Раздел 1. Строение и динамика Земли

Предисловие

Настоящее учебное пособие соответствует учебной программе курса «Физика Земли» и предназначено для студентов астрономо-геодезической специальности. Оно может быть полезным для всех, интересующихся строением Земли, её физическими полями и атмосферой и учётом физических процессов, происходящих на поверхности Земли, в её недрах и в атмосфере, при решении задач астрономии, геодезии и геодинамики.

В пособии систематизированы современные знания по рассматриваемым в нём вопросам.

Пособие состоит из двух разделов. В первом разделе дана общая характеристика планет Солнечной системы, рассмотрены внешнее и внутреннее строение Земли и кратко её единственного естественного спутника Луны, даны основные понятия динамической фигуры Земли, рассмотрены основные движения Земли и их возмущения, а также её основные физические поля и их характеристики. Изложены основные гипотезы изостазии и основные положения тектоники плит, рассмотрены также источники освещённости Земли.

Во втором разделе, посвящённом атмосфере Земли, рассмотрены строение атмосферы, её химический состав, приведены параметры её основных слоёв. Рассмотрены вопросы рефракции электромагнитных волн (астрономическая и земная рефракция, миражи) и влияния рефракции на точность угловых и линейных (радиотехнических) измерений.

Выражаю искреннюю благодарность и признательность доктору технических наук, профессору Е.П. Тарелкину и кандидату технических наук, доценту В.Ф. Алексееву за просмотр рукописи и высказанные при этом полезные замечания и рекомендации.

И вся Вселенная и все дела Земли

Обманный сон, мираж и краткое мгновенье

Омар Хайяма

Введение

Планета Земля является объектом исследования многих наук: геофизики, геодезии, географии и других. Названия всех этих наук берут начало от древнегреческого слова «Геа» - Земля.

Раздел физики, изучающий состояние вещества и строение нашей планеты, носит название геофизики. Геофизика, как обобщающая наука, изучающая Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственных полей, занимает среди точных и естественных наук (астрономии, геодезии, физики, математики, географии, геологии, химии) уникальное стыковое положение. Она использует достижения этих наук или родственных им научно-прикладных дисциплин, ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного плана.

Физика Земли, как комплекс наук о Земле, её внутреннем строении, физических свойствах и физических процессах, происходящих в её «твёрдых оболочках», а также гидросфере и атмосфере, в зависимости от характера изучаемого физического поля и предмета исследования включает разделы: земной магнетизм, гравиметрию, сейсмологию, геотермику, гидрофизику, физику атмосферы, разведочную и промысловую геофизику.

Некоторые исследователи под физикой Земли понимают физику «твёрдой» Земли, которая изучает лишь Землю, как планету и её оболочки: каменную - литосферу, мощностью порядка 100км, астеносферу, простирающуюся до глубин 400км, мантию до глубин 2900км, ядро внешнее до глубин 5100км и ядро внутреннее до центра Земли. Под физической фигурой твёрдой оболочки Земли понимают тело, образованное поверхностью рельефа суши и дна океанов, морей и крупных озёр.

Предметом исследований прикладной геофизики являются глубинные структуры земной коры на суше и океанах (платформенные, геосинклинальные, рифтовые области, океанические впадины и др.), кристаллический фундамент, осадочный чехол, верхняя часть земной коры. Целью прикладной геофизики является восстановление строения, состава, истории развития этих объектов земной коры на основе косвенной информации о физических полях.

В настоящее время совершенно ясно, что твёрдая, водная и воздушная оболочки Земли и Космос должны рассматриваться как единая динамическая система, непрерывно изменяющаяся во времени. Наиболее стабильная часть этой системы – твёрдая оболочка Земли – тоже заметно меняет свою форму.

Земная поверхность не остаётся неподвижной. Одни её участки испытывают поднятия, другие медленно опускаются. Оценивать эти движения стало возможным всего лишь несколько веков назад, когда начали использовать для этих целей точные инструментальные методы геодезии.

Исходным материалом для изучения динамики Земли служат данные о фигуре (физической, гравитационной и динамической), внутреннем строении, литосфере, гидросфере и атмосфере Земли, солнечно-земные и лунно-земные связи, геофизические поля Земли, осевое вращение и годовое движение Земли.

К естественным физическим полям Земли относят следующие: гравитационное, магнитное, электрическое, электромагнитное, термическое, сейсмическое (поле упругих колебаний, возникающих во время землетрясений), поле ядерных излучений.

