Загальні природничі й організаційні закони в географічній оболонці

Землезнавству належить особлива роль у системі наук взагалі, фізичній географії та глобальній екології зокрема, оскільки сьогодні це єдина з наук, яку можна вважати природознавством у повному значенні слова. Землезнавство поєднує в собі сукупність знань природничих та організаційних законів, що лише разом визначають структуру, процеси, закономірності саморозвитку та реакції на людську діяльність природних систем, що утворюють наше довкілля.

Цілісність уявлень сучасної людини про довкілля штучно порушено внаслідок диференціації науки й передусім — нашого сприйняття природи як сукупності розрізнених фізичних, хімічних, біологічних, географічних законів. Утім, Всесвіт єдиний, лише його пізнання диференційоване через обмеженість можливостей кожної людини охопити розумом одразу весь світ. Тому ті закони «розчленованого» природознавства є абстракціями, що ідеалізують «вихоплені» з реального життя речі, властивості та взаємозв’язки між ними.

Одним із реальних доказів цілісності Всесвіту є прояв у різних науках про довкілля одних і тих самих за суттю фундаментальних законів, що набувають, однак, специфічної форми прояву як у природі, так і у відповідній науці.

Мета цієї глави — продемонструвати, як саме певні фундаментальні закони проявляються в різних складових географічної оболонки, аби в подальшому забезпечити можливість глибокого розуміння процесів, що відбуваються в довкіллі, та реакцій природних систем на людську діяльність на рівні сучасних уявлень природознавства.

Закони подано за структурою природознавства (механіка, термодинаміка тощо), але показано їхній прояв у різних середовищах географічної оболонки та за різних обставин. Крім законів природознавства, розглянемо деякі найважливіші закони організації складних систем яку природі, так і в суспільстві.

Єдність організації Всесвіту підтверджується подібністю проявів відповідних структур незалежно від матеріального носія організації. Останнє — найважливіше для землезнавства та глобальної екології, бо ці науки спрямовані на пізнання не лише речовинно-енергетичних явищ, а й інформаційних взаємин у Всесвіті.\

Механічна взаємодія в планетарних фізико-географічних процесах

Закон всесвітнього тяжіння:

між будь-якими двома матеріальними точками (тілами) діє сила взаємного тяжіння (сила Ньютона), прямо пропорційна добутку мас тіл та обернено — квадрату відстані між ними:

F_N = GMm/r², (3.1)

де G — світова константа, що має назву гравітаційної сталої і дорівнює 6,67·10^-11 Н·м²/кг² у системі СІ; т, М ‑ маси двох тіл; r ‑ відстань між ними.

Якщо позначити: радіус Землі ‑ R, а відстань між центром маси тіла та поверхнею геоїда ‑ h, то отримаємо рівняння для тіла, що перебуває на поверхні Землі: F_N = GMm/(R+h)², з якого видно, чому саме з висотою сила F_N має зменшуватись.

Відомо, що тяжіння — чи не найуніверсальніша та водночас чи не найслабкіша з усіх відомих нам фізичних взаємодій. Але в світі макротіл, що до них належить і Земля, і геосфери, і значна кількість різних об’єктів макросвіту, тяжіння відіграє вирішальну роль, визначаючи механічну взаємодію макротіл, а також власну еволюцію масивних тіл (зірок, планет).

На Землі проявами закону всесвітнього тяжіння є:

• гравітаційне поле Землі (його ми знаємо як поле сили ваги);

• ізостазія — як засіб урівноваження різних планетарних природних тіл ‑ літосферних плит, материкових льодовиків, гірських споруд тощо, або ж навіть великих штучних утворень (водосховищ, наприклад) відповідно до їхньої маси та густини речовини;

• гравітаційна диференціація земної речовини, що спричиняє геосферну будову планети;

• утворення припливів та еволюційна роль припливоутворювальної дисипації енергії добового обертання Землі.

Гравітаційне поле Землі утворюється силою ваги, що є похідною від сили тяжіння та відцентрової сили осьового обертання Землі.

Сила ваги — рівнодійна сил тяжіння та відцентрової, що виникає внаслідок обертання Землі навколо осі (рис. 3.1).

Відцентрова сила

f=mω²(R +h)cos φ,

де ω ‑ кутова швидкість обертання Землі; φ ‑ широта місця, де перебуває тіло.

