Физика земли (стр. 8 )

Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто

30% recurring commission
Выплаты в USDT
Вывод каждую неделю
Комиссия до 5 лет за каждого referral

Силовые линии параллельны солнечным лучам и не имеют противоположные направления по разные стороны от нейтрального слоя.

Диаметр «Хвоста» приблизительно равен 40R Земли. Длина его до сих пор не установлена. По данным КЛА США «Пионер–7» (VIII. 1966г.) длина хвоста приблизительно равна 900R Земли или 5,6 млн. км.

В нейтральном слое концентрируется плотная и горячая плазма с температурой меньшей либо равной 1*10 С, которая своим давлением в слое, препятствует аннигиляции силовых линий противоположного направления в секторах шлейфа.

Плазменный слой, заключающий более плотную и горячую плазму, охватывает область замкнутых силовых линий, приходящих из S – полюса в N–полюс.

При усилении солнечного ветра может происходить закорачивание противоположно направленных магнитных силовых линий в нейтральном слое. Это приводит к высвобождению энергии магнитного поля и обеспечивает один из механизмов ускорения заряженных частиц магнитосферой плазмы и их высыпание в авроральных зонах. С этим явлением связывают возникновение магнитных суббурь и полярных сияний.

Таким образом, околоземное пространство делится на три оболочки I, II, III (рассказать)

Внутри магнитосферы располагаются радиоактивные пояса, заполненные заряженными частицами высоких энергий. Эта область включает в себя ионосферу и считается областью захваченной радиацией (или магнитных ловушек) для заряженных частиц.

Магнитные свойства горных пород

Горные породы, слагающие З. К., имеют различные плотности и магнитные свойства. Внешнее магнитное поле, и в частности, магнитное поле Земли в различной степени намагничивают эти вещества. Все вещества по магнитным свойствам разделяют на диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Диамагнетизм – индуцирование дополнительно магнитного момента в атомных электроных оболочках под действием внешнего магнитного поля. Д присущ всем веществам, но наблюдается в тех случаях, когда атомы, ионы или молекулы не имеют результирующего магнитного момента Рм.

Z - порядковый номер атома в периодической системе Менделеева.

Рм – орбитальный магнитный момент электрона

p – момент количества движения электрона ( механический момент)

g – гиромагнитное отношение орбитальных моментов

m - масса электрона 9,11 *10 кг

e – абсолютная величина заряда электрона 1,60 – 10 Кл

с – скорость света в вакууме 2,997928 * 10 м/с

r – радиус-вектор электрона, V – его скорость.

Парамагнетизм – совокупность магнитных свойств некоторых веществ, атомы (ионы) которых обладают постоянным магнитным моментом Рм не зависящим от внешнего магнитного поля.

Р = 1*10 дж (Вб*м)

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние ферромагнитов (Fe, Co, Ni…), в которых магнитные моменты Рм атомов (ионов) параллельны и одинакого ориентированы. Причем магнитный момент веществ – ферромагнитов сохраняется даже при отсутствии внешнего магнитно поля.

Степень намагниченности горных пород определяется их магнитной восприимчивостью æ – т. е способностью тела намагничиваться. Для диамагнитных веществ Н отрицательная, для парамагнитных и ферромагнитных – положительная. Размерность Н – 10 ед. СИ.

Намагниченность м – магнитный момент единицы объема, связана с магнитной восприимчивостью и напряженностью намагниченного тока Т Земли связана линейно:

м= Н * Т+ (размерность 10 А/м)

Для перехода от единиц СГС к СИ существует сопоставление 1 СТС = 16 * 10 СИ.

Осадочные породы, в большинстве своем практически немагнитные. Магнитная восприимчивость большинства из них не превосходит (10-50) * 10 СГС (0,6 – 3,2) единиц СИ.

Практически не магнитны кристаллические известняки, мраморы, глинистые сланцы.

