Физика Земли и атмосферы
Контрольная работа
Вариант №1
Задание №1. Во время знаменитого градусного измерения дуги земного меридиана, произведенного нашими Пулковскими астрономами под руководством , было установлено, что расстояние между Фугленессом (φ=70050/) и Старо-Некрасовской (φ=45020/) равно 2822 км. Определите отсюда земной радиус, принимая Землю за шар.
Задание №11. Для определения радиуса Земли надо измерить длину дуги меридиана S между точками, широты которых ц1 и ц2. Широты легко найти путем астрономических наблюдений. Докажите очевидность соотношения: 
Задание №21. Используя таблицу основных составляющих энергетического баланса Земли, рассчитайте, какое количество энергии поступает на Землю. Подумайте, почему не происходит перегрева Земли и почему средняя температура Земли близка к 150С.
|
, (эрг/год)
Задание №31. Рассмотрите внимательно рисунок слева и опишите виды сейсмических волн. Для идентификации траекторий сейсмических лучей используйте следующие обозначения:
|
|
-- продольная волна,
-- поперечная волна,
-- волна, отраженная от внешнего ядра,
- волна, прошедшая через внешнее ядро,
-- отраженная от внутреннего ядра,
-- продольная волна, прошедшая через внутреннее ядро,
-- поперечная волна, прошедшая через внутреннее ядро.Например, обозначение волны PКiKP говорит о том, что данная продольная волна прошла через внешнее, жидкое ядро, отразилась от внутреннего ядра, затем снова прошла через жидкое ядро и вышла как продольная волна. При пересечении поверхности раздела или отражении от нее тип волны может поменяться: из продольной она может стать поперечной и наоборот. Возможны варианты: SS, SP, PcS и т. д.
Задание №41. Как и какими известными в физике методами можно измерить магнитное поле Земли? Каковы характеристики этого поля? При ответе используйте рисунок.
Задание №51. Если предположить, что масса земной атмосферы уменьшилась, то каково будет влияние этого на среднюю температуру, на суточный ход ее в каком-либо месте и на ход ее на всей поверхности Земли?
Вариант №2
Задание № 2. Если Землю представить глобусом с диаметром в 3 м, как выразится тогда сжатие Земли?
Задание № 12. В результате Лапландской и Перуанской градусных экспедиций в 1786 г. и измерений Пикара во Франции в 1677 г. получено для длины одного градуса:
В Перу (ц= - 20) 110 578 м
Во Франции (ц= +490) 111 213 м
В Лапландии (ц= +660) 111 950 м
Вычислить радиус кривизны Земли для широты Перу, Франции и Лапландии.
Задание № 22. Опишите сущность радиоизотопного метода определения абсолютного возраста горных пород?
Задание № 32. Существование гравитационных волн следует из общей теории относительности (теории тяготения) А. Эйнштейна, сформулированной им в 1916 г. Уравнения для гравитационного поля математически очень сложны и решены лишь для слабого поля. Решение соответствует поперечным волнам, распространяющимся со скоростью света в вакууме. Однако гравитационные волны до сих пор надёжно не обнаружены из-за их чрезвычайно малой интенсивности и крайне слабого взаимодействия с веществом. Хотя подавляющее большинство физиков убеждено в их существовании. Опишите аналогию между гравитационным полем и электрическим поле, например: между законами взаимодействия электрических зарядов и взаимодействием гравитационных масс, уравнениями электродинамики Максвелла и уравнениями Эйнштейна для слабого гравитационного поля, законами излучения электромагнитных волн и гравитационных волн, источниками электромагнитных гравитационных волн и т. д.
Задание № 42. Какие доказательства существуют того, что:
Земля обладает сильным магнитным полем, генерируемым во внешнем ядре конвективными движениями проводящей жидкости Магнитное поле Земли дипольное, оно защищает планету от жесткого космического излучения.Задание № 52. Опишите современные модели атмосферы, используемые при обработке спутниковых измерений.