Каждое физическое поле характеризуется своими параметрами. Так, гравитационное поле определяется ускорением свободного падения или силы тяжести и его градиентами и др.; геомагнитное поле – полным вектором напряжённости и различными его элементами; электромагнитное – вектором магнитной и электрической составляющими; упругое – скоростями распространения различных упругих волн; термическое – температурами; ядерно-физическое – интенсивностью естественного и искусственно вызванных гамма- и нейтронных излучений.

Принципиальная возможность изучения Земли на основе различных физических полей определяется тем, что распределение параметров полей в воздушной оболочке, на поверхности акваторий или материков, в скважинах зависит не только от происхождения естественных или способа создания искусственных полей, но и от литолого-петрографических и геометрических неоднородностей земной коры, создающих аномальные поля.

Поведение физических полей Земли определяется физическими свойствами горных пород (плотностью, намагниченностью, теплопроводностью, упругостью и др.), которые зависят от их минералогического состава, давления и температуры. Роль двух последних факторов неодинакова. Давление на одних и тех же глубинах практически остаётся постоянным, а температура значительно изменяется в зависимости от величины теплогенерации и теплового потока. В некоторых районах колебания температур могут оказывать определяющее влияние на поведение физических параметров и, следовательно, на характер физических полей.

Аномалии определяются, прежде всего, изменением физических свойств горных пород по площади и глубине. Так, гравитационное поле зависит от изменения плотности пород, магнитное поле – от магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности, электрическое и электромагнитное поля – от удельного электрического сопротивления пород, диэлектрической проницаемости, электрохимической активности и поляризуемости и т.д.

Французский философ, математик и физик Р. Декарт (1596-1650) и немецкий философ, математик и физик Г. Лейбниц (1646-1716) впервые рассмотрели Землю как развивающееся космическое тело, которое первоначально было в расплавленном состоянии, а затем охлаждалось, покрываясь твёрдой корой. Расплавленная Земля была окутана парами, которые затем сгустились и создали Мировой океан, его воды частично ушли в подземные пустоты, создав сушу. Возникновение гор на Земле некоторые учёные связывали с землетрясениями, либо с вулканической деятельностью. М.В. Ломоносов (1711-1765) также объяснял образование гор «подземным жаром». Он предположил, что значение силы тяжести на земной поверхности определяется внутренним строением планеты, и одним из первых предпринял попытку измерить вариации ускорения силы тяжести.

В этот период была развита теория маятника, на основе которой стали производиться достаточно точные определения силы тяжести, разработаны приборы для измерения скорости ветра, количества осадков, влажности воздуха. Немецкий естествоиспытатель А. Гумбольдт (1769-1859) установил, что напряжённость земного магнетизма меняется с широтой, уменьшаясь от полюса к экватору, он одним из первых наблюдал магнитную бурю и обобщил накопившиеся к первой четверти 19в. данные о строении Земли. Для изучения прохождения в Земле сейсмических волн в 1851г. было осуществлено первое искусственное землетрясение (наблюдалось распространение колебаний на поверхности ртути в сосуде, вызванных взрывом пороха). В 1855г. английский астроном Дж. Эри (1801-1892) высказал предположение о равновесном состоянии земной коры (изостазии), подтвердившееся в 20в. при изучении глубинного строения гор. Было установлено, что более высокие горы имеют более глубокие корни.

В 1897г. немецкий учёный Э. Вихерт, основываясь на результатах изучения состава метеоритов и распределении плотности в недрах планеты, выделил в Земле металлическое ядро Земли и каменную оболочку. В этот период установлена возможность определения относительного возраста пород по сохранившимся в них остаткам флоры и фауны, что позволило позднее построить геохронологическую шкалу, осуществить палеореконструкции положения материков и океанов в разные геологические эпохи, изучать историю геологического развития Земли. С конца 19 века геодезические методы стали использоваться для изучения движений земной коры и её внутреннего строения.

Начало 20в. было отмечено крупными успехами в исследовании полярных областей Земли. В 1909г. американский полярный исследователь адмирал Р. Пири (1856-1920) достиг Северного полюса, а в 1911г. норвежский полярный исследователь Р. Амундсен (1872-1928) – Южного. Норвежские, бельгийские, французские и русские путешественники обследовали приполярные области, составили их описания и карты. Позднее было начато планомерное изучение этих областей с помощью антарктических научных станций и дрейфующих обсерваторий «Северный полюс».