С повышением основностей горных пород (горная порода больше 65% кремнистых соединений, основная 50-55% кремни, средняя около 60% органических соединений). Повышается и их магнитность. Так базальты, дуниты, переодотиты – глубинные породы основного и ультраосновного состава, содержащая большое количество вкрапленных магнитоактивных минералов, как правило, имеют большую магнитную восприимчивость до 1,0 СГС (до 6,0 * 10 более единиц СИ). Железную руды – в них есть магнитный курс и магнитные аномалия имеют х =125 – 380000 *10 единиц СИ. Магнитит(FeO x Fe O) Гетатит Fe O

Определение намагниченности горных по род по картам аномального магнитного поля ΔТа, (Za).

Результаты магнитных наблюдений изображаются в виде графиков и карт в виде изоаномал. Что же представляет собой магнитные аномалия? Если бы Земля была однородной по физическим свойствам , то ее магнитное поле соответствовало бы полю Земли магнитного диполя расположенному в теле Земли. На самом же деле на магнитное поле нашей планеты оказывают значительное влияние отдельные крупные блоки пород с повышенной намагниченностью. При построении магнитных карт мелкого масштаба изолинии равных значению элементов земного магнетизма проводят возможно более плавно что приводит к сглаживанию влияния локальных магнитных неоднородностей. Получается осредненное суммарное поле для больших участков нашей планеты – нормальное поле. Отклонение из мерного магнитного поля от нормального – магнитная анамалия. В зависимости от величины площади, на которой наблюдается магнитная аномалия они подразделяется на региональные и локальные.

Намагниченность m может быть вычислено по аномальному магнитному полю, измеряемому или при наземной съемке – Za, или на высоте (50 – 200) метров и выше при аэромагнитной съемке – ΔTa.

В общем случае намагниченность м по наблюденному аномальному полю вычисляют по средствам аналитических формул напряженности поля над изолированными телами простейших форм.

В случае, когда горизонтальные размеры вертикально намагниченных тел превышают глубину до его верхней границы в 5 раз, а влияние нижней намагниченности нижней границы можно пренебречь.

Jm = S/2π*2b, где S – площадь, заключенная между кривой Za или ΔТа и осью ξ, проведенной через точки касания m, m.

Горные размеры тела 2b определяются по точкам перегиба(Х) кривой Za или ΔTa. Погрешность метода не превышает 30%.

Лекция №13

Атмосфера Земли. Её структура и параметры.

Атмосфера (от греч. Atmos – пар и сфера) – газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней.

Масса атмосферы кг.

Атмосфера является одним из самых динамических компонентов окружающей природной среды. Состояние атмосферы Земли определяется множеством физических характеристик и процессов, химическим составом и преобразованиями веществ, синоптическими и климатическими характеристиками, процессами взаимодействия с внешними факторами и антропогенным воздействием.

Атмосфера возникла вместе с гидросферой около 2 млрд. лет назад.

Схема рождения гидросферы и атмосферы создана геохимиками и Г. Юри. В соответствии со схемой «внешние оболочки Земли» являются продуктами дегазации вулканических лав, выплавляющихся из верхней мантии и формировавших первичную земную кору.

При плавлении первоначально однородная мантия разделилась на легкоплавкую и тугоплавкую фракции. Первая представлена в основном базальтами (глубинная порода) с растворёнными в них газами и водой.

Как более легкая она поднималась к поверхности и изливалась через жерла вулканов и трещины разломов, выбрасывая газы и пары воды.

Земля и сейчас поставляет из своих недр через вулканы и гейзеры кг вещества ежегодно. За 4,6 млрд. лет существования земли этого количества вещества достаточно для образования всей земной коры. Эти расчеты получены на основе экспериментов, которые показали, что в расплавленном базальте при t=100C и давлением 9000 атмосфер на глубине 17-35 км под поверхностью Земли находится 7-8 % воды и около 1%газов.

1 атм. (физическая) – нормальная =10325 Па=760 мм. рт. ст.=10332 мм. вод. ст.=1,0332 атм.

1 атм. техн.=1кгс/=735,56 мм. рт. ст.=98066,5 Па.

1 кг. с =9,80665 Н.

