2. История развития науки геофизика

Предпосылки для создания геофизики как отдельной отрасли геологической науки были заложены в XVII-XIX вв. В XVII в. Б. Варрениус впервые указал на тесную связь географии и физики. Но впервые для объяснения географических явлений использовал физические методы А. фон Гумбольдт (1804 г.), который также заложил научные основы геомагнетизма. А. фон Гумбольдт высоко оценил работу Х. де Акосты (1539-1600) по исследованию в области метеорологии и физики, и за многие его открытия он удостоил его звания одного из основателей геофизики. В трудах Х. де Акосты впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения, соображения об изгибе изотермических линий и о распределении тепла в зависимости от широты, о направлении течений и многих физических явлений: различия климатов, активности вулканов, землетрясений, типы ветров и причины их возникновений. После открытия И. Ньютоном отливов и приливов, Х. де Акоста объяснил их природу, периодичность и взаимосвязь с фазами Луны. Он первым доказал, что землетрясения и вулканические выбросы имеет различную природу, описал различные землетрясения, их очередность и многие явления с ними связанные. Как комплексная самостоятельная наука геофизика определилась к середине XIX в, когда были накоплены достаточно обширные материалы геофизических наблюдений, позволившие приступить к их обобщению и физическому истолкованию. На основании полученных результатов началось систематическое изучение строения и физических свойств твёрдой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Геофизические методы исследования недр начали развиваться с 20-х гг. XX в. Однако физико-математические основы геофизики были заложены значительно раньше. Также давно началось использование физических полей Земли для практических целей. Ранее других методов возникла магниторазведка. Первые сведения о применении компаса для разведки магнитных руд в Швеции относятся к 1640 г. Теория гравитационного поля Земли берет свое начало с 1687 г., когда И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. В 1753 г. М.В. Ломоносов высказал мысль о связи значений силы тяжести на земной поверхности с внутренним строением Земли и разработал идею газового гравиметра. Его же работы в области сейсмологии, атмосферного электричества можно считать первыми, относящимися к геофизическим исследованиям Земли. История развития взглядов на происхождение Земли и других каменных планет Солнечной системы. Образование Луны.

Первые научные представления о Земле в работах учёных древней Греции

Литература: [1]; [2]; [6]; [8]; [11] доп. литература [14]; [17]

Вопросы для самоконтроля:

1. Что в широком смысле изучает Геофизика.

2. Можно ли Геофизику биотехносферы называть геофизической экологией, если можно, то почему.

3. Исследования Ломоносова по геофизике.

Тема лекции: «Элементы Земного магнетизма ».

Цель: Ознакомить студентов с первыми измерениями элементов земного магнетизма и с историей создания геомагнитных обсерваторий.

Содержание лекции:

1. Дипольность геомагнитного поля.

2. Локальная система координат.

Геомагнитное поле играет большую роль в защите всего живого на земле, от губительного  жесткого электромагнитного излучения. В первом приближении геомагнитное поле Земли диполь. Силовые линии геомагнитного поля замкнуты, а в районе полюсов расходящиеся. Геомагнитное поле Земли способно отразить заряженные частицы с энергией до 15гэв. Геомагнитное поле, во втором приближении называется эксцентричный диполь, так как ось диполя смешена в направлении к Тихому океану на 451км, кроме того ось диполя находится под углом 11 градусов к оси вращения Земли. Диполь пересекает поверхность земли в двух точках, которые называются магнитными полюсами: Северный магнитный полюс находится в Гренландии и имеет следующий координаты:  81сш        84,7зд;  а южный магнитный полюс находится в Антрактиде:  75юш       120,4вд. За столетия диполь плавно перемещается  приблизительно на 100-200км. Магнитный момент Земли также не остается постоянным ,он уменьшается и начиная с 1900 года формула связывающая магнитный момент и время имеет следующий вид,где t время в годах: М=(15,77-0,003951t)*10²⁵см³Гс. Напряженность магнитного поля Земли составляет: Н=0,3 Гс. Это внесистемная единица и ее название Гаусс, связана с именем немецкого математика Гаусса, который первым произвел масштабное измерение геомагнитного поля. Помимо Гаусса существует еще внесистемная единица, которая называется гамма: Гамма-это: 1нТл=1Y=10^-5Гс.

 Для измерения магнитного поля и для описания его свойств используется так называемое локальная система координат. Ось ОX направлена на север, ось ОY на восток, ось ОZ в глубь земли. Вектор напряженности геомагнитного поля обозначается буквой. В Его проекция на поверхность земли обозначается Н и называется горизонтальной составляющей вектора напряженности геомагнитного поля Н, угол между В и Н обозначается буквой Ι и называется магнитным наклонением или просто наклонением. Угол между осью ОХ и Н обозначается буквой D и называется магнитным склонением или азимутом. Величины: x,y,z,B,H,I,D-называется элементами земного магнетизма.

Литература: [1]; [3]; [8]; [11] дополнительная литература [16].

