Основы геофизики (стр. 1 )

ОСНОВЫ ГЕОФИЗИКИ

Калининград

2000

ОСНОВЫ ГЕОФИЗИКИ

Рекомендовано научно-методическим Советом

по географическому образованию УМО университетов

России в качестве учебного пособия для географических

и экологических специальностей высших учебных заведений.

Калининград

2000

УДК 550.3

ББК 26.2

O661

Рецензенты:

Д-р геол.-минерал. наук, профессор факультета

географии и геоэкологии Санкт-Петербургского

государственного университета

Д-р геогр. наук, профессор географического факультета

Московского государственного университета им.

В.

О661 Основы геофизики: Учеб. пособие. – Калининград, 2000. – 446 с.

ISBN

Даны основы теории физических полей Земли - магнитного, гравитационного и сейсмических, методы их наблюдения и интерпретации для изучения строения земной коры на суше и на море.

Рассмотрено внутреннее строение и физическое состояние вещества в недрах Земли, планет и звезд. Обосновываются представления о единстве химического состава протовещества во всех объектах Солнечной системы и окружающем космическом пространстве, звездный и планетный пути эволюции протовещества. Показано, что своеобразие физических полей определяется термодинамикой недр космических образований, которая в свою очередь зависит от величины исходной массы протовещества. Новые данные о строении и эволюции Земли основаны на найденных автором статьях водного баланса эндогенных поступлений и фотолитических потерь. Рассмотрена история планетарной воды и основные этапы эволюции географической оболочки.

Информация о планетарном и звездном состоянии вещества исследуется прежде всего с позиций и под углом зрения земных географических и геолого-геофизических проблем.

Предназначено для студентов географических и геологических факультетов университетов.

УДК 550.3

ББК 26.2

© Янтарный сказ, 2000

ISBN © В., 2000

V. V. Orlenok

PRINCIPLES OF GEOPHISICS

Kaliningrad

2000

UDK 550.3

BBК 26.2

O661

Reviewers:

Doctor of geol.-min. sciences,

professor of St.-Petersburg State University

J. P. Seliverstov;

Doctor of geography,

professor of Moscow State University

K. N. Djakonov

Orlenok V. V.

О661 Principles Of Geophysics: Textbook. – Kaliningrad, 2000. – 446 p.

ISBN

Base of theory of physical fields of the Earth – magnetic, gravitational and seismic, methods of their supervision and interpretations for study of a structure earth crust on continents and on the ocean are given.

Internal structure and physical condition of substance in bowels of the Earth, planets and stars is considered. Representations about unity of chemical structure of protosubstance in all objects of Solar system and environmental space, star and planetary ways of protosubstance evolution are proved. It shown, that in a basis of these processes not so much distinction of chemical structure of initial space formations, how many distinction of their masses lay. The new data on a structure and evolution of the Earth are based on found the item of the author water balance of endogenic incoming and photolitic losses. A history of planetary water and evolution basis stage of geographical environment is considered.

The information about planetary and star condition of substance is investigated first of all from positions and under a corner of sight earthly geographical and geological – geophysical problems. It is intended for the students of geographical and geological faculty of universities.

UDK 550.3

BBK 26.2

© Yantarny Skaz, 2000

ISBN © Orlenok V. V., 2000

Учебное издание

Вячеслав Владимирович Орлёнок

ОСНОВЫ ГЕОФИЗИКИ

Учебное пособие

Редакторы ,

Корректоры ,

Технический редакор

Оригинал-макет подготовлен

Лицензия № 000 от 01.01.2001 г. Подписано в печать 25.05.2000 г.

Бумага для множительных аппаратов. Формат 70´100 1/16.

Гарнитура «Таймс». Усл. печ. л. 30,7. Уч.-изд. л. 21,3.

Тираж 3000 экз. Заказ.