Рис. 3.1. Сила ваги F_G — рівнодійна сил тяжіння F_N та відцентрової F_ω; В — нормаль до поверхні еліпсоїда; О — центр Землі; штриховою лінією позначено екватор

Через обернену залежність відцентрової сили від широти (сила найбільша на екваторі та відсутня на полюсах, бо визначається радіусом обертання точки, розташованої на сфері, сила ваги відповідно зростає в напрямку від екватора до полюсів з 978 до 983 гал (на полюсах вона дорівнює силі тяжіння).

Гравітаційне поле Землі характеризується від’ємною напруженістю ‑Е= grad U, де U — гравітаційний потенціал, тобто здатність поля виконувати роботу над одиничною масою.

Гравітаційне поле Землі є потенціальним.

Поверхня, що має однаковий потенціал U поля тяжіння, називається еквіпотенціальною. Відомі дві властивості еквіпотенціальної поверхні, що перша випливає з другої:

1) на еквіпотенціальній поверхні неможливе горизонтальне переміщення маси без зовнішньої сили (тобто напруженість поля не має горизонтальної складової);

2) напрям вектора сили ваги перпендикулярний до еквіпотенціальної поверхні.

Найвідомішою з еквіпотенціальних поверхонь гравітаційного поля є поверхня геоїда (рис. 3.2, 3.3).

Рис. 3.2. Рельєф поверхонь геоїда 1, сфероїда 2 та літосфери З

Геоїд — це одна з еквіпотенціальних поверхонь гравітаційного поля Землі, що саме їй відповідає середній рівень Світового океану (в спокійному стані). Цю назву запропоновано А. Клеро в першій половині XVIII ст.

Оскільки геоїд є еквіпотенціальною поверхнею, на нього поширюються наведені вище властивості, що їх географи називають основними властивостями геоїда.

На відміну від інших поверхонь фігури Землі, наприклад еліпсоїда, які відповідають певним математичним наближенням і не спостерігаються в природі, геоїд як поверхня має глибокий фізичний смисл, оскільки:

1) йому реально відповідає дві третини земної поверхні, саме Світовий океан (деякі відмінності поверхні океану від геоїда несуттєві);

2) він визначає розподіл потенціальної енергії на земній поверхні, отже, енергетичну здатність та знак фізичних процесів, що її формують. Це потребує пояснення.

Насамперед, рівень Світового океану виконує роль планетарного базису денудації, тобто поверхні, до якої прямує розвиток рельєфу суші протягом невизначено тривалого часу.

Річковий стік, спираючись на планетарний базис денудації, видозмінює певним чином профіль річищ, від чого залежить співвідношення ерозії та акумуляції. До профілю річищ основних річок пристосовуються річища приток, до них — система поверхневого стоку скидів на водозборах і т. д. Створюються цілі системи поверхневого стоку ‑ геоморфологічні системи (геоморфосистеми).

Поряд з цим рівень Світового океану визначає форму берегів, співвідношення суші й моря, системи течій тощо або цілу низку чинників, що впливають на клімат. Тому зміни в положенні геоїда, тобто рівня океану, впливають на глобальну екологічну обстановку. Передусім зазначимо зміни поверхневого стоку й клімату, які мають суттєвий фізичний смисл, оскільки перетворюють загальну картину розподілу чинників, що впливають на земну поверхню.

Кожна фізично реальна поверхня в полі земного тяжіння, що не відповідає еквіпотенціальній, перетинається безліччю еквіпотенціальних поверхонь. Лінії перетину будь-якої фізичної чи уявної поверхні еквіпотенціальними поверхнями називають еквіпотенціалями. Стосовно рельєфу земної поверхні вони називаються лініями рівня, або горизонталями (ізогіпсами для висот та ізобатами для глибин).

Зрозуміло, що в точках, які розташовані на одній такій лінії. щодо інших точок на тій самій лінії (з тим самим потенціалом) виконуються названі вище властивості стосовно еквіпотенціальних поверхонь взагалі.

За сучасними уявленнями, історія Землі була тісно пов’язана з тяжінням, бо саме через нього відбувалася консолідація планет з речовини газопилової туманності. Цікаво, що за однією з гіпотез (за Г. В. Войткевичем) утворення планети відбувається в результаті взаємодії двох сил — тяжіння, що сприяє зближенню мас у значному обсязі простору (бо це сила далекодійна), та електромагнітної, що, діючи на малих відстанях (бо це близькодійна сила), перешкоджала зближенню частинок.