1 дина=1гсм/=Н=1,02кг. с

1 атм.= 1 Па=

Так, за всю историю нашей планеты, вулканы выбросили 2,86 кг вещества, которое должно было выделить не менее кг воды (сейчас в океанах и морях находится 1,37 кг воды) и 2,5 кг газов (сейчас масса атмосферы )

Мы живём на дне воздушного океана, который представляет собой механическую смесь химических элементов, обволакивает Землю плотным, почти сферическим слоем.

Её основание – нижний, прилегающий к Земле слой, проникает на большую глубину (где нет воды) в почвенно-растительный слой, заполняя все большие и малые полости в земле.

Таким образом, Атмосфера представляет собой одно целое с Землёй и вращается вместе с ней с той же угловой скоростью (ω).

1. Структура атмосферы

Атмосфера имеет чётко выраженную слоистую структуру. Её условно делят на 5 зон: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Зоны или сферы отделены друг от друга условными границами – паузами.

Тропосфера – (греч. tropos – поворот) – область Атмосферы, прилегающий к земной поверхности. Простирается до 8–10 км – в полярных широтах и до 16-18 км – в тропиках.

Зона тропосферы заканчивается тропопаузой, толщина которой 1-2 км. В тропосфере заключено >80% массы всей атмосферы: 50% в толще Н=5км, 75% – в слое толщиной в 16 км. Выше она постепенно сходит на нет.

Стратосфера(stratum – настил) – простирается до высоты 35-40 км и заканчивается стратопаузой.

Мезосфера – (греч. Mezos – средний) – следующая область атмосферы. Она простирается до Н=80 км и заканчивается мезопаузой, толщина которой около 20 км.

Термосфера – лежит над мезопаузой. Простирается до высоты около 800 км и заканчивается экзосферой.

В термосфере от границы мезопаузы и до Н=400 км некоторыми учёными выделяется слой, характеризующийся относительно высокой концентрацией положительных молекулярных и атомных ионов и свободных отрицательных электронов. То есть слой заряженных частиц воздуха. Этот слой называется ионосферой.

Область выше 800–1000 км называется экзосферой (внешняя сфера или сфера рассеяния). Верхняя граница земной атмосферы прослеживается до высоты 3000–4000 км.

2. Химический и молекулярный состав атмосферы

Главными составляющими чистого сухого воздуха (по объему) на уровне моря являются: азот – 78,08%, кислород – 20,95%, аргон – 0,93% и углекислый газ – 0,03%. По массе соответственно (в 1х1021) – 3,86; 1,18; 0,65; 0,023 (подробно см «Климат» стр.49 и табл. 1 и 2 стр. 31).

Состав воздуха одинаков во всех местах земного шара и не зависит от горизонтальных координат, времени и высоты над уровнем моря.

Казалось бы (как следует из законов физики), что в результате диффузии тяжелые газы должны опуститься вниз, а легкие – подняться вверх. Однако, измерения не подтверждают этого прогноза. Газы не разделяются до высоты 100-120 км. В чём тут дело? оказывается, в атмосфере наряду с диффузией, действует турбулентное перемешивание – процесс, в результате которого выравнивается состав газов на всех высотах.

Скорость диффузии VД обратно пропорциональна давлению (P). У Земли она очень мала и только на Н=100 км. Она становится сравнимой со скоростью турбулентного процесса.

По химическому составу часть атмосферы ниже, 105 км., называется гомосферой (гомо – одинаковый, однородный) – область полного перемешивания всех компонентов атмосферного воздуха.

В десятикилометровом слое, то есть практически в тропосфере, сконцентрирован весь водяной пар, который непрерывно поступает в приземный слой атмосферы за счет испарения влаги с поверхности Мирового океана и других влажных поверхностей.

В холодных полярных районах в приземном воздушном слое содержится около 0,2% влаги; в тёплых (экваториальных районах) около 3%.

Плотность водяного пара убывает с высотой: в 2 раза – на Н=2 км.; в 10 раз – Н=6км.; в 100раз – Н=8 км. Выше 10–15 км. содержание водяного пара ничтожно мало.