Калининградский государственный университет

4

Отпечатано в ГИПП «Янтарный сказ»

8

(1940 г.) – выпускник Московского государственного университета (1963 г.), доктор геолого-минерало­гических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, декан географического факультета Калининградского государственного университета. В 1994 г. избран академиком Российской экологической академии, председатель Балтийского отделения РЭА. Организатор и участник 23 морских и океанских геолого-гео­графических экспедиций. Основные научные интересы лежат в области физики Земли, планетологии, морской геологии и геофизики.

ёнком разработаны основы теории и методики интерпретации отраженных сейсмических волн в океане, заложены основы нового научного направления – петрофизики дна океана; им впервые в естествознании определены количественные значения внутрипланетарных поступлений и космических потерь земной гидросферы, получено новое уравнение мирового водного баланса, обоснована новая теория холодной контракции Земли и эволюции планетарной воды, выявлены планетный и звездный типы эволюции протовещества и др.

Автор более 150 научных работ, в том числе 7 монографий, 6 учебных пособий. Монография «История океанизации Земли» удостоена в 1999 г. золотой медали им. Семенова-Тян-Шанского Русского географического общества.

(Санкт-Петербургский университет): «Труд­но не согласиться с автором о необходимости более расширенного, чем принято в большинстве вузов в настоящее время, изучения физических свойств планеты Земля и её космического дома. Действительно, понять окружающую нас природу, оценить её происхождение и дальнейшую перспективу развития можно, только зная физику процессов и явлений, лежащих в основе эволюции первичного космического вещества и окружающих его энергий, благодаря которым оформилась наша Солнечная система и её специфическая часть – Земля. В этой связи рецензент приветствует появление труда под названием «Основы геофизики».

(Калининградский государственный университет): «Автор не перечисляет факты как данность, что присуще стилю многих учебников, а доказывает и убеждает. … Несмотря на сложность содержания учебного материала, каждый, кто будет его изучать, найдет для себя новое и интересное … Учебник позволяет развивать физическое мышление у географов».

(Московский государственный университет): «Земля и окружающее ее космическое пространство – это прежде всего физические объекты, которые в свою очередь продуцируют разнообразные физические поля. Их изучение представляет большой интерес для географов, так как позволяет понять многие глубинные процессы и явления, происходящие в географической оболочке. ... «Основы геофизики» – это фундаментальная работа, восполняющая недостатки физического образования у географов».

Введение

Планета Земля, как и вся Солнечная система, является прежде всего физическим объектом. Окружающее Землю космическое пространство пронизано веществом и энергией – солнечным и космическим излучением, гравитационными и электромагнитными полями.

Открытая космосу поверхность планеты вместе с покрывающей ее пленкой живого вещества испытывают постоянное воздействие этих внешних и собственных внутрипланетарных сил.

Мир вокруг нас – это мир физических объектов и явлений, разнообразных масс и продуцируемых ими физических полей.

Ядра, атомы, молекулы – это элементы вещества. Их объединения создают макротела от небольших размеров – метеоритов, комет, астероидов до гигантских образований – планет, звезд и их ассоциаций.

Наблюдаемое многообразие масс существует благодаря энергетическим полям взаимодействия между микрочастицами вещества и между макрообъектами (астрономическими массами). Если бы такого взаимодействия не существовало, то мир вокруг нас пребывал бы в рассыпанном на элементы состоянии.

Таким образом, чтобы понять природу планеты Земля, других объектов и физических полей окружающего ее космического пространства, необходимо изучить физику процессов и явлений, лежащих в основе эволюции первичного планетного вещества (прото­вещества).

Однако современные учебные программы многих географических (впрочем, как и геологических) факультетов России и СНГ не содержат такого курса. Вводный курс «Землеведение» не восполняет этот пробел, так как по-прежнему традиционно строится как изложение суммы знаний частных дисциплин географии (геоморфо­логии, гидрологии, метеорологии, океанологии, биологии, элементов геологии и др.). Мир Земли как элемент целостной планетарной системы постигается студентами по частям, вне связи с процессами и явлениями внутрипланетарного и космического масштаба. Это невольно делает географическое образование геоцентрическим, замкнутым исключительно на внутриземные проблемы, практически без учета внеземных факторов воздействия на различные компоненты географической среды. Назрела необходимость создания курса, знакомящего студентов-геогра­фов с фундаментальными основами физики Земли и окружающего космоса.

