0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

мосі. Радіус Сонця становить 696 • 10' км або 109 радіусів Землі, маса — 1,99 • 1033 г або 332 • Ю3 мас Землі, середня щільність — 1,41 г/см3 або 0,256 середньої щільності Землі. Сила гравітації на поверхні Сонця у 28 разів перевищує силу гравітації на поверхні Землі.

Сонце — це величезна розпечена газова куля, що обертається в тому самому напрямку, що й Земля. Обертання Сонця нерівномірне — на екваторі воно значно швидше, ніж бшя полюсів. Період обертання Сонця біля екватора становить близько 25 діб, біля полюсів — 33 доби. Однією з особливостей Сонця є наявність на його поверхні плям. Сонячні плями —- це вихід потужних «джгутів» — трубок магнітних силових ліній. Напруженість магнітного поля у великих плямах досягає 240 кА/'м. Більшість великих сонячних плям біполярна. В утворенні і розміщенні плям на Сонці спостерігається 11-річний цикл, після чого полярність плям у різних півкулях змінюється на зворотну. Повний цикл плямоутворення на Сонці становить 22 роки. Згідно із справедливим зауваженням І.Д. Зосимовича [73], існування зв'язку між процесами на Сонці та явищами на Землі стало очевидним після того, як було встановлено, що у варіаціях земного магнітного поля виявляється та сама циклічність, що й у числі сонячних плям.

Поряд із магнітним полем сонячних плям, Сонце, очевидно, має також дипольну компоненту, зумовлену її загальним обертанням. Проте індукція його невелика і навряд чи перевищує декілька одиниць 10 4 Тл в районі полюсів. Спостережуване випромінювання Сонця виникає у відносно тонкому (порядку 700 км) зовнішньому шарі, що називається фотосферою. Його ефективна температура досягає порядку 6000 К. Температура всередині Сонця перевищує 107 К.

Крім спокійного світіння на Сонці спостерігаються окремі спалахи. Вважають [241], що це «розряди», зумовлені змінними полями на ділянках сонячних плям. Сонячну радіацію загалом умовно можна розділити на два типи: електромагнітні хвилі і заряджені частинки. Електромагнітні хвилі — це ультрафіолетове випромінювання, видиме світло і радіохвилі. Заряджені частинки утворюють так званий сонячний вітер, швидкість якого поблизу Землі досягає 400 км/с за концентрації' частинок 1 ... 10 протонів/см3. Потоки плазми сонячного вігру захоплюють за собою у міжпланетний простір і сонячні магнітні поля. Індукція цих полів поблизу орбіти Землі становить близько 5 нТл.

9

Загальна кількість енергії, яку випромінює Сонце за 1 с, становить 3,86 • 1021 Дж. На частку Землі припадає одна двохмільйонна її частина. І все ж за рік Земля отримує 6,1 • 1024 Дж, а за галактичний рік — 1,22 • 1033 Дж. Цієї енергії цілком достатньо для забезпечення перебігу будь-яких тектонічних явищ на Землі.

Планети Сонячної системи. Планети Сонячної системи прийнято поділяти на внутрішні — Меркурій, Венера, Земля, Марс і зовнішні

— Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун, Плугон. Для внутрішніх планет характерні порівняно невеликі діаметр і стиснення; для зовнішніх, за винятком Плутона, геометричні розміри і стиснення — великі.

У табл. 1 наведено основні параметри перелічених вище планет. Стосовно інших їхніх характеристик, зокрема магнітних полів, додамо таке [180].

М е р к у р і й . Очевидно має дипольне магнітне поле, силові лінії якого спрямовані приблизно вздовж осі обертання планети. Індукція поля на поверхні планети перебуває в межах 350—700 нТл, що становить 1 % напруженості магнітного поля на поверхні Землі. Полярність магнітного поля Меркурію збігається з полярністю магнітного поля Землі.

В е н е р а . Магнітне поле, якщо й існує, то принаймні в 10" слабкіше за земне. Пояснюють це малою швидкістю її обертання. Для Венери характерна щільна атмосфера, спостережувані верхні шари якої зазнають глобального обертання в напрямку, протилежному обертанню планети з періодом порядку 4 діб. Природа цього явища поки що не з'ясована.

