Тема 2. Фізичні поля Землі. Гравітаційне поле Землі

Види фізичних (геофізичних) полів Землі:

• гравітаційне;

• магнітне (геомагнітне);

• теплове;

• сейсмічне;

• електромагнітне (електричне, електростатичне, магнітотелуричне);

• акустичне (звукове, інфразвукове, ультразвукове);

• баричне.

В межах ландшафтної оболонки також існують фізичні поля біологічних об’єктів, - акустичне, біолюмінесцентне, радіотеплове, магнітне, однак такі види полів не є предметом розгляду курсу землезнавства.

В останні роки навколо Землі, але поза межами ландшафтної оболонки, було відкрито два радіаційно-плазменних пояси (Троицкий, 1998), нижня межа яких знаходиться на висоті 500-600 км.

З числа названих полів особливо важливими є гравітаційне та магнітне (геомагнітне) поля, останнє є предметом розгляду окремої теми. Такі поля як гравітаційне, магнітне, електричне та електростатичне спроможні, на відміну від інших, сприяти перенесенню маси і енергії, у зв’язку з чим їх відносять до геопотенційних полів (Пазинич, 1994).

Гравітаційне поле Землі формується внаслідок дії сили тяжіння (сили ваги) планети. Таке поле є результуючою сили притягнення та відцентрової сили, воно визначає ступінь прикріпленості тіл, речовини до Землі.

Гравітаційне поле Землі не є всюди однаковим, - при переміщенні по поверхні Землі максимум сили тяжіння припадає на полюси (9,83 м/с²), мінімум – на екватор (9,78 м/с²); при зміні положення по вертикалі максимум сили тяжіння є найбільшим у надрах Землі на глибині 20-30 км, вище і нижче цей параметр стає меншим і мінімум його припадає на центр планети та високо над верхньою межею атмосфери Землі.

Існують два види гравітаційного поля Землі – нормальне і аномальне, перше обумовлене особливостями обертання та маси Землі, друге - різницею між силою тяжіння, яка спостерігається та її теоретичним (нормальним) значенням (в тій же точці).

Географічні наслідки дії сили тяжіння:

прояв ізостазійних процесів (ізостазійної рівноваги), - наявність гідростатичної рівноваги стану земної кори, за якої менш щільна земна кора (середня густина - 2,8 г/см³) "плаває" в більш щільній верхній мантії (середня густина - 3,3 г/см³), підкорюючись закону Архімеда;

гравітаційна диференціація речовини в геосферах Землі.

Теплове поле Землі. Теплове поле Землі формується завдяки:

• енергії розпаду довгоживучих радіоактивних елементів (уран, торій, калій), максимальна концентрація яких спостерігається в породах земної кори;

• первинній енергії Землі та енергії фізико-хімічних процесів, що відбуваються в її надрах;

• активним тектонічним та магматичним процесам, що супроводжуються виносом великої кількості теплової енергії.

Тепловий стан земної кори характеризується певною густиною теплового потоку, що надходить з надр Землі і розсіюється з її поверхні, і зміною температури з глибиною. Густина теплового потоку – це кількість тепла, що виноситься з надр до поверхні за одиницю часу на одиниці площі. Вимірюється такий параметр у мВт/м² і визначається як результат множення геотермічного градієнта у певному інтервалі глибин на теплопровідність порід цього інтервалу. На території України густина теплового потоку змінюється від 25-30 мВт/м² до 100-110 мВт/м². Температура теплового поля на глибині 1 км змінюється від 20^oС до 70^oС, а на глибині 3 км - від 40^oС до 135^oС. Розподіл теплових потоків тісно пов‘язаний з особливостями геологічного розвитку регіонів та їх тектонікою. Теплова енергія Землі є геоенергетичним ресурсом. Так, на території України загальні геоенергетичні ресурси України приблизно у 20 разів перевищують усі запаси горючих корисних копалин.

Сейсмічне поле Землі. В межах нашої планети сейсмічні поля формуються завдяки наявності сейсмічних хвиль (поздовжніх, поперечних, поверхневих, каналових), які поширюються від джерела, загасаючи, відбиваючись, заломлюючись і перевипромінюючись. Спостерігаються сейсмічні поля у вигляді механічних коливань на поверхні ґрунту або в шахтах, печерах, штольнях і свердловинах. Залежно від джерела сейсмічні поля можуть бути природного або техногенного походження. Причиною утворення природних сейсмічних полів є сучасна тектонічна активність геологічних структур, завдяки якій формуються вогнища місцевих і сильних віддалених землетрусів.

Електричне поле Землі. Електричне поле Землі найбільший прояв має в нижніх шарах атмосфери, зокрема в стратосфері, що переважно обумовлено процесами іонізації повітря та просторовим розподілом позитивних та негативних електричних зарядів, які виникають при іонізації. Іонізація повітря відбувається під впливом:

космічних променів ультрафіолетового проміння Сонця;

випромінювання радіоактивних речовин, що мають місце на поверхні Землі та у повітрі;

електричних розрядів в атмосфері у вигляді блискавок різної форми (рис. 10, 11).