Вопросы для самоконтроля:

1.Какие географические координаты имеет в настоящий момент северный магнитный полюс.

2.Что относится к элементам земного магнетизма.

3.В каких единицах измеряется напряжённость магнитного поля Земли.

Тема лекции: «Источники главного магнитного поля Земли».

Цель: Разобратся в проблеме возникновения магнитного поля Земли.

Содержание лекции:

1. Модель-Земля однородно намагничена.

2.Модель-в центре Земли находитя постоянный магнит.

3.Гидромагнитное динамо.

Измеряются элементы земного магнетизма магнитометром в магнитных обсерваториях. При помощи магнитометра производят магнитную съемку местности, в результате чего получают магнитограммы. Изменение элемента земного магнетизма называется вариациями. Различают два основных класса вариации:  долгопериодические (вековые);   короткопериодические. Различают два источника геомагнитного поля: главное поле (внутреннее поле); внешнее поле. Главное поле дает вариации вековые, а внешнее поле дает кратковременные периодические вариации с амплитудой до 200 Гаусс и с продолжительностью от 10 долей секунд до нескольких суток.

Исторической самой первой теорией геомагнитной теории была теория однородного намагничивания. Место, где напряженность значительно отличается от среднего значения напряженности геомагнитного поля, называется аномалией. Различают два вида аномалий:    местные магнитные аномалии (локальные);    мировые магнитные аномалии (материковые);

Другое предположение состоит в том, что в центре Земли находится постоянный магнит. Теория жидких металлических токов внутри Земли называется теория Эльзассера. Название этой теории гидромагнитное динамо. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Гидромагнитное динамо «работает» в неустойчивом режиме и время от времени внутри ядра происходит изменение знака магнитного поля, такое явление называется инверсией. Данные об инверсии магнитного поля Земли получены на основе палео и архео магнитных исследований. Палеомагнитные исследования это исследование минералов природного характера. Архео магнитные исследования это исследование предметов культуры. Помимо долговременных вариаций существует и кротко периодические вариации, геомагнитного поля, но источник этих вариаций находятся не внутри Земли, а в ионосфере. В ионосфере образуется электрический ток направление, которого противоположно току внутри земли. Также вариации возникают из-за  приливной деятельности. Возникает суточная вариация, связанная с приливом солнца и полусуточная вариация, связанная с приливом Луны.

Литература: [1]; [3]; [8]; [11] дополнительная литература [16].

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется инверсией геомагнитного поля.

2. Чем отличаются архео и палеомагнитные исследования.

3. Перечислите виды вариации геомагнитного поля.

Тема лекции: «Воды Земли».

Цель: Показать уникальность планеты Земля, связанную с наличием различных форм воды.

Содержание лекции:

1. Океаны Земли.

2. Поверхностные воды.

3.Подземные воды.

Наша Земля является уникальной планетой солнечной системы, так как на ней находится вода в жидком состоянии. Ни на одной из планет воды нет, на некоторых она испарилась, а на некоторых замерзла. 71% поверхности Земли это мировой океаны.  Если всю сушу идеально выровнять, т.е. землю сделать идеальной сферой, то океан покроит сушу слоем 2,4км. Помимо мирового океана различаются воды: рек, озер, ледников.  Все это называется поверхностной гидросферой. На океаны приходится 97,48% воды поверхностной гидросферы. На льды приходится 2,5% гидросферы. На озера, реки и влагу в атмосфере 0,01%, поверхностная гидросфера составляет 58% всей гидросферы Земли, а 42% это подземная гидросферы. К ней относятся подземные воды, а также вода физически и химически связанная в минералах и породах. В земной коре и на ее поверхности содержится 2,5млрд. км³ воды, что составляет 0,04%от массы всей планеты. Вода, связанная в породах это 420 км³. Моря, входящие в океаны Земли. Классификация озёр. Реки и льды

Литература: [1]; [2]; [4]; [5]; [6]; [11] дополнительная литература [14]; [18]

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется поверхностной гидросферой.

2. Что называется подземной гидросферой

3. Какую часть от массы всей планеты составляет масса воды.

Тема лекции: «Внутреннее Строение Земли».

Цель: Ознакомить студентов спроблемой образования слоистой структуры Земли.

Содержание лекции:

1. Форма Земли.

2. Строение Земной коры

3.Строение внешней и внутренней оболочки.

4. Строение внешнего и внутреннего ядра.