М а р с . Має магнітне поле, індукція якого на екваторі досягає ~64 нТл. Полярність обернена до земної. Кут між віссю диполя і віссю обертання ~15°. Вісь обертання Марса на відміну від земної змінює кут свого нахилу на ~20° з періодом 10' і 106 років. Однією з особливостей Марса є наявність потужних пилових бур, ідо мають планетарний характер. Щоб утворилася пилова буря, швидкість впру біля поверхні повинна перевищували 150 км/год.

Юпіл е р . Магнітне поле дипольне, полярність обернена до земної Вісь диполя нахилена до осі обертання на 10°,8 і зміщена від центра планети на відстань 700 км. Індукція магніт-

бливістю Юпітера є нерівномірність обертання окремих його

розходження пояснюють великомасштабними змінами юпітеріанських вітрів.

1 0

1.3. Основні параметри і ротаційний режим системи Земля — Місяць

З е м л я . Землю га її супутник Місяць можна розглядати як подвійну планету, що обертається навколо спільного центра. Нижче наведено їхні основні параметри [28, 180, 182].

Маса Землі - 5,976-1027 г, об'єм — !,08 3-1027 см3. Реальна форма Землі дуже складна. В першому наближенні її можна вважати еліпсоїдом обертання (рис. 2). Екваторіальний радіус земного еліпсоїда а. = 6,378160-Ю3 км, полярний радіус а, = = 6,356778-103 км, радіус рівновеликої кулі а = 6,371023-10і км.

де г і ф —- полярні координати точок земного еліпсоїда.

Як наступне наближення до реальної форми Землі приймають геоїд. Геоїд — це одна з рівневих поверхонь гравітаційного потенціалу Землі, що збігається з незбуреною поверхнею морів і океанів, продовжену під континенти. Ця поверхня найближче збігається з земним еліпсоїдом, відхиляючись від нього не більше, ніж на 120 м. У геодезичній практиці геоїд використовується для відтворення справжньої поверхні Землі.

Геоїд звичайно характеризується відхиленнями від земного еліпсоїда (референц-еліпсоїда). їх можна визначити декількома способами: 1) за аномаліями гравітаційного поля (буде розглянуто нижче); 2) шляхом вивчення особливостей траєкторій руху штучних супутників Землі; 3) на морях і в океанах прямим вимірюванням відстаней за допомогою лазерного альтиметра, встаношіеного на штучному супутнику Землі з відо-

мою орбітою.

На рис. З наведено схему однієї з карт висот

1 2

геоїда, отриману другим способом, на рис. 4, а, б — викопіювання з карт висот геоїда однієї і тієї самої ділянки Землі, отримані відповідно другим і третім способами. Із зіставлення рис. 4, а і 4, б досить наочно видно вищу точність відхилення геоїда третім способом.

З інших параметрів Землі назвемо геоцентричну гравітаційну сталу і моменти інерції. Геоцентрична гравітаційна стада є добутком гравітаційної сталої / на масу Землі з атмосферою т:

/от = (3,98603 ± 0,00003)-10м м3/с2.

Моменти інерції: екваторіальний А = 8,042-1044 гем2; полярний С = 8,068 1044 г ем2; середній / = %(2А + С).

Моменти інерції необхідні для вивчення внутрішньої будови Землі.

Ротаційний режим Землі. Розглянемо чотири параметри ротаційного режиму Землі: прецесію і нутацію земної осі обертання, зміну положення осі обертання (полюсів) відносно земної поверхні та зміну кутової швидкості обертання Землі ш.

Внаслідок стиснення фігури Землі і притягання Сонця й Місяця земна вісь з періодом близько 26-103 років описує конус, кут піврозхилу якого дорівнює 23°,5. Це явище називають прецесією земної осі. Прецесія визначається величиною Н = (С — А)/С, що дістала назву динамічного стиснення (стала прецесії). Із спостережень і відповідної динамічної теорії випливає, що Н = 0,003273. Якби Земля була однорідною, то її динамічне стиснення відповідало б істинному — є. Для реальної Землі Н — 0,976»:. що свідчить

про наявність у ній щільного ядра. На рівномірний прецесійний рух осі обертання Землі накладаються невеликі її коливання відносно середнього положення, що називаються нутацією. Нутація земної осі складається з рухів з різними періодами, максимальний

не залишається незмінним. Щорічно полюси описують навколо деяких центрів еліптичні, близькі до калових, траєкторії з колорічним періодом (1,0 і 1,2 роки) і середнім радіусом порядку 0",2.