Около 10 лет назад автором было издано учебное пособие «Физика Земли, планет и звезд» (Орлёнок, 1991). За прошедшие годы появилось немало новых данных в этой области знаний. Кроме того, работая со студентами и обсуждая образовательные программы в научно-мето­дическом совете по высшему географическому образованию с коллегами, автор укрепился в мысли, что необходимо расширить и углубить названное учебное пособие и переиздать его под названием «Основы геофизики», соответствующему профессиональному блоку образовательного стандарта по специальности «География».

Это фундаментальный курс, в котором раскрывается физическая картина мира Земли и окружающего космического пространства, позволяющая понять особенности эволюции геосфер и их взаимодействие с внеземными процессами и явлениями. Курс следует вводить на 5‑м или 6-м семестрах после того, как студентами будут усвоены дисциплины: землеведение, физика, химия, высшая математика, геология, геоморфология, гидрология и др. Без этого, как показывает многолетний опыт преподавания курса в Калининградском государственном университете, многое в «Основах геофизики» воспринимается студентами с трудом или остается за пределами понимая вообще.

Читаемый на некоторых геологических факультетах курс «Разведочная геофизика» не является адекватным «Основам геофизики». Он является, по существу, одним из направлений общей геофизики, развиваемых в применении к решению практических задач изучения строения земной коры, поиска и разведки полезных ископаемых с помощью физических полей.

Многие разделы учебного пособия были разработаны автором и впервые введены в научное обращение в последние 10 – 15 лет.

Сюда относятся разработка концепции океанизации Земли, теория холодной контракции планеты, выделение и обоснование планетарного и звездного путей эволюции протовещества, новые доказательства геофизического сходства континентальных и океанических структур земной коры, критический анализ геофизического фундамента неомобилизма, история гравитационного взаимодействия системы Земля – Луна и многое другое.

Автор надеется, что с изданием учебного пособия «Основы геофизики» эта важная для географов фундаментальная дисциплина утвердится в учебных программах многих географических и геологических факультетов России и СНГ.

ёнок, доктор

геолого-минералогических наук,

профессор

ЧАСТЬ I

Глава I. СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

§1. Планеты и законы их обращения

Солнечная система включает девять крупных планет, которые со своими 57 спутниками обращаются вокруг массивной звезды по эллиптическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты можно разделить на две группы – планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, – Меркурий, Венера, Земля и Марс и планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, находящиеся на значительно более удаленных орбитах от центральной звезды. Последняя из известных планет Плутон своей орбитой с радиусом около 6 млрд. км очерчивает границы Солнечной системы. Плутон не относится к планетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.

Кроме больших планет между орбитами Марса и Юпитера вращается более 2300 малых планет – астероидов, множество более мелких тел – метеоритов и метеорной пыли, а также несколько десятков тысяч комет, двигающихся по сильно вытянутым орбитам, некоторые из которых далеко выходят за границы Солнечной системы.

Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в направлении движения Земли – с запада на восток. Это так называемое прямое движение. Основные закономерности движения планет полностью определяются законами Кеплера. Рассмотрим эти законы и охарактеризуем основные элементы эллиптических орбит.

Согласно первому закону, все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. На рис. 2 показаны элементы планетных орбит с Солнцем (С) в фокусе. Линия АП называется линией апсид, крайние точки которой афелий (А) и перигелий (П) характеризуют наибольшее и наименьшее удаление от Солнца. Расстояние планет (Р) на орбите от Солнца (гели­оцентрическое расстояние) определяется радиусом-вектором r = СР. Отношение полуфокального расстояния (с) к большой полуоси (а) называется эксцентриситетом орбиты:

Рис. 1. Солнечная система

Рис. 2. Элементы планетной орбиты: АП – большая полуось орбиты, ось апсид; П – перигелий; А – афелий; r – радиус вектор

. (I.1)

Если обозначить через q перигельное расстояние, а через Q афелийное расстояние, то их значения легко определить из выражений:

; (I.2)

. (I.3)

Тогда, определив большую полуось (а), мы найдем среднее годичное расстояние планеты до Солнца:

. (I.4)

Рис. 3. Площади, описываемые радиус-вектором планеты

Cреднее гелиоцентрическое расстояние Земли от Солнца равно 149,6 млн. км. Эта величина называется астрономической единицей и принимается за единицу измерений расстояний в пределах Солнечной системы.