Планета Земля относится  к внутренним планетам солнечной системы. Внутренние планеты это каменные планеты, т.е. они, состоят в основном из кремния. К внутренним планетам относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс. Все остальные планеты солнечной системы часто называют ледяными, т.к. состоят из замерших газов это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Форма называется геоид. Это так называемый эллипсоид вращения. Сплюснутость составляет порядка 20км., что вполне сопостовимо с рельефом Земли. Земля имеет слоистую структуру что означает, что первоначально Земля была в расплавленном состоянии. При охлаждении в результате гравитационной дифференциации были сформированы оболочка и ядро. Модель строения земли предложена Булленом. Самая внешняя оболочка называется кора, ее толщина в среднем 33км., а вообще ее размеры колеблется от 5км на дне океанов и до 70км в горных массивах. Если землю сравнить с яблоком, то кора, это шкурка яблока. Масса всей коры составляет 1% от массы всей земли, а масса всей Земли m=6*10²⁷кг, плотность земной коры в среднем ρ=3,3^г/_см3 . Кора отделяется от внешней оболочки, поверхностью Мохоровича. На поверхности Мохоровича находятся местные магнитные аномалии и залежи полезных ископаемых. На этой поверхности скорость распространения упругих волн резко меняется, от 5км/с до 11 км/с. За поверхностью Мохоровича находятся внешняя оболочка или как ее называют мантия. Она простирается от 33км. до 410км. Мантия находится в особом состоянии, магма. Оболочка и ядро также разделяются особой поверхностью Вихерта. На этой поверхности распределяются материковые магнитные аномалии, через поверхность Вихерта не проходят поперечные упругие волны, а это значит, что под поверхностью Вихерта находится вещество в жидком агрегатном состоянии. Ядро разделяется на внешнее и внутреннее. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, оно состоит 52% железа и 48% никеля. Внутреннее ядро твердое, температура Т=6000К, но при очень высоком давлении. Твердое ядро состоит из 80% железа и 20% никеля. Масса всего ядра 31%от массы всей земли, а плотность возрастает с глубиной от ρ=9,4-17,8 ^г/_см3 . Сведения о внутреннем строении земли, получены при анализе метеоритов, падающих на землю. Различают следующие виды метеоритов: сидериты, сидеролиты и аэролиты. Сидериты - это железные метеориты. Сидериты -  91% железо, 9% никель.  Сидеролиты - 55% железо, 19% кислорода. Аэролиты 47% кислород, 21% кремний, 16% железо. То, что у наиболее старых метеоритов большое содержание железа, подтверждает тот факт, что внутри твердого ядра Земли, находится большое количество железа. Возраст земной коры оценивается 4млрд. лет, а возраст ядра порядка 5-6млрд. лет, поэтому возраст земли оценивается 4-6млрд. лет.

Литература: [1]; [2]; [4]; [5]; [6]; [11] дополнительная литература [14]; [18]

Вопросы для самоконтроля:

1. Чем объясняется слоистая структура Земли.

2. Почему считают, что под оболочкой Земли находится жидкое ядро

3. Какие метеориты более старые: сидериты или сидеролиты.

Тема лекции: «Распределение температур внутри Земли».

Цель: Ознакомить студентов с современной точкой зрения на распределение температур внутри Земли.

Содержание лекции:

1.Измерение температур в земной коре.

2. Распределение температур внутри Земли, согласно вулканическим данным.

Распределение плотности, давления, ускорения свободного падения с увеличением глубины от поверхности Земли считается  известным достаточно хорошо. Существуют такие методы в геофизике называемые геофизической разведкой, позволяющие определить эти параметры. А вот распределение температур с глубиной, известно не достаточно строго. Все сведения о распределении температур внутри Земли получены при изучении извержений вулканов. До глубины порядка 14км имеются достаточно достоверные сведения о распределении температур т.к. проводилось бурение шахты на Кольском полуострове. Вплоть до глубины 200метров, Земля прогревается Солнцем и поэтому температура в начале падает. А затем начинает расти на каждый километр на двадцать градусов и на глубине 50-60км., температура достигает 1300-1500К, на глубине порядка 100-110км., температура мантии 2000-2500К, на глубине оболочка ядра температура порядка 4000-5000К, а в центре ядра температура порядка 6000К. Рассмотрим, какова же причина такого теплового режима Земли. Внутри ядра Земли находятся тяжелые химические элементы, чем ближе к центру, тем более тяжелые химические элементы, а мы знаем, что тяжелые химические элементы радиоактивны. Радиоактивные элементы распадаются с выделение радиоактивного излучения, следовательно, с выделением энергии. Выделившиеся энергия идет на нагревание внутреннего ядра. Причем количество теплоты определяется по закону:

, где q₀-количество теплоты, выделяемый данным химическим элементом в центре Земли или в месте его нахождения,         h - высота отсчитываемая от центра Земли или от места нахождения химического элемента,  α-коэффициент const характеризующей каждый химический элемент. 

Литература: [1]; [2]; [4]; [5]; [6]; [11] дополнительная литература [14]; [18]

Вопросы для самоконтроля:

1. Каков источник прогревающий Земную кору.

2. Почему внутренне ядро находится в жидком состоянии и имеет такую высокую температуру.

3. Почему говорят, что сведения о распределении температур внутри ядра носят спекулятивный характер.

Тема: «Глобальная тектоника».

Цель: Ввести студентов в круг проблем касющихся глобальной тектоники.

Содержание лекции: