9.4. Физические поля Земли
Описание строения нашей планеты будет неполным, если не рассмотреть ее физические поля, в первую очередь, гравитационное и магнитное поля. Понятие «поле», которое появилось и наиболее широко используется в теории электромагнетизма, целесообразно использовать в тех случаях, когда каждой точке в определенной области пространства можно сопоставить значение некоторой физической величины. В этом смысле можно говорить о поле температур (тепловом поле), поле скоростей, поле сил и т. п. В соответствии с характером физической величины поля подразделяют на векторные и скалярные.
Гравитационное поле Земли. Установленный И. Ньютоном в 1747 г. закон всемирного тяготения выражается формулой
Fт = GMm/r2 ,
где Fт - сила тяготения, М и m - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между центрами тяжести этих тел, G = 6, 673·10-11 м3с-2кг-1 - гравитационная постоянная.
Описывая гравитационное взаимодействие какого-либо малого тела, обладающего массой m, с большим небесным телом (например, с Землей), закон тяготения удобно записать в виде:
Fт = m/r2,
где = GM – постоянная тяготения рассматриваемого небесного тела. В случае Земли эта постоянная имеет величину около 4·1014 м3с-2.
Если малое тело (тяготеющая точка) находится в непосредственной близости над поверхностью небесного тела, силу притяжения определяют как
Fт =gm,
где g = /r2 - ускорение свободно падающего тела. В случае Земли, как известно, g = 9,8 м/с2.
Отметим, что при необходимости определять силу тяготения с большой точностью нужно учитывать зависимости величины g от координат точки, в которой определяется эта сила. В предположении однородного распределения массы по объему Земли силу тяжести в любой заданной точке можно рассчитать. Имеющиеся на практике отклонения фактических (измеренных) значений ускорения g от расчетных (т. н. гравитационные аномалии) обусловлены в первую очередь неравномерностью распределения масс. Тщательное изучение гравитационного поля Земли позволяет не только выявлять крупные тектонические нарушения, но и вести поиски месторождений полезных ископаемых.
Наличие гравитационного поля достаточной величины явилось одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле, ведь только благодаря силам притяжения наша планета имеет гидросферу и атмосферу (на Луне, где постоянная тяготения почти на два порядка меньше, как отмечалось, нет ни воды, ни воздуха).
Магнитное поле Земли. О том, что Земля обладает магнитными свойствами, известно с давних времен. Достаточно сказать, что история непосредственных магнитных измерений на земном шаре насчитывает более 400 лет, результаты своих экспериментальных исследований “большого магнита - Земли” английский естествоиспытатель Уильям Гильберт опубликовал в 1600 году. Наша планета действительно представляет собой большой магнит, форма современного магнитного поля Земли близка к той, которая была бы создана магнитным диполем, помещенным в ядре.
Любая земная порода в момент своего образования под действием геомагнитного поля приобретает намагниченность, которая сохраняется до тех пор, пока эта порода не будет разогрета до температур, превышающих температуру Кюри. Изучая естественную остаточную намагниченность пород, возраст которых известен, можно узнать о пространственном распределении и временных изменениях геомагнитного поля в прошлом. Можно сказать, что информация об эволюции геомагнитного поля в буквальном смысле «записана» в земных недрах, роль магнитного носителя лучше всего выполняют магматические породы, извергавшиеся из вулканов при высокой температуре (выше температуры Кюри для содержащихся в этих породах ферромагнитных материалов). Остаточная намагниченность магматических пород определяется величиной и направлением геомагнитного поля, существовавшего в момент остывания лавы.
Одним из важнейших результатов подобных палеомагнитных исследований является открытие т. н. инверсии геомагнитного поля (иногда используется термин «реверсия»), т. е. изменения направления магнитного момента Земли на противоположное. Продолжительность процесса инверсии лежит в пределах от 7 тысяч до несколько десятков тысяч лет, а промежутки между соседними инверсиями – от 200 тысяч до десятков миллионов лет. Современная полярность земного магнита сохраняется вот уже 700 тысяч лет. Существует предположение, что смещение магнитных полюсов сопровождается смещением и географических полюсов и соответствующими изменениями положения климатических поясов и зон.
Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими и с течением времени могут изменять свое положение. Последние 100 лет, как показывают наблюдения, северный магнитный полюс10 перемещается в восточном направлении (с севера Канады через Северный Ледовитый океан к Сибири), его перемещение составило уже около 1000 км. Пока не вполне ясно, что это – начало очередной инверсии, или часть нормальной осцилляции, после которой полюс вернется на свое привычное место.
Тепловое поле Земли. Планета Земля находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, она одновременно и поглощает, и излучает примерно равные количества тепла. Главным источником внешней энергии для Земли является Солнце. Среднее значение плотности потока солнечной энергии над атмосферой Земли составляет примерно 0,14 Вт/см2. Почти половина падающей энергии (порядка 45%) отражается в мировое пространство, остальная энергия аккумулируется атмосферой, водой, почвой и зелеными растениями. Преобразуясь в тепло, энергия солнечной радиации приводит в движение массы атмосферного воздуха и огромные массы воды в мировом океане. Благодаря энергии Солнца в природе существует непрерывный атмогидрооборот, оказывающий определяющее влияние на климат Земли и являющийся рабочим механизмом экзогенных геологических процессов.
Определенный вклад в создание теплового поля Земли вносят и внутренние источники. Этих источников достаточно много, но к основным следует отнести только три: распад радиоактивных элементов, плотностная (гравитационная) дифференциация вещества и приливное трение.
Скалярное тепловое поле Земли имеет достаточно сложное строение. В верхнем слое земной коры (до 30 – 40 м) сказывается влияние прогрева поверхности солнечными лучами, поэтому этот слой называют гелиотермической зоной. Температура в этой зоне периодически изменяется в течение суток и в течение года. Чем больше период колебаний поверхностной температуры, тем глубже эти колебания проникают в земные недра15, но в любом случае амплитуда колебаний температуры экспоненциально уменьшается с увеличением глубины.
Температурный режим нижней зоны земной коры, называемой геотермической зоной, определяется внутренним теплом. В этой зоне с увеличением глубины температура повышается, скорость ее изменения различна в разных участках поверхности земного шара, что связано как с различной теплопроводностью пород, так и с неравномерностью теплового потока, идущего их земных недр.
Между гелиотермической и геотермической зонами проходит пояс постоянных температур, в пределах которого среднегодовая температура, соответствующая тому или иному региону, примерно постоянна. Глубина залегания этого пояса зависит от теплофизических свойств пород и от широты местности (увеличивается с повышением широты).
Если среднегодовая температура какой-то области отрицательна, то атмосферные осадки, просачивающиеся в недра, превращаются в лед, в этих условиях образуется т.н. вечная мерзлота. В зонах вечной мерзлоты, общая площадь которых составляет около четверти всей твердой поверхности нашей планеты16, верхний слой почвы оттаивает в летнее время на глубину от нескольких сантиметров до 3 - 4 метров.
Развитие отечественной и мировой экономики пока базируется на росте энергопотребления. В ХХ веке население Земли увеличилось в 2,2 раза, а потребление энергии – в 8,5 раз. В условиях надвигающегося энергетического кризиса солнечная энергия, а также тепловая энергия земных недр могут и должны составить конкуренцию традиционным источникам энергии (нефть, газ, уголь, ядерное топливо).