В это же время появилась гипотеза, которой в дальнейшем было суждено сыграть ключевую роль в науках о Земле. Американский инженер Ф. Тейлор (1856-1915) в 1910г. и немецкий геофизик А. Вегенер (1880-1930) в 1912г. высказали идею о горизонтальных перемещениях материков на большие расстояния (дрейф материков). Этой идеи предшествовало открытие в океанах глобальной системы срединно-океанических хребтов, опоясывающих весь земной шар и местами выходящих на сушу. Выяснилось также, что земная кора под океанами принципиально отличается от континентальной коры, а мощность осадков на дне увеличивается от гребней хребтов к их периферии. Были составлены карты аномалий магнитного поля океанского ложа, которые имеют удивительную, симметричную относительно осей хребтов структуру. Все эти и другие результаты послужили основанием для возврата к идеям дрейфа континентов, но уже в новой форме – тектоники плит, которая остаётся ведущей теорией в науках о Земле.

В первой половине 20 в. были получены фундаментальные данные о глубинном строении Земли. В 1909г. сербский сейсмолог А. Мохоровичич (1857-1936) выделил планетарную границу раздела, являющуюся подошвой земной коры. В 1916г. русский сейсмолог Б. Голицын зафиксировал границу верхней мантии, а в 1926г. американский сейсмолог Б. Гутенберг (1889-1960) установил в ней наличие сейсмического волновода – зоны верхней мантии Земли пониженной твёрдости, прочности и вязкости - астеносферы. Он же определил положение и глубину границы между мантией Земли и ядром. В 1935г. американский сейсмолог Ч. Рихтер ввёл понятие магнитуды землетрясения, а в 1941-45гг. вместе с Б. Гутенбергом разработал шкалу Рихтера. Позднее на основе сейсмологических и гравиметрических данных была разработана модель внутреннего строения Земли, которая остаётся практически неизменной до наших дней.

Огромную роль в жизни человека играет атмосфера Земли. Прежде всего, мы дышим воздухом, без него жизнь на Земле была бы невозможной. Атмосфера «согревает» Землю, поглощая тепло, излучаемое Землёй в мировое пространство, и частично возвращая его в виде встречного излучения атмосферы. Атмосфера выполняет ряд защитных функций. Она защищает нас от губительного действия ультрафиолетовых лучей Солнца и от «небесных камней» - метеоров, подавляющая масса которых сгорает в атмосфере. Ионизированные слои, имеющиеся в атмосфере, обеспечивают радиосвязь и отражают назад в мировое пространство приходящие из него радиоволны длиннее 30м днём и 200-300м ночью, освобождая от них наш эфир. Атмосфера ещё и освещает Землю ночью и в отсутствие Луны она наш главный светильник.

Открыть источник освещения земной поверхности ночью удалось в 1919г. американскому астроному В. Слайферу (1875-1969). Он доказал, что каждую ночь весь небосвод излучает непрерывный свет, подобный свету полярных сияний.

Открытие ночного свечения атмосферы явилось подлинной сенсацией в науке. Ночное свечение атмосферы представляет собой свечение разреженных газов (люминесценцию), составляющих воздух на высотах от 80 до 300км. По физической природе оно аналогично свечению разреженных газов в газовых рекламных трубках. Спектр свечения атмосферы является довольно сложным. Он состоит из большого числа линий и полос в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, а также слабого непрерывного участка спектра, называемого континуумом, в области длин волн 0,595-0,630мкм.

Много интересных сведений о характере изменения свечения ночной атмосферы над большими территориями земной поверхности получено с помощью фотометрических измерений с пилотируемых космических кораблей, ракет и спутников. На основе измерений со спутников строятся, аналогично синоптическим картам, карты ночного свечения атмосферы. С помощью таких карт исследуется состояние ионосферы над большими областями земной поверхности.

Значительный объём новой информации, особенно о строении атмосферы, был получен в результате исследований глобальных геофизических процессов во время максимальной солнечной активности, проводившихся в рамках Международного геофизического года (1957-58) учёными 67 стран.

Плотность воздуха и его давление очень быстро уменьшаются по мере поднятия над земной поверхностью. Среднее давление воздуха в стандартной атмосфере у поверхности Земли на уровне моря равно 1013гПа, на высоте около 5км оно уменьшается вдвое, а на высоте 100км давление измеряется уже десятитысячными долями гектопаскаля. Число молекул в единице объёма воздуха на высоте 100км меньше, чем у поверхности Земли, примерно в 3 млн. раз. Состав воздуха, который мы имеем у поверхности Земли, сохраняется неизменным только до высот порядка 80-100км. В более высоких слоях под влиянием коротковолнового солнечного излучения происходит расщепление, или, как говорят, диссоциация молекул газов на атомы.