Вариант №3
Задание № 3. Опишите методы определения конфигурации Земли.
Задание № 13. Накопляются ли ошибки при триангуляции вместе с длиной измеренного расстояния? Возрастают ли абсолютные ошибки в астрономическом определении угловой длины дуги вместе с ее длиной?
Задание № 23. Оценить предельные высоты гор на Земле. Для этого используйте законы гравитации.
Задание № 33. В физике различают гравитационную массу и инертную массу. О какой массе говорится в задании № 20.
Задание № 43. Охарактеризуйте изодинамику территории Астраханской области.
Задание № 53. Оценить массу атмосферы Земли. Есть ли атмосфера на Луне?
Вариант №4
Задание № 4. Массу Земли можно измерить несколькими способами:
- гравиметрическим (М = gR2/G); с помощью крутильных весов (метод Кавендиша); по движению Луны (метод Ньютона); помощью 3-го уточнённого закона Кеплера.
Дайте сравнительный анализ этим методам. Какой из этих методов наиболее точный?
Задание № 14. Насколько точно должен быть измерен базис длиной в 10 км, чтобы неточность его измерения не могла в определение окружности Земли внести более чем в 100 м?
Задание № 24. Оценить объём и массу воды на земном шаре.
Задание № 34.
| Изучите по рисунку внутреннее строение Земли. Дайте определения и характеристики всем указанным на рисунке понятиям. Обратите внимание на упругие свойства и плотность горных пород в земной коре, мантии и ядре Земли, на состав и агрегатное состояние вещества мантии и ядра Земли, литосферу и астеносферу, а также химический состав Земли. |
Задание № 44. Земной магнетизм обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних (переменных) источников, расположенных в магнитосфере Земли и ионосфере. Что это за источники геомагнитного поля и почему различают основное (главное, ~99%) и переменное (~1%) геомагнитные поля?
Задание № 54. Какие слои атмосферы (на какой высоте) еще способны заметно рассеивать солнечный свет, если явление астрономических сумерек, производимое ими, заканчивается, когда высота солнца под горизонтом достигает 180? Вывести для этого формулу, воспользовавшись рисунком,
где АОВ – земная поверхность с центром в С, О – наблюдатель, НК – его горизонт, а h – высота искомого слоя атмосферы МLN, Угол α - отрицательная высота в конце сумерек. |
Вариант №5
Задание № 5. К числу одного из доказательств суточного вращения Земли вокруг оси относится отклонение падающих тел к востоку (опыт Фуко). Величина отклонения падающих тел к востоку х составляет в миллиметрах 
, где 
- широта места наблюдения, h – высота падения в метрах. При этом плоскость качания маятника Фуко поворачивается за час на угол 
. Дайте пояснения этим формулам и вычислите:
а) величину отклонения к востоку тела, падающего с башни высотой в 100 м, построенной на экваторе и в Астрахани;
б) величину отклонения маятника Фуко за один час на широтах 300 . 600, 450, 750, 890, 900. Постройте график зависимости поворота качения маятника от широты местности.
Задание № 15. Ньютоново доказательство сжатия Земли предполагает заранее, что Земля вращается. Какие доказательства не зависят от этого предположения?
Задание № 25. Земля имеет форму геоида - эквипотенциальной поверхности, сила тяжести к которой повсеместно направлена перпендикулярно, обладает неоднородностью физических свойств и дифференцированностью состава сферических оболочек.
Земная поверхность Геоид Эллипсоид
Опишите, как вы себе представляете Землю как геоид?
Задание № 35. Земля несет на себе отрицательный электрический заряд. Откуда и как берется этот на Земле этот заряд? Какие сопутствующие явления имеют место при образовании электрического заряда Земли?
Задание № 45. Каковы основные гипотезы происхождения магнитного поля Земли?
Задание № 55. Назовите силы, действующие в атмосфере. Каково их влияние на формирование циркуляции воздуха?
