжести для географической оболочки выше говорилось в разных аспектах. Обобщим это, поскольку гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение.

1. Силами тяготения, превышающими силы сцепления, создана фигура Земли. В практике решается обратная задача: потенциал   силы  тяжести  используется  при  изучении  фигуры Земли.
2. Земное тяготение уплотнило внутреннее вещество Земли и, независимо от его химического состава, сформировало плотное ядро.
3. Ядро вместе с вращением Земли создало магнитосферу, роль которой для биосферы огромна.
4. Величина земного тяготения такова, что удерживает газовую оболочку, позволяя ускользать только легким элементам — гелию и водороду. Частично благодаря этому между земной атмосферой и Вселенной наблюдается газовое несоответствие: во Вселенной на водород приходится 93%, а в атмосфере Земли его ничтожно мало.
5. Атмосферное прикрытие обеспечивает существование гидросферы; в противном случае вода мгновенно испарилась бы и улетучилась.
6. Давление глубинных масс наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию — источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу.
7. Сила тяжести обусловливает стремление земной коры к изостатическому равновесию. Изостазия была обнаружена при изучении распределения силы тяжести. Горные хребты создают на поверхности дополнительную массу и должны вызывать увеличение силы тяжести, пропорциональное массе горной страны. В океанах 4—5 км сложены водой с плотностью около 1,0 г/см3, поэтому здесь сила тяжести должна быть меньше, чем в горах. Низменные равнины материков занимают промежуточное положение и должны иметь силу тяжести среднего значения. Измерения показали, что фактически сила тяжести на одной и той же параллели везде — на море, на низменной суше, в горных странах — в общем одинакова. Это значит, что в горах она меньше нормальной, или, как принято считать, здесь обнаруживается отрицательная гравиметрическая аномалия, на море сила тяжести больше расчетной, или ее аномалия положительная, на низменностях фактическая величина ее близка к теоретической, т. е. аномалии нет. Такое распределение силы тяжести и ее аномалии объясняют изостазией.
8. Астеносфера — размягченный теплом слой, допускающий движение литосферы,— тоже функция силы тяжести, поскольку расплавление вещества происходит при благоприятном соотношении количества тепла и величины сжатия — давления.
9. Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности — конически и равнинные. Они соответствуют двум универсальным форма симметрии — конической и билатеральной (И. И. Шафранский). Над каждым малым и большим участком земной поверхности существует конусообразное поле земного тяготения. Оно отпечатывается на всех телах, которые растут на Земле. Если тело растет вверх, или, что то же самое, вниз, то оно приобретает форму, близкую к конической (горные вершины, вулканы, карстовые воронки, песчаные формы рельефа, деревья и т. д.). Если тело растет горизонтально, то сила тяжести делает его листообразным (дельты, аккумулятивные равнины, поверхности выравнивания и т. д.). Переход конических форм в плоские образует склоны. Весь рельеф литосферы в сущности склоновый.
10. Сила тяжести обусловливает гравитационный тектогенез — формирование структур земной коры и вообще движение масс литосферы под действием силы тяжести. Так как развитие рельефа есть перемещение вещества, то сила тяжести в нем играет одну из решающих ролей.