В стратосфере почти нет водяного пара. Нет там и облаков, способных давать осадки. Но, несмотря на сухость воздуха, в высоких широтах, на высотах 22 – 27 км., иногда возникают перламутровые облака, состоящие из кристаллов льда и капель переохлаждённой воды. Они очень тонкие и их можно наблюдать лишь в сумерки, когда Солнце светит из–под горизонта.

Другим важным компонентом атмосферы является ОЗОН (О3)

Озон (О3) сосредоточен в основном в виде тонкого слоя (толщина менее 1 см.) в стратосфере на Н=10-50 км. Этот слой поглощает коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Чем создаёт благоприятные условия для жизни на Земле биологических существ. Этот слой называется озоносферой.

Озон (О3) влияет на атмосферные процессы на тепловой режим стратосферы. Так как способен поглощать ультрафиолетовую. радиацию, идущую от солнца, то температура воздуха выше озоносферы, то есть в верхней стратосфере достигает даже положительных значений.

Количество О3 в атмосфере с высотой с начала увеличивается, достигая max на Н=20–30 км., где его толщина 0,23 – 0,52 см., а затем уменьшается, сходя на нет на Н=70км. Наибольшее количество О3 наблюдается весной-летом – в областях низкого давления.

Наименьшее осенью – зимой – в областях высокого давления.

Содержание О3 уменьшается при движении от полюсов к экватору.

Содержание СО2 колеблется от 0,02 до 0,04%. СО2 поступает (образуется) при сгорании углеродистых соединений на Земле (уголь, дерево, нефть, газ и т. п.). Он идёт на питание растений.

Лишний непоглощённый СО2 улетучивается и накапливается на определённой высоте (практически в тропосфере). Образуя газовую сферическую оболочку, которая пропускает всё коротковолновое излучение Солнца, но задерживает отразившееся от земной поверхности тепловое длинноволновое (2,4мк.<λ<1 см.), накапливая его около планеты и создавая так называемый парниковый эффект.

По гипотезе английского климатолога Лемба через 2,2 тысячи лет можно ожидать на Земле повышение температуры на 6°С. Подобный климат был почти 100млн. лет назад – в конце мезозойской эры. Эры относительного спокойствия Земной коры и наивысшего развития органического и растительного мира. На границе с KZ произошли резкие изменения в жизни органического мира.

Тропосфера сильно насыщена аэрозолями. (Аэрозоли – дисперсионные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде, обычно в воздухе).

К аэрозолям относятся дымы, туманы, пыль, смог, вулканический пепел и т. п. Источником аэрозолей могут быть продукты сгорания метеоритов – космическая пыль.

Аэрозоли наблюдаются слоями на высоте 3-4 км.. Слоем аэрозоля часто отмечается тропопауза. Между 15-25 км. отмечен слой аэрозоля, называемый слоем Юнги. До 35км. Атмосфера сравнительно чиста. Аэрозоли наблюдаются на Н=35км., Н=60 км. и ещё чаще на Н=82км.

Выше 100км. начинается область диффузионного разделения – гетеросфера (гетеро – разный, разнородный).

В этой области до 200-250км. преобладающим газом является азот, затем до 500 – 700км. атомарный кислород(О – одновалентный).

В годы минимума солнечной активности с высоты 500–600км. и в годы максимальной солнечной активности с высоты 1000–1500км. основными составляющими воздуха являются гелий и водород.

Самая внешняя область атмосферы экзосфера состоит из атомарного водорода и гелия. Это водородная геокорона. Она прослеживается до расстояний в несколько земных радиусов.

По результатам исследования химического состава высоких слоёв атмосферы с помощью ракет и ИСЗ установлено, что только H и He улетучивается в космос. В связи с этим возникает 2 вопроса:

1. Почему только H и He?

2. Откуда эти газы в гетеросфере?

Основным препятствием разлёту атмосферных газов в космическое пространство является «g». Сила тяжести создаёт и давление атмосферы у поверхности земли.