Вариант №6
Задание №6. Шарообразность Земли проявляется в увеличении расстояния s до линии горизонта с повышением наблюдателя над поверхностью Земли (на h метров) по формулам 
(без учета рефракции) и 
(c учетом рефракции), где s выражено в километрах.
Можно ли в ясную погоду увидеть Эльбрус (высота 5630 км) берега Крыма, отстоящие от него на 600 км?
Задание № 16. Клеро вывел следующую формулу для сжатия Земли
, где
g0 и g90 относятся к полюсу и к экватору, а j0 – центробежное ускорение на экваторе. Дайте сравнительную оценку сжатиям, вычисленным по формулам Клеро и Ньютона ( см. задание 9)
Задание № 26. Дайте определения следующим понятиям: сила тяжести, сила тяготения, ускорение силы тяжести, гравитационный потенциал. Укажите на отличительные особенности силы тяжести и силы тяготения.
Задание № 36. Человек и животные являются проводниками. Когда они ходят по Земле, то непрерывно деформируют эквипотенциальные поверхности. Электрический потенциал по всему телу равен потенциалу Земли. В первом приближении эквипотенциальные поверхности Земли представляют собой сферы. Когда человек ходит, то головой их он как бы приподнимает. И эта деформация всегда тянется за любым проводящим телом. Если бы он бегал со скоростью, близкой к скорости света, то поле не успевало бы мгновенно перестроиться и через тело человека, возможно, пошел бы достаточно большой ток. Оцените, какой величины ток протекал бы через человека:
а) при движении с обычной скорость,
б) при движении, близкой к скорости света.
Задание № 46. В каждой точке пространства геомагнитное поле Земли характеризуется вектором напряжённости Т, величина и направление которого определяются тремя составляющими X, Y, Z (северной, восточной и вертикальной) в прямоугольной (декартовой) системе координат или тремя элементами земного магнетизма: горизонтальной составляющей напряжённости Н, склонением магнитным D (угол между Н и плоскостью географического меридиана) и наклонением магнитным I (угол между Т и плоскостью горизонта). Сделайте рисунок и покажите на нем все составляющие магнитного поля Земли.
Задание № 56. Каковы условия формирования миражей в атмосфере?
Вариант №7
Задание №7. В результате шарообразности Земли наблюдается понижение видимого горизонта, которое ниже астрономического на величину y, называемую понижением горизонта. Понижение горизонта вычисляется по приближенным формулам: 
(без учета рефракции) и 
(с учетом рефракции). Здесь высота измеряется в метрах, а понижение горизонта – в угловых минутах. Оцените чему равно понижение горизонта, если наблюдатель смотрит с гребня о. Тюлений в Каспийском море высотой 1000 метров.
Задание № 17. Докажите, что ускорение силы тяжести с учетом центробежного ускорения, на широте ц выражается соотношением
g= g90 – w2Rcos2ц
Задание № 27. В чем главное преимущество физического метода определения строения Земли по методу Гутенберга – Булсена. Как с помощью этого метода выяснили внутреннее строение Земли.
Задание №37. Во сколько раз Астрахань получает больше тепла в результате нагревания горизонтальной почвы в полдень в дни солнцестояний по сравнению с Саратовым?
Задание № 47 Магнитное поле Земли воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Приведите примеры такого воздействия.
Задание № 57. Опишите динамические процессы, происходящие в атмосфере.
Вариант №8
Задание № 8. Понижение горизонта y и радиус земного шара R связаны соотношением: 
. Докажите справедливость этого соотношения
Задание № 18. С какой линейной скоростью (в метрах в секунду) движется Астрахань, широта которой 460 21/.
Задание №28. Для решения многих задач гравиметрии удобно пользоваться скалярными величинами: V - потенциал силы тяжести (потенциал обусловленный земным тяготением) и U - потенциал центробежной силы (последнее вызвано вращением Земли вокруг своей оси). Потенциал силы тяжести определяется из выражения
,
где G –гравитационная постоянная, М – масса Земли, r – радиус земного шара (более точная формула
).