Согласно второму закону Кеплера ра­диус-вектор планеты описывает площади, прямо пропорциональные промежуткам времени. Если обозначить через S1 площадь перигелийного сектора (рис. 3), а через S2 – площадь афелийного сектора, то их отношение будет пропорционально временам Dt1 и Dt2, за которые планета прошла соответствующие отрезки дуг орбиты:

. (I.5)

Отсюда следует, что секториальная скорость

(I.6)

величина постоянная.

Время, в течение которого планета сделает полный оборот по орбите, называется звездным, или сидерическим периодом Т (рис. 3). За полный оборот радиус-вектор планеты опишет площадь эллипса:

. (I.7)

Поэтому секториальная скорость

(I.8)

оказывается наибольшей в перигелии, а наименьшей – в афелии. Испо­льзуя второй закон, можно вычислить эксцентриситет земной орбиты по наибольшему и наименьшему суточному смещению Солнца по эклиптике, отражающему движение Земли (см. §4). Земля в перигелии пребывает в начале января (hmax = 61'), а в афелии в начале июля (hmax = 57'). По второму закону Кеплера скорость Земли в афелии и перигелии определяется из выражений:

; . (I.9)

Учитывая закон сохранения момента количества движения

(I.10)

и подставив сюда значения (I.9) с учетом выражений (I.2) и (I.3), найдем:

, откуда е = 0,0167.

Таким образом, орбита Земли лишь ненамного отличается от окружности.

Согласно третьему закону Кеплера, квадраты сидерических периодов обращения планет (Т12 и Т22) прямо пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца (а13 и а23):

. (I.11)

Если одна из планет, к примеру, Земля, и период ее сидерического обращения Т1 и расстояние от Солнца а1 положить равным единице, т. е. а1 = 1 а. е., Т1 = 1 году, то выражение (I.11) принимает простой вид:

. (1.12)

Полученное выражение позволяет, по известным из наблюдений периодам обращения планет, других небесных тел вокруг Солнца, вычислять их средние гелиоцентрические расстояния.

Найденные эмпирически из наблюдательной астрономии законы Кеплера показали, что Солнечная система представляет собой механическую систему с центром, находящимся в солнечной массе.

Законы Кеплера послужили Ньютону основой для вывода своего знаменитого закона всемирного тяготения, который он сформулировал так: каждые две материальные частицы взаимно притягиваются с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Математическая формулировка этого закона имеет вид:

, (I.13)

где M и m – взаимодействующие массы, r – расстояние между ними; G – гравитационная постоянная. В системе СИ G = 6,672·10-11 м3·кг-1·с-2. Физический смысл гравитационной постоянной заключается в следующем: она характеризует силу притяжения двух масс весом в 1 кг каждая на расстоянии в 1 м. Величина G впервые была определена в 1798 г. английским физиком Кавендишем с помощью крутильных весов.

Закон Ньютона решил задачу о характере действия силы, управляющей движением планет. Это сила тяготения, создаваемая центральной массой Солнца. Именно эта сила не дает планетам разлететься, а сохраняет их в связной системе последовательных орбит, по которым как на привязи сотни миллионов лет кружатся большие и малые планеты.

Решая задачу движения двух тел под действием взаимного притяжения Ньютон аналитически определил законы движения планет в поле тяготения Солнца. Тем самым эмпирические законы Кеплера получили строгое математическое доказательство. Третий же закон был уточнен за счет введения масс планет и Солнца:

. (I.14)

Теперь с его помощью оказалось возможным вычислять массы небесных тел. Полагая в выражении (I.14) массы спутников планет m1 и m2 равными нулю, ввиду их малости в сравнении с массой планет (за исключением Луны) и приняв массу Земли M2 = 1, соотношение (I.14) примет вид:

. (I.15)

Воспользуемся законом тяготения и определим массу Земли, полагая, что взаимодействуют две массы – Земли (М) и некоторого тела, лежащего на ее поверхности. Сила притяжения этого тела определяется законом Ньютона:

. (I.16)

Но одновременно из второго закона механики эта же сила равна произведению массы на ускорение:

, (I.17)

где g – ускорение силы тяжести; R – радиус Земли.

Приравнивая правые части выражений (I.16) и (I.17):

,

найдем выражение для определения массы Земли:

. (I.18)

Подставив в (I.18) известные значения G = 6,672·10-11 м3·кг-1·с-2,
g = 9,81 м/с2, R = 6,371·106 м, в итоге получим MЗ = 5,97·1024 кг, или в граммах: M3 = 5,97·1027 г. Такова масса Земли. Обращаем внимание на формулы (I.16), (I.17), (I.18) – их надо твердо помнить. В дальнейшем мы часто будем пользоваться ими как исходными для определения входящих в них параметров.

Теперь воспользуемся уточненным третьим законом Кеплера и найдем из выражения (I.15) массу Солнца. Для этого рассмотрим две системы тел – Солнце с Землей и Землю с Луной. В первой системе
a1 = 149,6·106 км, Т1 = 365,26 суток; во второй системе а2 = 384,4·103 км, Т2 = 27,32 суток. Подставляя эти значения в формулу (I.15), находим массу Солнца в относительных единицах массы Земли М0=328700 М3. Полученный результат отличается от более точных расчетов, так как в сравнении с массой Земли массу Луны нельзя приравнивать нулю (масса Луны составляет 1/81 массы Земли). Зная массу Земли в абсолютных единицах (килограммах или граммах) и взяв более точное определение массы Солнца (М0 = 333000 М3), определим его абсолютную массу: М0 = 333000·5,97·1027 г = 1,98·1033 г.

В настоящее время для более точного определения массы и фигуры планет и их спутников используются параметры орбиты искусственных спутников, запускаемых с Земли.

Дальше мы увидим, что закон тяготения Ньютона объясняет не только движение системы планет и других космических объектов в Солнечной системе, но и лежит в основе понимания процессов, происходящих внутри самих астрономических масс.

§2. Орбитальные характеристики планет

Физические условия на поверхности каждой из девяти планет всецело определяются их положением на орбите относительно Солнца. Ближайшие к светилу четыре планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – имеют сравнительно небольшие массы, заметное сходство в составе слагающего их вещества и получают большое количество солнечного тепла, ощутимо влияющего на температуру поверхности планет. Две из них – Венера и Земля – имеют плотную атмосферу, Меркурий и Марс атмосферы практически не имеют.

Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун значительно удалены от Солнца, имеют гигантские массы и плотную мощную атмосферу. Все они отличаются высокой осевой скоростью вращения. Солнечное тепло почти не достигает этих планет. На Юпитере оно составляет 0,018·103 Вт/м2, на Нептуне – 0,008·103 Вт/м2.

Все планеты, за исключением Меркурия и Венеры, имеют спутники, общее число известных на сегодняшний день достигает 57. Наибольшее количество спутников имеют Юпитер – 16, Сатурн – 17 и Уран – 15. Остальные планеты имеют один – два спутника.

Большая часть массы вещества Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце – более 99%. На долю планет приходится менее 1% общей массы. Остальное вещество рассеяно в астероидах, кометах, метеоритах, метеорной и космической пыли.

Все планеты имеют сравнительно небольшие размеры и в сравнении с расстояниями между ними их можно представлять в виде материальной точки. Из курса физики известно, что произведение массы тела на его скорость называется импульсом:

, (I.19)

а произведение радиуса-вектора на импульс – моментом импульса:

. (I.20)

Из приведенного выражения видно, что скорость V движения планеты по эллиптической орбите меняется вместе с изменением радиуса-вектора r. При этом на основании второго закона Кеплера имеет место сохранение моментов импульса:

. (I.21)

Из (I.21) видно, что при увеличении r1 скорость V1 должна уменьшаться, и наоборот (масса т планеты неизменна). Если выразить линейную скорость V через угловую скорость w

, (I.22)

то выражение для момента импульса планеты примет вид:

. (I.23)

Из последней формулы следует, что при сжатии вращающихся систем, т. е. при уменьшении r и постоянстве т, угловая скорость вращения w неизбежно возрастает.

В табл. I.1 приведены орбитальные параметры планет. Хорошо видно, как по мере возрастания радиуса орбиты (гелиоцентрического расстояния) уменьшается период обращения и, следовательно, скорость движения планет.

При движении планеты вокруг Солнца сила притяжения последнего уравнивается центростремительной силой, приложенной к планете:

. (I.24)

Отсюда легко найти среднюю орбитальную скорость движения планеты, которая совпадает с круговой скоростью:

, (I.25)

где r = a – расстояние от Солнца;

Т – период обращения планеты вокруг светила.

В качестве примера найдем среднюю орбитальную скорость вращения Земли, положив в формулу (I.25) Т = 365,2564·86400 с = 31,56·106 с, а = 149,6·106 км, получим V = 29,78 км/с.

В табл. I.2 приведены параметры всех известных на сегодня спутников планет. Обращаем внимание на наиболее крупные из них. Луна – спутник Земли, Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – спутники Юпитера, Титан – спутник Сатурна, Тритон – спутник Нептуна. Это самый крупный спутник в Солнечной системе. Диаметр Тритона 6000 км. Три последние планеты имеют также своеобразные кольца, исследование которых с американской межпланетной станции «Вояджер-2» показало, что они состоят из темного материала, частицы которого имеют размеры порядка метра и более. Не исключено, что это каменные обломки разрушившихся небольших спутников или продукты выбросов мощных вулканических взрывов.

Таблица I.2

Орбитальные параметры спутников планет

Название	Орбитальный радиус, км	Радиус, 103 м	Масса, 1020 кг	Плотность, 103 кг/м3
Спутник Земли
Луна	384,4	1738	734,9 (±0,7)	3,34
Спутники Марса
Фобос	9,378	13,5×10,7×9,6	1,26(±0,1)×10-4	2,2(±0,5)
Деймос	23,459	7,5×6,0×5,5	1,8(±0,15)×10-5	1,7(±0,5)
Спутники Юпитера
Метис (Метида)	127,96	?×20×20	-	-
Адрастея	128,98	12,5×10×7,5	-	-
Амальтея	181,3	135×82×75	-	-
Теба (Фива)	221,9	?×55×45	-	-
Ио	421,6	1815	894±2	3,57
Европа	670,9	1569	480±2	2,97
Ганимед	1070	2631	1482,3±0,5	1,94
Каллисто	1883	2400	1076,6±0,5	1,86
Леда	11094	8	-	-
Гималия	11480	90	-	-
Лиситея	11720	20	-	-
Элара	11737	40	-	-
Ананке	21200	15	-	-
Карме	22600	22	-	-
Пасифае	23500	35	-	-
Синопе	23700	20	-	-
Спутники Сатурна
Атлас (Атлант)	136,64	19×?×14	-	-
Прометей	139,35	70×50×37	-	-
Пандора	141,70	55×43×33	-	-
Эпиметей	151,422	70×58×50	-	-
Янус	151,472	-	-	-
Мимас	185,52	197	0,38±0,01	1,24
Энцелад	238,02	251	0,8±0,3	1,24
Тефия (Тетис)	294,66	524	7,6±0,9	1,26
Телесто	294,66	?×12×11	-	-
Калипсо	294,66	15×13×8	-	-
Диона	377,40	559	10,5±0,3	1,44
Елена (Хелен)	377,40	18×?×15	-	-

Окончание табл. I.2