2015-06-28
561
Происхождение, эволюцию, строение и свойства Земли и её оболочек изучают физическими методами науки, объединённые под общим названием геофизика. В частности, в состав геофизики входят физика Земли, изучающая «твёрдую» Землю, т.е. без атмо-, гидро- и биосферы, а также разведочная геофизика, объектом изучения которой является земная кора и локализованные в ней месторождения полезных ископаемых. Обе науки используют для своих целей измерения физических полей Земли.
Физика Земли исследует главные (нормальные) компоненты физических полей Земли, а также геофизические аномалии планетарного масштаба, источником которых является мантия и ядро. В разведочной геофизике изучаются региональные и локальные геофизические аномалии, связанные с физическими неоднородностями земной коры. Физика Земли как дисциплина является естественнонаучной (мировозренческой) основой для разведочной геофизики и взаимоотношение этих дисциплин определяется обусловленностью геологических процессов в верхнем слое Земли её глубинными процессами.
|
|
|
Физика Земли введена в учебные планы геологоразведочных вузов и факультетов Государственным образовательным стандартом в начале 90-х годов прошлого столетия. Потребность в этой дисциплине связана с высокой к этому времени степенью изученности земной коры, при которой повышение эффективности геологоразведочного процесса стало зависеть не только от ответа на вопрос – где локализуются месторождения, но и – почему они здесь образуются.
Настоящее учебное пособие представляет собой краткое изложение дисциплины «Физика Земли» и составлена на основе курса лекций, читаемого для студентов геологических специальностей Томского политехнического университета.
Авторы считают своим долгом выразить благодарность сотрудникам кафедры геофизических методов ТПУ за помощь и поддержку в подготовке и издании учебного пособия, а также рецензентам за ценные замечания, способствующие улучшению работы.
1. ЗЕМЛЯ КАК КОСМИЧЕСКОЕ ТЕЛО
Земля представляет собой единую природную систему, все элементы которой взаимосвязаны в своём развитии. Это развитие происходит за счёт внутренних, собственно земных, и внешних, космических, источников энергии. Влияние последних несомненно, поскольку Земля не изолирована от окружающей её космической среды.
1.1 Движение тел в гравитационном поле
Гравитационное поле - это силовое поле, передающее взаимодействие масс. Сила гравитационного притяжения (F) определяется законом всемирного тяготения (И.Ньютон, 1686), и для двух материальных точек с массами m1 и m2, находящихся на расстоянии r, справедливо выражение:
|
|
|
F = 
f. 
(1.1)
f - гравитационная постоянная, согласующая размерности обеих частей уравнения. Она численно равна силе притяжения двух единичных масс, находящихся на расстоянии, равном единице. В системе СИ f = 6,67.10-11 Н.м2.кг-2.
Рассмотрим механическую систему, состоящую из двух материальных точек с массами M и m. Предположим также, что выполняется условие М >> m. Именно такая ситуация встречается в Солнечной системе, где масса Солнца более чем в 100 раз превышает массу самой большой планеты - Юпитера, либо в протопланетном газо-пылевом облаке, где в силу случайных столкновений появился сгусток материи - зародыш будущей планеты. Пусть в начальный момент времени расстояние между точками M и m равно r0, а скорость прямолинейного равномерного движения m равна v0 и направлена перпендикулярно r0 (рис.1.1). Сила гравитационного притяжения массы М вынуждает тело m к ускоренному движению, при этом вектор ускорения a направлен в сторону М, т.е. по r0. В результате тело m отклоняется от своего прямолинейного движения и имеет криволинейную траекторию. Сила гравитации, сообщая телу центростремительное ускорение, вынуждает его двигаться по криволинейной траектории.
Именно гравитационное взаимодействие является причиной криволинейных движений космических тел: Луна вращается вокруг Земли, Земля и другие планеты - вокруг Солнца, Солнечная система - вокруг центра нашей галактики Млечного пути, Млечный путь - вокруг центра масс Вселенной.
Из законов Ньютона следует, что траектория движения тела m является кривой, лежащей в плоскости Mmv0, а форма траектории определяется выражением, вытекающим из сохранения количества движения при взаимодействии:
v02 = k.f. 
, (1.2)
где k - коэффициент.
Если k < 1, т.е. гравитационное воздействие велико в сравнении с импульсом прямолинейного движения (большие массы, маленькое расстояние, низкая первоначальная скорость), то тело m упадёт на М. Так на Землю падают метеориты, захваченные её гравитационным полем, происходит наращивание планет за счёт космической пыли, кометы падают на Солнце и др.
Если k = 1, то тело m движется по круговой орбите вокруг тела M. Такую траекторию имеют искусственные спутники Земли. Скорость, которую нужно сообщить спутнику, чтобы вывести его на круговую околоземную орбиту, называется первой космической скоростью и равна 7,9 км/с.
Если 1< k < 2, то тело движется по замкнутой эллиптической орбите, степень вытянутости которой определяется значением k, т.е. опять же зависит от соотношений v0, M + m и r. По слабо вытянутым эллиптическим орбитам обращаются Земля и другие планеты вокруг Солнца. Сильно вытянутую эллиптическую орбиту имеет комета Галлея, захваченная гравитационным притяжением Солнца. Её перигелий (самое близкое к Солнцу положение) находится внутри орбиты Венеры, а афелий (наиболее удалённое положение) - за орбитой Нептуна. Опасность кометы для Земли заключается в том, что орбита Галлеи пересекает орбиту Земли, и если при очередном витке r окажется маленьким, возможно столкновение кометы с Землей.
Если k 
2, то тело движется по разорванным параболическим (k = 2) или гиперболическим (k > 2) траекториям. Гравитационного притяжения в данном случае недостаточно (высокие v0 и r, низкие M + m) для захвата тела на орбиту; изменяется лишь траектория движения. Такое влияние оказывает, например, Солнце на некоторые кометы. Скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы преодолеть гравитационное притяжение планеты, звезды, называется скоростью освобождения (убегания) или второй космической скоростью. Для Земли она составляет 11,2 км/с, для Солнца - 617,7 км/с.