Потенциал центробежной силы находится из соотношения
.
Полный потенциал силы тяжести W представляет сумму скалярных величин V и U, т. е.
W = const определяет эквипотенциальную поверхность, или поверхность равного потенциала, в каждой точке которой величина силы тяжести направлена по нормали: 
.
Эта эквипотенциальная поверхность в условиях вращающейся Земли совпадает с уровнем океана (моря) и по форме близка к сфероиду вращения. Она носит название геоида. Отклонение поверхности геоида от поверхности сфероида будет характеризовать ундуляцию геоида. Покажите, что вторые производные потенциала тяготения по осям координат для точек, расположенных вне масс, равны нулю.
Задание № 38. Если Землю представить глобусом с диаметром в 5 м, как выразится тогда сжатие Земли?
Задание № 48. Одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы служат геомагнитные вариации. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под её воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы "радиопогоды"). Геомагнитные данные служат также для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полётах. Объясните, почему происходят такие магнитные возмущения Земли?
Задание № 58. Как и где образуется озоновый слой? Каковы основные условия его существования? ™
Вариант №9
Задание № 9. Для определения радиуса Земли надо измерить длину дуги меридиана S между точками, широты которых ц1 и ц2. Очевидно, что 
. Длину дуги S измеряют путем особого приема – триангуляции. Он состоит в том, что непосредственно измеряют короткую линию – базис и далее измеряют лишь углы треугольников, сетью которых покрывают все протяжение дуги S. Стороны треугольников и длину дуги S находят после этого вычислением. Из этих измерений выяснилась сплющенность Земли у полюсов. Она характеризуется величиной «сжатия», равной (Rэ – Rп) /Rэ, где Rэ - экваториальный и Rп - полярный радиусы Земли. У земли сжатие равно 1/298. Это сжатие есть следствие вращения Земли и возникающей при этом центробежной силы, выражаемой формулой J=mw2r, где w – угловая скорость вращения небесного тела, r – расстояние точки от оси вращения, а m – масса точки.
а) Как велико центробежные ускорения тела, помещенного на земном экваторе на уровне моря? Радиус Земли 6378400 м, время ее вращения 86164 средних солнечных секунд.
б) Каково было бы сжатие Земли, если не учитывать центробежные эффекты.
Задание № 19. Если суточное вращение Земли с течением веков постепенно замедляется, как это было установлено учеными в прошлом веке, то как будут по часам протекать астрономические явления – быстрее или медленнее, чем прежде?
Задание №29. Для исследования внутреннего строения Земли используют различные методы. Перечислите эти методы и дайте им сравнительную характеристику.
Задание №39. Массу Земли можно измерить несколькими способами:
- с помощью крутильных весов (метод Кавендиша); по движению Луны (метод Ньютона);
Дайте сравнительный анализ этим методам.
Задание №49. Температура данной точки земной поверхности зависит главным образом от солнечной радиации, достигающей этой точки, и угла, под которым солнечные лучи падают на Землю. Дайте сравнительную оценку температуре в разных точках Земли, например на широте Астрахани и на широте экватора.
Задание № 59. Почему мы говорим об озоновом слое как о щите Земли? От чего и как он нас защищает?
Вариант №0
Задание № 10. Если Землю представить глобусом с диаметром в 3 м, как выразится тогда сжатие Земли?
Задание № 20. На какой широте отклонение к востоку тела, падающего с данной высоты, будет наибольшим?
Задание № 30. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Сформулируйте основные законы, описывающие указанные процессы.
Задание №40. Во сколько раз прилив во время сизигий теоретически должен быть больше прилива во время четвертой Луны? Сизигиями называют новолуниями и полнолуния.
Задание № 50. Какими процессами обусловлено появление полей грозовых разрядов?
Задание №60. Как определить разность высот между двумя точками по измеренному на этих высотах давлению?