На рис. 5, а наведено траєкторію Північного полюса обертання за три роки, а на рис. 5, б — крива переміщення річних центрів Північного полюса за 66 років, отримані шляхом ковзного

15

Рис. 5. Астрономічні дані про переміщення полюсів за Є.П. Федоровим та ін.:

а — траєкторія Північного географічного полюса з 1950 по 1953 р.; б — траєкторія річних центрів Північного полюса з 1900 по 1966 р.

осереднення за 6-річними інтервалами. Ця крива свідчить про наявність регіональної складової переміщення полюсів по поверхні Землі з середньою швидкістю порядку 10 см/рік. Привертає увагу складний вигляд кривої з петлеподібними ділянками.

З наведених даних випливає, що траєкторія руху полюса за останнє століття мала вигляд складної кривої, що складається з регіональної частини, яка монотонно змінюється, з накладеними на неї циклічними складовими різних порядків з періодами від одного року до кількох десятків років.

Останнім часом вдалося встановити величину коливання широти (зміну положення полюсів) і відповідну їй вільну нутацію земної осі з колодобовим періодом [85]. Отже, в разі аналізу будьяких відносних переміщень на поверхні Землі, що виконуються в кутових відстанях, цей факт слід враховувати.

Розглянемо дані про н е р і в н о м і р н і с т ь обертання Землі. За сучасними уявленнями, відхилення кутової швидкості від середнього значення складається з таких компонентів: 1) вікові варіації; 2) нерегулярні зміни; 3) періодичні коливання, які умовно можна розділити на довгоперіодні (періоди понад рік), сезонні і короткоперіодні.

Вікові варіації кутової швидкості обертання Землі встановлюються астрономічними методами шляхом вивчення ефемерид Сонця, Місяця і планет, а останнім часом — за допомогою палеонтологічного методу [66]. Зокрема, відносне збільшення тривалості доби за 1 млн років (в 10~14), отримане за астрономічними

16

даними (екстраполяція) — 2,155 ± 0,214, а за даними палеонтології - 2,150 ± 0,097.

На рис. 6, а наведено графіки зміни кутової швидкості обертання Землі протягом фанерозою, вираженої числом діб в астрономічному році. Привертає увагу досить добра збіжність даних, отриманих різними способами. Вони свідчать про систематичне сповільнення обертання нашої планети. Проте це сповільнення відбувається не лінійно, а порушується періодичними і нерегулярними коливаннями кутової швидкості, уявлення про які можна отримати з графіків, наведених на рис. 6, б, в. Аналіз результатів інструментальних вимірювань дає змогу зробити висновок про наявність у цих порушеннях досить чітко вираженої компоненти з річним періодом [144]. Графік зміни цієї компоненти наведений на рис. 6,г.

Місяць і припливи на Землі. Параметри Місяця: маса — 7,35-Ю25 г, середній радіус — 1,738-103 км, середня щільність — 3,34 г/см\ період обертання (сидеричний місяць) — 27,321661 до- би. Місяць обертається навколо Землі по еліптичній орбіті, велика піввісь якої дорівнює 384,4-Ю3 км, а мала — на 21-103 км менша. Площина орбіти Місяця нахилена до екліптики на кут 5°,9. Характерною особливістю орбіти Місяця є безперервна зміна її основних характеристик (півосей еліпса і кута нахилу площини місячної орбіти до екліптики), що відбувається під дією збурень, зумовлених притяганням Сонця та інших планет, а також відхиленням форм Землі і Місяця від сферичної. Все це спричинює зміни умов взаємодії Землі і Місяця.

Під впливом місячного притягання у Землі виникають своєрідні п р и п л и в и , що виявляються у вигляді підіймань і супровідних опускань земної поверхні на материках або водної поверхні в акваторіях морів і океанів, що хвилеподібно переміщуються по поверхні Землі вслід за рухом Місяця (рис. 7, а). Складність траєкторії Місяця зумовлює також складний характер припливних рухів у земній корі. їх можна уявити як такі, що складаються з сукупності хвиль з періодами, починаючи від часток доби і закінчуючи багаторічними. Найчіткіше виявляються хвилі з півдобовими, добовими і двотижневими періодами. Згідно з теоретичними розрахунками, для Землі, що має властивості ідеальної рідини [120], під впливом місячного притягання рівнева поверхня Землі (геоїд) могла б підійнятися максимум на 35,6 см, а опуститися — максимум на 17,8 см, тобто діапазон коливань міг би досягти 53,4 см. На місячні припливні деформації' геоїда накладаються аналогічні сонячні, діапазон зміни яких дещо менший. Він ста-

1 7