Притяжение всей атмосферы составляет 0,87мГал – на уровне моря, 0,23 мГал на Н=10км. и 0,0 на Н≈ 35км.

Вы знаете, чтобы преодолеть земное тяготение необходимо развить вторую космическую скорость

При g=9,81 м/с2 и радиус Земли R=6,371х106м имеем скорость V2=11,2 км/с/

Определим, какая же скорость молекул разных газов в Атмосфере: водорода и гелия.

Вероятнейшие скорости молекул вычислим по формуле

, км/с

где k =1,3805 х 10-23 постоянная Больцмана, или Дж/К;

абсолютная температура, в градусах Кельвина;

– масса молекулы газа, кг;

– газовая постоянная вещества (х);

1 Дж = ,

где атомный вес вещества (х)

1 А. Е.М=1,66035х 10-27 – атомная единица массы.

При T=300°K (27°C) и кг и имеем для водорода и гелия 2,225 км/c и 1,116 км/c.

Как видим, эти скорости намного ниже . Но газы всё же покидают пределы Земли. Почему?

Как видим из рисунка – скорости молекул могут возрастать только при очень высоких температурах. Какова же температура в атмосфере?

3.Температура атмосферы

В тропосфере температура воздуха изменяется от +10 - +15 °С – в приземном слое до -50°С на высоте 11-12км. Градиент температуры с высотой составляет 6,5 °С на каждые 1000м. (рис)

В тропопаузе вертикальный градиент температуры резко уменьшается. По характеру распределения температуры высота тропопаузы непостоянна. Она понижается от 17км. – на тропиках до 9км. на полюсах. Особенно резкое понижение верхней границы тропопаузы наблюдается в субтропических широтах(30°-40°). Здесь часто наблюдается разрыв тропопаузы. Со стороны экватора располагается высокая, а со стороны полюсов – низкая и относительно тёплая тропопауза («Планета Земля» рис.32).

Рисунок1.jpg

Тропосфера – является областью наибольшей интенсивности тепловых процессов и движения воздуха. Это область земной погоды.

Проникающая радиация солнца нагревает земную поверхность, а та уже, в свою очередь, нагревает воздух в атмосфере. Следует чётко уяснить, что основным источником тепла для атмосферы является земная поверхность.

Существует 3 механизма этого нагрева:

1. Воздух нагревается от присутствующего в нем водяного пара, поглощающего земную радиацию;

2. Турбулентный обмен тепла между тёплой поверхностью Земли и холодным воздухом верхней тропосферы;

3. Засчёт скрытого тепла при фазовых превращениях воды (конденсация и замерзание).

Скрытое тепло конденсации выделяется при превращении одного грамма водяного пара в жидкость. Оно изменяется в пределах от 597 кал – при 0°С до 539 кал при 100°С. При замерзании 1 грамма воды выделяется ещё 80 кал скрытого тепла.

До высоты Н=25км. (нижняя часть стратосферы) температура воздуха практически не меняется и ровна –50°С. Это происходит от того, что в нижней части стратосферы инфракрасные излучения, идущая снизу, от Земли, поглощается слабо. Её лучистая теплопроводность велика и поэтому мал перепад температуры. Уменьшение инфракрасного излучения с высотой объясняется уменьшением количества водяного пара с высотой, который вымерзает при падении температуры (она ниже –50°С). Стратосфера характеризуется сухостью воздуха.

Выше 25км. температура быстро растёт, достигая на Н=55км. 0-10°С. Достигнув максимума на границе стратопаузы температура начинает падать и на Н=85км. (на границе мезопаузы) температура достигает минимума –90°С. Из-за падения температуры с высотой в мезосфере возможны конвективные и турбулентные движения. На что указывает наличие серебристых облаков, которые иногда наблюдаются под мезопаузой. Они формируются на Н=80км. и в летние ночи часто наблюдаются как очень яркие, тонкие серебристые облака. Впервые их наблюдал в 1885 году Церасский. Они как и перламутровые очень тонки. Через них хорошо видны звёзды и видимы они после захода Солнца.

С Н=85–90км. температура опять начинает расти, т. к. на Н=150-300км. происходит поглощение ультрафиолетового излучения Солнца, обусловленного ионизацией атмосферного О2.

Над мезопаузой температура растёт непрерывно до Н≈400км., где она достигает днём, в период максимальной солнечной активности 1000–2000°С. Выше 400км. атмосфера изотермична и температура почти не меняется с высотой. Вот мы и подошли к ответу на вопрос, почему происходит утечка газа в космическое пространство. Происходит это потому, что в высоких слоях атмосферы температура достигает °С. При таких температурах скорости молекул водорода и гелия резко возрастают, и молекулы навсегда покидают пределы Земли. (С учетом обозначений при T=2000º, )

К вопросу дисикации (ускользания) газа за пределы атмосферы.

До высоты 106км. газы перемешаны – атмосфера однородная (гомосфера).

Выше происходит разделение газов по весу: более тяжёлые остаются внизу под действием силы тяжести лёгкие поднимаются выше (H, He).

У Аргона M=39,448 кг/кмоль.

В связи с этим на больших высотах преобладают водород и гелий. На Н<100км. преобладают О2, СО2,H2O (пар).

Для того, чтобы частица могла покинуть атмосферу её кинетическая энергия должна быть больше либо равна потенциальной энергии поля земного тяготения, то есть

f=6,673 · 10-11 м3/кг · с

Отсюда следует, что скорость частицы, покидающей атмосферу должна быть больше, чем вторая космическая (параболическая) скорость

км/с

Используя формулу (2) можно определить число ускользающих частиц (L) на уровне диссипации с 1 м2 в секунду

L=ω·dN, где

– вертикальная составляющая скорости частицы

Таблица 13.1

Состав сухого воздуха (без учёта водяного пара) внутри поверхности Земли.

Газ

Доля по объему в %

Относительная молекулярная масса (по углеродной шкале)

Плотность по отношению к плотности сухого воздуха.

Азот()

Кислород()

Аргон(Ar)

Диоксид

углерода(CO2)

78,084

20,946

0,934

0,033

28,0134

31,9988

39,948

44,00995

0,467

1,105

1,379

1,259

Неон(Ne)

Гелий(He)

Криптон(Kr)

Водород()

Ксенон(Xe)

Озон()

Сухой воздух

1,818

5,239

1,14

8,7

20,183

4,0026

83,800

2,015594

131,300

47,9982

28,9645

0,095

0,138

2,868

0,070

4,524

1,624

1,000

В верхней атмосфере содержание основных газов в атмосфере несколько отличается от их содержания в низшей и средней атмосфере.

Таблица 13.2

Содержание (%) основных газов в воздухе на больших высотах по данным измерений на ракетах.

Н, км.

75-80

19,0

21,0

21,4

0,91

0,93

0,88

82-85

21,3

21,0

21,5

0,82

0,88

0,76

Лекция №14

Водяной пар в атмосфере.

В настоящее время, наряду с фотографическими методами наблюдений ИСЗ, широкое распространение получили лазерные и радиотехнические методы, позволяющие получать дальность и радиальную скорость спутника.

Результаты, полученные с помощью лазера боле точные, чем радиометрические. Однако, важным преимуществом последних является их всепогодность. К тому же точность радиометрических систем непрерывно повышается.

Наиболее значительную ошибку в измеряемые величины вносит атмосфера Земли. Причем её влияние больше сказывается на результатах измерений радиотехническими средствами.

При неблагоприятных условиях поправка за влияние атмосферы в расстояние, измеряемое лазером, может достигать нескольких десятков метров, а радаром – нескольких километров.

Поэтому снижение влияния атмосферы является единой из основных проблем при обработке спутниковых наблюдений.

Одной из важных составляющих частей атмосферы является водяной пар. От его количества зависят физические характеристики воздуха, влияющие на скорость распространения света и радиоволн в атмосфере.

Количество водяного пара в воздухе характеризуют следующие величины:

1. Упругость пара (ℓ) – парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе. Измеряется в м. барах.

1Па== ;