Плотность воздуха изменяется и со временем. Эти изменения характеризуются следующими основными эффектами:

· Суточный эффект. В зависимости от времени суток плотность воздуха на данной высоте различна. Максимум плотности наблюдается примерно через 2 часа после полудня, а минимум – между полуночью и рассветом. Этот эффект обусловлен влиянием температуры в зависимости от высоты Солнца над горизонтом. Днём массы воздуха поднимаются вверх и поверхности постоянной плотности образуют горб, направленный к Солнцу. При h=500км этот горб имеет высоту около 100км, так что дневные значения плотности на высоте 600км примерно равны ночным значениям на высоте 500км. Для высоты 650км максимальные значения плотности могут в 10 раз превосходить минимальные значения. Разность между дневными и ночными значениями плотности для h=200км мала, но и она может составлять 40% средней плотности на данной высоте;

· Колебания плотности с периодом 27 суток. Этот эффект, период которого равен периоду вращения Солнца вокруг своей оси по отношению к Земле, связан с количеством и активностью солнечных пятен на видимой стороне Солнца. Амплитуда колебаний плотности с таким периодом на высоте 200км может составлять 20%, а на высоте 600км – 70% от средней плотности;

· Шестимесячные колебания. Этот эффект связывают с наклоном оси вращения Солнца к плоскости эклиптики. Максимумы этих колебаний бывают в апреле и октябре, а минимумы – в январе и июне. На высоте 350км амплитуда 6-месячных колебаний достигает 40% от средней плотности;

· Одиннадцатилетний цикл. Этот эффект связан с 11-летним циклом солнечной активности и вызывает самые большие вариации плотности. Между максимумами и минимумами солнечной активности плотность воздуха убывает на высоте 300км примерно в 3 раза, а на высоте 600км в 2 раз;

· Иррегулярные изменения плотности. Спорадические изменения плотности воздуха связаны также с деятельностью Солнца. Эти изменения трудно предсказать, могут длиться несколько суток или несколько часов и достигать достаточно больших значений.

Таким образом, атмосфера имеет весьма сложную структуру, а построение достаточно полной аналитической модели атмосферы является делом чрезвычайно сложным.

Плотность воздуха – одна из величин, определяющих тормозящее действие атмосферы на движение искусственных спутников Земли. Если спутник движется в атмосфере, то вследствие её тормозящего действия уменьшается высота полёта, и, в конце концов, спутник прекращает своё существование. Влияние этой возмущающей силы качественно отличается от действия гравитационных сил. Сопротивление атмосферы вызывает вековые возмещения в элементах орбиты.

Атмосфера оказывает своё влияние на распространение электромагнитных волн. Рефракция электромагнитных волн как светового, так и радиодиапазонов искажает результаты астрономических, геодезических и радиотехнических измерений. Влияние атмосферы учитывают при угловых и линейных измерениях, в том числе выполняемых доплеровскими и лазерными установками до ИСЗ и Луны. Значения дальностей, измеренных этими установками, исправляются поправками за рефракцию радиолуча в ионосфере, тропосфере и за релятивистский эффект.

Одной из фундаментальных задач астрономогеодезии является определение системы отсчета (планетарная геоцентрическая геодезическая система координат и планетарная геоцентрическая гравитационная модель Земли) на эпоху и соответствующих ей фундаментальных геодезических параметров (геоцентрическая гравитационная постоянная, экваториальный радиус, второй зональный гармонический коэффициент потенциала и угловая скорость вращения Земли).

Аномальное распределение масс на поверхности и внутри Земли, а также их постоянное перемещение определяют нестационарность Земли. Из-за временных изменений фигуры Земли и её гравитационного поля, перемещений центра инерции и оси вращения Земли в её теле система отсчёта и соответствующие ей фундаментальные параметры становятся референцными относительно системы отсчёта новой эпохи.

Определение изменений системы отсчёта и точная редукция астрономо-геодезических и геофизических измерений в единую систему отсчёта – одна из актуальнейших задач геодезии. Эта задача наиболее точно может быть решена современными методами геодезии с учётом внутреннего строения и динамики Земли.

Раздел 1. Строение и динамика Земли