Рис. 10. Приклад зигзагоподібної блискавки

Рис. 11. Приклад кулястої блискавки

Блискавки тісно пов’язані з літосферою, не дивлячись на те, що такі гігантські електричні іскрові розряди утворюються в атмосфері. Під час розряду блискавки виділяється 10⁹-10¹⁰ джоулей енергії. Більша її частина витрачається на утворення ударної хвилі (грім), нагрівання повітря, світловий спалах та інші електромагнітні хвилі, і лише тільки маленька частина виділяється в тому місці, де блискавка входить в землю. Однак і цієї "маленької" частини достатньо, щоб викликати пожежу, вбити людину або зруйнувати будівлю. Блискавка може розігріти канал, по якому вона рухається, до 30000°С, що в п’ять разів більше температури на поверхні Сонця. Температура всередині блискавки є суттєво більшою температури плавлення піску (1600-2000°C), але розплавиться пісок чи ні, залежить ще й від тривалості існування блискавки, яка може складати від десятків мікросекунд до десятих долей секунди. Амплітуда імпульсу струму блискавки частіше дорівнює декільком десяткам кілоампер, але інколи може перевищувати й 100 кА. Найбільш потужні блискавки сприяють утворенню фульгуритів – порожніх циліндрів з оплавленого піску. Поняття "фульгурит" походить від латини, де fulgur - блискавка. Особливо довгі зі знайдених фульгуритів занурювалися в землю на глибину понад п’яти метрів. Фульгуритами також називають оплавлені тверді гірські породи, які інколи у великій кількості зустрічаються на скелястих вершинах гір. Фульгурити, які складаються з переплавленого кремнезему, переважно являють собою конусоподібні трубки товщиною з олівець або з палець. Їх внутрішня поверхня гладенька й оплавлена, а зовнішня утворена приліпленими до оплавленої маси піщинками. Колір фульгуритів залежить від мінералогічного складу піску. Більшість з них мають рудувато-коричневий, сірий або чорний колір, однак зустрічаються й зеленуваті, білі, а подекуди і напівпрозорі фульгурити. Часто акуратно викопаний з піску фульгурит за формою нагадує корінь дерева або гілку. Такі гіллясті фульгурити утворюються в тих випадках, коли розряд блискавки потрапляє у вологий пісок, який, як відомо, має більшу електропроводність, ніж сухий. В таких випадках струм блискавки, що входить у грунт, одразу починає розтікатися в різні сторони, утворюючи структуру, яка є схожою на корінь дерева, а фульгурит, що народжується при цьому лише повторює таку форму. Фульгурит дуже крихкий і намагання очистити його від піску призводить до його руйнування.

Електричні поля в іоносфері обумовлені процесами, що протікають як у верхніх шарах атмосфери, так і в магнітосфері. Рухи повітряних мас, вітри, турбулентність — все це є джерелом генерації електричного поля в іоносфері завдяки ефекту гідромагнітного динамо. Прикладом цього може слугувати сонячно-добова електрична струмова система, яка викликає на поверхні Землі добові варіації магнітного поля. Одним з безпосередніх джерел електричного поля в магнітосфері є сонячний вітер.

Електричні поля в морях індукуються змінним магнітним полем Землі, а також виникають під час руху провідної морської води (морських хвиль та течій) у магнітному полі.

Електростатичне поле Землі. Електростатичне (постійне електричне, атмосферно-електричне) поле Землі утворюється електричним полем нерухомих електричних зарядів, з якими воно взаємодіє, і є найпоширенішим класом стаціонарних фізичних полів в енергетичних установках та електротехнічних процесах. Електростатичне поле може існувати як власне електричне поле (поле нерухомих зарядів), так і стаціонарне електричне поле (електричне поле постійного струму). Земля як фізичне тіло володіє сильно диференційованим електростатичним полем, напруженість котрого змінюється в дуже широких межах - від 0 в/м до 3 х 10-7 в/м. Особливостями будови електростатичного поля контролюється явище еолоутворення на земній поверхні (Пазинич, 1994). Процес еолової акумуляції обумовлений наявністю локальних аномалій електростатичного поля Землі, вплив яких на вітропіщаний потік призводить до локалізації еолової акумуляції. Порівняння результатів розрахунків впливу гравітаційних і електростатичних чинників на еолову акумуляцію показує, що вплив останніх на п’ять-шість порядків вищий, а це дає право констатувати, що основним фактором локалізації процесу еолової акумуляції на земній поверхні є електростатичні сили (Пазинич, 1994). Саме ж електростатичне поле виступає в ролі зв’язуючої ланки між похованими геологічними об’єктами і сучасними ландшафтоутворюючими процесами, між ендогенними та екзогенними складовими еолової акумуляції (Пазинич, 1994).

Магнітотелуричне поле Землі. Магнітотелуричне поле Землі є природним електромагнітним полем, спричиненим іоносферно-магнітосферною системою струмів. Це поле є одним з важливих джерел знань про сучасну геологічну будову, тектонічні процеси, геодинаміку і флюїдний режим земної кори та мантії. Електричні властивості гірських порід тісно пов’язані з температурним і флюїдним режимом надр, хімічним складом мінералів порід, рівнем мінералізації ювенільних вод, наявністю розплавів порід кори і мантії тощо.