Физика земли (стр. 7 )

Движение полюса вызывает возмущения потенциала силы тяжести W

- потенциал центр. силы

Если полюса перемещаются, то Q изменяется на величину .

При высокоточных измерениях силы тяжести вводится поправка за движение полюса:

и – координаты Полюса в секундах из Бюлл. службы Широты.

Вследствие прецессии и нутации земной оси взаимное расположение полюсов Мира и полюсов эклиптики, а следовательно и небесного экватора и эклиптики, непрерывно изменяется.

Полюс Мира, определенный средним направлением ост вращения Земли, т е обладающий только прецессионным движением – называется средним полюсом мира.

На рисунке это Положение среднего полюса Мира определяется из непрерывных рядов наблюдений на астрономических станциях, расположенных на международной параллели .

Усредненное положение истинного полюса за период с 1900 по 1905 год в 1960 году было принято за среднее положение Земного полюса и названного Международным условным началом (МУН). - положение истинного полюса мира).

Средний полюс мира вследствие прецессии за 25600 лет описывает около полюса эклиптики окружность с радиусом 23,º5: образующая конуса наклонена под углом 23,º5.

Истинным полюсом мира называется полюс, определенный действительным направлением земной оси ( он же мгновенный полюс), т е обладающий и прецессионным и нутационным движением.

Под движением полюсов понимают перемещение истинного полюса вращения Земли, совпадающего с проекцией на земную поверхность истинного небесного полюса, относительно некоторого его начального положения. В качестве такового выбирают среднее положение истинного географического полюса за определенный промежуток времени.

Определение деформации земной поверхности по геодезическим данным.

Методика определения деформации земной поверхности по геодезическим данным широко используется на практике. Суть ее в следующем:

Деформации земной поверхности для однородной среды представляются в виде тензора деформации:

где , – горизонтальные и – вертикальные смещения точки земной поверхности

Впервые компоненты тензора деформации для изучения современных движений земной поверхности были предложены в 1929 году Т.
Терадой и Н. Мияби, которые, используя изменения координат пунктов, получили значения объемного расширения, вращения и сдвига для геометрического центра треугольника. К. Цубон обобщил этот способ для большего числа треугольников (сети триангуляции). Позднее, в США, были разработаны процедуры вычисления компонентов деформации по разностям углов и сторон, измеренных в разные эпохи. В СССР компоненты деформации стали применяться после 1970г.

Амплитуды и скорости вертикальных движений земной поверхности (СВДЗП) являются исходными данными для вычисления таких кинематических характеристик, как скорость изменения ее наклона и кривизны (первая и вторая производные скорости СВДЗП по направлению).

В инженерно – динамических исследованиях эти характеристики вычисляются по формулам

крен поверхности (11.1)

относительный прогиб (11.2)

кривизна изгибаемой поверхности (11.3)

- изменение высоты го репера

- расстояние между м и м реперами

Крен () – характеризует изменение наклона по направлению нивелирной линии, которое можно использовать для определения истинного наклона (градиента) его направления, представив в виде

(11.4)

Неизвестные компоненты наклона в плоскости меридиана и первого вертикала определяются из решения системы уравнений для (), число которых равно числу нивелирных ходов, сходящихся на репере, в окрестностях которого определяются наклоны.

Истинный наклон земной поверхности и его направление определяется по формулам:

(11.5)

и - компоненты наклона в плоскости меридиана и первого вертикала соответственно

азимут нивелирной линии

истинный наклон земной поверхности

азимут истинного наклона

Наклоны измеряют с помощью наклономеров и высокоточных уровней.

Относительные изменения расстояний определяют с помощью деформографов или экстенсиометров между 2 точками, находящимися на расстоянии 20-60 км.

Относительные изменения объемов жидкостей определяют с помощью дилатометров. При этом жидкость должна находиться в закрытых изолированных емкостях при постоянной температуре.

Вертикальные колебания земной поверхности можно зафиксировать с помощью вертикальных сейсмографов или высокоточными приливными гравиметрами типа GS-11 (

Лекция №12

Земной магнетизм. Его история. Магнитное поле Земли и околоземного пространства. Палеомагнетизм.

Магнетизм свойство железных руд (магнитного железняка) и земное магнитное поле были обнаружены и использовались человеком для практических целей еще во времена глубокой древности.

Так древний китайский историк Ц – Матзян свыше 2 тысяч лет назад, изучая старые летописи, обнаруживал в них упоминания об указателях направлений на юг, укрепленных на дорожных колесницах.

Позднее в «Трактате о колесницах и одежде» написанных 1500 лет тому назад, сказано, что во время междоусобной войны на Востоке в 1 в. до нашей эры (на территории Китая) секрет изготовления путеуказывающих колесниц был утрачен и вновь открыт только в 226г. нашей эры.

В XI – XII в н. э. указатель юга приобрел форму стрелки. Стрелку изготовляли из кованого железа и намагничивали трением о железную руда.

В XII в нашей эры было открыто свойство полярности магнита, и был создан прототип современного компаса.

В 1269г. П. Пелегрин в своей книге «Письмо о магните», которая была опубликована лишь в 1558г. в Германии, впервые предложил назвать конец намагниченной стрелки, указывающий на север – северным, а противоположный – южным. Он же и усовершенствовал компас.

В те далекие времена многие считали, что стрелку компаса направляло точно на север притяжение Полярной звезды. Однако, позднее обнаружили что стрелка значительно откланяется от этого направления (до 10 градусов и более на запад и восток).

В 1492г., Колумб во времена своей экспедиции установил, что угол отклонения стрелки от направления на географический север (т. е склонение) неодинаково в различных участках земного шара и меняется от востока в Европе до западного Атлантическом океане. Однако правильно объяснить причину этого явления Колумб не смог.

Европейцами было сделано и другое важное открытие. Гартман-пастор из Нюрнберга, сообщил так в 1544г, что по его наблюдениям северный конец намагниченной стрелки всегда стремится вниз наклониться.

В 1576г. независимо от Гартмана английский моряк и компасный мастер Норманн определил, что в Лондоне стрелка устанавливается под угломотносительной горизонтальной плоскости.

В 1600г. Уильям Гильберт (1540 – 1603) естествоиспытатель и придворный врач английской королевы Елизаветы I в книге «О магните, магнитных телах и большом магните Земле» опубликовал результаты своих основополагающих исследований. Он показал, что всякий естественный или искусственный магнит независимо от формы обладает обязательно двумя полюсами - северным и южным.

Для доказательства того, что стрелка компаса устанавливается в определенном положении под влиянием магнетизма только самой Земли, а не Полярной звезды, Гильберт выточил из магнитной железной руды шар, названым им «Терелла» - маленькая Земля и исследовал поведение магнитной стрелки вблизи такой модели.

Гильберт экспериментально доказал, что Земля – грандиозное намагниченное тело с 2 полюсами, а в окружающем ее пространстве при помощи стрелки обнаруживаются магнитные силы, как мы теперь говорим в пространстве вокруг магнита расположено магнитное поле.

Объяснение, данное Гильбертом, породило другой вопрос – почему Земля магнит?

Простейшей из всех теорий о происхождении земного магнетизма была та, в которой предполагалось, что в центре Земли имеется огромный постоянный магнит. Но это далеко от истины.

Давно уже известно, что среди широко распространенных металлов только железо и никель могут быть постоянными магнитами (Эти материалы называются ферромагнитными). Поскольку на основе полученных экспериментов и предпосылок установлено, что земное ядро как раз состоит из этих магнитных металлов, такое объяснение земного магнетизма казалось бы очевидным, однако это предположение не состоялось по одной простой причине: все ферромагнитные вещества теряют свои свойства при нагревании выше некоторой температуры – точки Кюри (770 С – для Fe и 358 С – Ni)

Т. о., ясно что Fe и Ni в ядре не могут создать постоянный магнит, так как температура в ядре (около 6000 С) намного выше точки Кюри любого металла.

Фактически только на глубинах не более 50 км от земной поверхности, возможно существование ферромагнитных веществ.

Согласно гипотезе, высказанной английским физиком, лауреатом нобелевской премии Блеккетом, любое тело вследствие своего вращения неизбежно намагничивается. Так он объясняет наличие магнетизма у Солнца, некоторых звезд и Земли.

В 50х годах некоторые ученые из США (Эльзассер), Англии (Буллард) и другие пришли к выводу, что если Земля слишком горяча и не может быть постоянным магнитом, то она является, очевидно, своего рода электромагнитом, т. е. геомагнитное поле возникает вследствие электрических токов в Земле.

Чтобы возник поток электричества, достаточный для создания геомагнитного поля, электропроводность земных недр должна быть такой же высокой как у металлов.

Ядро, состоящее из железа, является единственной частью Земли, которая возможно обладает такой высокой проводимостью.

Кроме того, должна сохранятся электродвижущая сила (напряжение) поддерживающее электрический ток и геомагнитное поле в течении длительного геологического времени

Таким образом, земное ядро должно действовать как генератор. Это представление о природе земного магнетизма называют «Теорией динамо».

Теория динамо в таком виде допускает, что в ядре Земли происходит исключительно схожие взаимодействия различных процессов, протекание которых дает возможность Земле работать как генератор, но при этом необходимо выполнение обязательных условий:

1.  Ядро Земли должно состоять из вещества, проводящего электрический ток так же хорошо, как и металлы; (выполняется)

2.  Вещество ядра должно быть в жидком состоянии; (выполняется)

3.  Проводящая жидкость должна как-то не перемешиваться.

Только при этом и возникает энергия, необходимая для поддерживания магнитного поля. Конвекция в мантии и внутреннем ядре.

Из этих условий следует, что Земное ядро состоит из жидкого металла, - вероятнее всего из Fe.

Итак наша планета – Земля (земной шар) обладает магнитным полем, наличие которого проявляется в действии на магнитную стрелку компаса.

В результате измерений магнитного поля Земли было установлено, что величина и направление его в разных точках земной поверхности не одинаковы и изменяются, в широких пределах в зависимости от координат места.

В первом приближении Магнитное поле земли по форме соответствует полю огромного магнитного стержня, ось которого наклонена от оси вращения Земли на 11.5º.

Этот воображаемый стержень называется эквивалентным магнитным диполем. Ось этого диполя называется – геомагнитной, а точки пересечения её с поверхностью Земли – геомагнитными полюсами (географические полюсы), геомагнитные полюсы не совпадают с магнитными.

Магнитные полюсы – это точки на земной поверхности, в которых ось магнитной стрелки становится перпендикулярной к горизонтальной плоскости. (подробнее будет сказать доспвия). Координаты геомагнитного полюса на 1962г. 78 º36’ С. Ш., 110 º 30’ З. Д.(Канада), 78 º 36’ Ю. Ш., 110 º 30’ В. Д(Антарктида).

Координаты магнитных полюсов Земли на 1975 год 75 º 53’ С. Ш., 100 º 23’ З. Д и 66 º 06’ Ю. Ш., 139 º 36’ В. Д.

Рассмотрим основные элементы геомагнитного поля земли.

Величина магнитного поля Земли определяется его напряженностью (Т). За единицу напряженности такого магнитного поля принимает Эрстед (э) (в СИ ампер/метр)

Напряженность магнитного поля у поверхности Земли составляет среднюю величину 0,5 º 0,6 э. Для измерения слабых полей (в магниторазведке) употребляется более маленькая единица – гамм (γ) 1э = 100000γ 1γ = 0,00001э. В международной системе единиц СИ за единицу напряженности магнитного поля принимают ампер/метр (А/м)

1 А/м = 4 10 э 1э= 74.56 А/м = 1/4 10 А/м

Полный вектор напряженности магнитного поля Земли (Т) в общем случае направлен к горизонту под некоторым углом наклонения (J) и расположенным в вертикальной плоскости, которая называется плоскостью магнитного меридиана данного места.

Положение вектора напряженности магнитного поля полностью определяется в пространстве двумя углами:

Наклонением (J) º угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора напряженности (Т) (или это угол, который образует северный конец стрелки компаса с горизонтальной плоскостью) и склонением D – угол между плоскостями географического и магнитного меридианов)

Наклонение (J) считается положительным, если северный конец стрелки направлен внутрь Земли. Точки, в которых T = 90 , называются магнитными полюсами. Линия на поверхности, соединяющая точки с J = 0, называется магнитными экватором. Абсолютная величина наклонения растет от магнитного экватора к полюсу.

Склонение на поверхности Земли изменяется в широких пределах от 0 до 80 (в областях между магнитными и географическими меридианами).

Значение величины D необходимо для целей морской и воздушной навигации. Первая карта склонений была составлена в 1700г. английским астрономом Эдмондом Галлеем.

Магнитное склонение меняется со временем. Поэтому карты склонений пересоставляются через каждые 5-10 лет.

В ходе геомагнитных изменений, помимо магнитного склонения (D) и наклонения (J) регистрируются величины горизонтальной (H) и вертикальной (Z) составляющих магнитные поля (T)

Элементы магнитного поля Земли связаны между собой формулами:

Т=

Z=

Ai - географический азимут

Am - магнитный азимут

Результаты магнитных съемок изображаются на картах изолиниями. При этом изолинии склонения называются изогонами; наклонения – изоклинами;

вертикальной или горизонтальной или полной напряженности – изодинамами Z, H или T.

Если пренебречь сравнительно не большими изменениями магнитного поля Земли вызванными неоднороднастями в ее строении, обычно редко превышающие (5-10) * 10 , то нормальное (осредненное) магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченного шара или диполя. В зависимости от магнитной широты местности Jм Элементы магнитного поля Земли вычисляются по следующим формулам:

T=

H=

M= 0.33 V – магнитный момент Земли, равный произведению интенсивности намагниченности (I) на объем Земли.

R радиус Земли;

r – расстояние от центра Земли, до рассматриваемой силовой линии в плоскости геомагнитного экватора.

Вертикальная составляющая напряженности магнитного поля (М. П.) вниз положительна для северного магнитного полюса и отрицательна – для южного. С удалением от полюсов значение ее по абсолютной величине убывает и в области магнитного экватора Z=0 .

Горизонтальная составляющая везде направлена по магнитному меридиану к северу. На магнитных полюсах она равно 0, а при приближении к магнитному экватору возрастает и достигает 0,3 – 0,4 э.

Общий вид земного магнитного поля представляет на рис.1 и в таблице 1.

Приближенные нормальные значения элементов магнитного поля Земли (в э.), в зависимости от магнитной широты - Jм

Магнитная широта m	H	Z	T	J
0 – магнитный экватор	0.33	0	0.33	0
30	0.29	0.33	0.44	49
45	0.23	0.46	0.54	63
60	0.16	0.57	0.59	74
90	0	0.66	0.66	90
-90	0	-0.66	0.66	-90

Связь гравитационного и магнитного потенциалов.

Изменение элементов магнитного поля на поверхности Земли на единицу расстояния, называется магнитным градиентом.

Для средних широт он составляет:

для вертикальной

на 1 км расстояния.

Систематические и точные измерения магнитного поля Земли показать, что оно: изменяется со временем. Эти изменения называются магнетическими вариациями (М. В)

М. В подразумевается на вековые, годовые, суточные и на внезапные магнитные возмущения, не связанные со временем суток и года. Наиболее сильные из последних называются магнитными бурями.

Максимальные годовые изменения М. П отмечено в районе Каспийского моря, где вертикальная напряженность ежегодно увеличивается на 100-110γ . Вообще на земном шаре насчитывается 5 главных факторов где изменения вертикальной составляющей М. П – Z достигает 1γ в год.

Индоиндийский(-130γ), Иранский(+110γ), Южноафриканский(+130γ),

Атлантический (-110γ)

Средний суточный ход вариации в средних широтах России для Z(10-20)γ , для H (20-50)γ, для D(10-15)γ.

Магнитные бури по интенсивности часто достигают γ . Их появления связано с солнечными пятнами и солнечных вспышек. Исследования показывают, что магнитные бури обнаруживают тенденции с периодом близким к 17 дневной повторяемости (период Т вращения солнца вокруг оси для земного наблюдателя)

Магнитные бури, как правило, сопровождаются, изменениями в ионосфере, появлением полярных сияний в области более высоких широт чем обычно. Значительное ухудшение радиосвязи на коротких волнах.

Возможно появление иных индуцированных электрических токов в линиях кабельной и проволочной связи, что может быть причиной возникающих пожаров и аварий в энергосетях. Полная энергия средней геомагнитной бури достигает величины – 10 эрг. 10 dж, а мощность – 10 эрт/сек, 10 dж/с.

Вследствие наличие неоднородностей в земном шаре и особенно, в его земной коре магнитное поле Земли местами сильно изменяется. На М. П влияют отдельные блоки и интрузии пород с повышением намагниченностью, а также и отдельные геологические тела железорудных месторождений.

Отклонения величин геомагнитного поля от значений, которые условно приняты за нормальные называются магнитными аномалиями – объекты исследований для геофизиков.

В зависимости от размеров, глубины залегания и степени намагниченности возмущающих масс аномалии могут достигать по интенсивности (0.02 – 0.05)э, а в районах залегания магнитных железных руд – до (0,1 – 0,5)э. и

По размеру площади аномалии могут быть от нескольких м до размеров, охватывающих целые материки земного шара.

Магнитные свойства горных пород.

Палеомагнетизм

Точные измерения и регистрация элементов земного магнетизма начались немногим более 300 лет назад. Поэтому узнать что-либо о магнитном поле Земли за миллионы лет назад долгое время было невозможным делом.

И только в 50-х годах прошлого (ХIХ) столетия ученые магнитологи установили, что многие горные породы во время их образования приобретают намагниченность по направлению имевшегося геомагнитного поля и эта намагниченность сохранилась, во многих случаях, до сих пор.

Из различных видов горных пород для исследования были выбраны вулканические породы (остывшая и затвердевшая магма) и базальты.

Исследования в лабораторных условиях показали, что относительно высокую намагниченностью обладают базальты. Встал вопрос почему они магнитны? Ведь когда вулканическая порода появляется на свет в виде раскаленной лавы, ее температура выше точки Кюри. Точка Кюри – предельная температура, выше которой ферромагнитные свойства данного вещества исчезают. И оно становится парамагнитным).

При таких условиях магнитное поле должно отсутствовать. Механизм намагниченности вулканических пород был установлен, как я уже говорил, в 40х – 50х годах. И вот так он трактуется.

Когда лава, остывая, проходит через точку Кюри ее магнитный момент устанавливается в направлении существующего в это время геомагнитного поля и остается в таком положении навсегда.

Эта область исследований называется Палеомагнетизмом (древний магнетизм). Палеомагнетизм способствует изучении геологической истории магнитного поля Земли и крупномасштабных геотектонических движений; помогает:

1) Определить, какие геологические процессы претерпевали горные породы в течении своего существования;

2) Создать основы палеомагнитной геохронологической шкалы.

«Магнитная память» горной породы помогает выставить картину магнитного поля на поверхности нашей планеты для эпох формирования пород.

Так палеомагнитные исследования показывают, что северный магнитный полюс Земли никогда не оставался на месте. За последние 600млн лет он прошел огромный путь: от западного берега северной Антарктики на ю-з, к экватору, далее вдоль экватора, на с-з через Японию, Камчатку к современному положению

При палеомагнитных изучениях пород различных районов земного шара выявилось интересная закономерность: кривая движения полюса, построенная по намагниченности пород одного материка, как правило, расходится с аналогичной кривой для другого материка. Общим в этих траекториях является лишь то, что все они сходятся в одной точке, соответствующей положению северного магнитного полюса. Напрашивается вывод о том, что материки как бы «Разъехались» относительно друг друга. Но об этом отдельный разговор – отдельная лекция.

Еще одним, более неожиданным, результатом палеомагнитных исследований является то, что за время своего существования магнитное поле Земли, по видимому, неоднократно менял свою полярность. По всему земному шару имеются породы определенного возраста, направление намагниченности в которых противоположно направлению намагниченности более молодых или более старых пород. Вероятно, что N и S полюсы менялись местами. Измерения последних 150 лет показывают, что мы живем как раз в эпоху обращения полярности.

Археомагнетизм.

Как уже было сказано, вещество обладает намагниченностью только в случае низких температур менее 700 С. Такую высокую температуру может иметь почва, кирпич и керамические изделия во время обжига в печах. При охлаждении этих предметов, а также при отложении песчанистых пород на дне водоемов ферромагнитные вещества находящиеся в этих предметах и породах ориентируются параллельно силовым линиям магнитного поля Земли.

Намагниченные таким образом предметы и вещество сохраняют приобретенное свойство навсегда. Намагниченность настолько устойчива, что не нарушается ни от воздействия магнитного поля другой ориентации, ни от нагрева до 300-400 С. Т. е. земное магнитное поле как бы «вмерзает» в них. И если кусок остывшей лавы, садочной породы, кирпич или керамическое изделие, не перемещались с момента своего остывания, то измерив его намагниченность, можно установить направление и интенсивность геомагнитного поля во время остывания исследуемых предметов.

Метод определения прошлого Г – М поля по археологическим находкам изделий человеческих рук (кирпич, глиняные сосуды, черепки), возраст которых установлен археологами называется археомагнитным.

С помощью А. М метода установлено, что геомагнитный полюс наклонение (J) испытывает колебания с периодом 1000 лет и амплитудой около 30 . Причем, экстремальные значения достигаются на поверхности Земли с некоторыми запаздыванием разности долгот. С востока на запад (Япония Jmax 1200г) Ср. Азия в 1350г. Англия в 1750г. Эти данные свидетельствуют о реальности западного дрейфа М. поля Земли.

Западный дрейф магнитного поля возникает, по – видимому, из – за того, что земное ядро вращается несколько медленней, чем мантия и кора (литосфера).

Магнитосфера

Как известно, магнитное поле Земли изображается как поле стержня помещенного в центр Земли. Это представление сохранялось вплоть до начала космических исследований. Хотя первые измерения геомагнитного поля выполненные с помощью ракет и ИСЗ подтвердили дипольный характер зависимости T от r – дальнейшие изучения показали, что такая зависимость справедлива лишь до расстояния, равного 6 – 7 радиусам земли (R Земли = 6371км)

На больших же расстояниях убывание Т происходит медленнее.

Однако при r большем или равным 10 R Земли на ночной поверхности была обнаружена граница, за которой напряженность поля резко убывает от (100-200) γ до (5-10) γ. Последние величины характерны для межпланетного магнитного поля. Это указывает на то, что геомагнитное поле простирается не до бесконечности, а заключено в определенной области.

Область пространства, где величина геомагнитного поля больше значения постоянного межпланетного геомагнитного поля называется магнитосферой Земли.

Магнитосфера Земли сильно ассиметрична: со стороны Солнца и М. П. сильно сжато до 10R Земли, а с противоположной – вытянуто и образует длинный (до 1млн. км) магнитосферный хвост Земли.

Причина такой формы М. П. в околоземном пространстве в том что Земля со своим М. П. находится в потоке солнечного ветра (СВ) (сильно ионизированный газ) – плазма.

М.П. Земли является препятствием для сверхзвукового потока солнечной плазмы.

При обтекании солнечным ветром магнитного поля Земли образуется ударная волна. Её существование было предсказано нашими учеными и , а затем обнаруженного c помощью КЛА.

При спокойном солнечном ветре фронт ударной волны неподвижен и имеет форму параболоида. Расстояние между фронтом ударной волны и границей магнитосферы со стороны точки составляет (2 – 4) R Земли.

Солнечная плазма, проходя через ударную волну, уплотняется и замедляет свое движение. Её кинетическая энергия переходит сначала в энергию возмущений, а затем в тепловую.

Уплотнившаяся «горячая» плазма обтекает Землю с дозвуковой скоростью (332м/сек или 1195км/ч). При этом она оказывает давление на МП Земли, которое из-за этого сжимается. Сжатие происходит до тех пор, пока давление солнечной плазмы не уравняется с собственным давлением М. П.

Граница, на которой выравниваются эти давления, есть граница магнитосферы.

Пространств между фронтом ударной волны и лобовой границей магнитосферы называется магнитопаузой.

Под давлением С. В. силовые линии М. П., выходящие их полярных шапок, сносятся с дневной на ночную сторону Земли и образуют там сильно вытянутый (в сторону от точки) хвост сигарообразной формы, состоящей из двух силовых трубок, соответствующих двум полярным шапкам и разделенных плоским нейтральным слоем, который начинается с расстояния равного 8-9 R Земли и в котором напряженность поля Т меньше либо равна 0 .