Механические взаимодействия в географической оболочке

Механические взаимодействия в планетарных физико-географических процессах, имеющих материальную основу, подчинены закону всемирного тяготения, согласно которому, две любые материальные частицы с массами М₁ и М₂ притягиваются по отношению друг к другу с силой Р, пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними:

где G — коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная), равный 6,6725×10^-11 Н×м²/кг². Согласно этому закону, сила тяготения зависит только от положения частиц в данный момент времени, т.е. гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно. Отсюда — выражение для силы тяжести:

Р= mg,

где g — ускорение свободно падающей точки, равное 9,7805 х т— масса материальной точки; φ — географическая широта; h — высота точки над уровнем моря.

В мире макротел, которыми являются небесные тела, закон всемирного тяготения играет основополагающую роль, определяя их взаимодействие и эволюцию. На Земле проявлениями этого закона являются:

- гравитационное поле Земли (поле силы тяжести);

- гравитационная дифференциация земного вещества, приводящая к образованию геосфер, изостатическому уравновешиванию литосферы, тепловой конвекции в ядре и мантии, океане и атмосфере;

- движения земных масс и их перемещения внутри планеты и на ее поверхности;

- образование приливов.

Гравитационное поле Землипредставляет собой поле силы тяжести — равнодействующей силы тяготения и центробежной силы вращения Земли (рис. 4.2). Так как сила тяготения зависит от радиуса Земли, который наименьший на полюсах, то она наибольшая на полюсах. Центробежная сила, зависящая (при одинаковой скорости вращения) от радиуса орбиты, наибольшая на экваторе. Результирующая этих сил возрастает от экватора к полюсам соответственно от 978 до 983 галов. Сила тяжести убывает от земной поверхности вверх и несколько возрастает в глубь Земли в пределах литосферы.

Гравитационное поле — потенциальное. Точки с одинаковым потенциалом силы тяжести образуют изопотенциальные (или эквипотенциальные) поверхности. На каждой такой поверхности невозможно самопроизвольное перемещение массы, так как горизонтальная составляющая силы тяжести равна нулю. Наиболее важной изопотенциальной поверхностью Земли является поверхность геоида. Сечения изопотенциальными поверхностями рельефа образует горизонтали (изогипсы суши или изобаты морского дна).

Рис. 4.2. Сила тяжести (Р_о) — равнодействующая сил тяготения (P_N) и центробежной (Р_δ)

Движения тел, имеющих массу, происходят в поле силы тяжести в соответствии с направлением градиента этого поля, т.е. по нормали к изопотенциальным поверхностям. При наличии препятствий (например, рельеф) движение происходит таким образом, чтобы потенциальная энергия уменьшалась. Например, по закону сообщающихся сосудов уровень воды в соединенных резервуарах соответствует одной потенциальной поверхности.

Значения поля силы тяжести Земли отображаются изогонами (линиями равных значений силы тяжести). На карте изогал экватору соответствует ложбина, а полюсам — выпуклости. Наряду с этой общей тенденцией наблюдаются региональные и локальные особенности, связанные с неоднородностью Земли. Они называются гравитационными аномалиями и специально изучаются геофизикой.

Гравитационная дифференциация.По существующим представлениям, сила тяготения была одной из главных при образовании Земли из протопланетного облака. В соответствии с разными гипотезами, Земля возникла как гетерогенное тело (ядро Земли образовалось на более ранней стадии, мантия — на более поздней) или как гомогенная масса. В последнем случае считается, что главным в истории планеты с геофизической точки зрения является процесс гравитационной дифференциации вещества — расслоение в соответствии с плотностью вещества в поле силы тяжести. В результате такого расслоения возникли геосферы, каждая из которых сложена веществом одного агрегатного состояния и сходной плотности. Подсчеты показывают, что количества тепла, которое выделилось в процессе гравитационного расслоения Земли на ядро и мантию, хватило бы для того, чтобы расплавить изначально твердое вещество нашей планеты.

С гравитационной дифференциацией связано множество процессов, в том числе вертикальные тектонические движения блоков литосферы. В атмосфере гравитационная дифференциация приводит к неустойчивости воздушного столба вследствие различных температур и влажности. В тропосфере воздух нагревается от земной поверхности и испытывает импульс движения, направленный вверх («всплывает»). Гравитационная неустойчивость атмосферы обычна, поэтому в метеорологии уменьшение температуры от земной поверхности вверх считают нормой, тогда как увеличение температуры называется инверсией. В гидросфере гравитационная дифференциация зависит как от температуры, так и от солености водных масс, что также приводит к их перемещению и размещению в соответствии с плотностью (процесс подъема вод называется апвеллинг, опускания — даунвеллинг).

Изостазия.Процессы плотностной дифференциации проявляют себя также в виде изостатического уравновешивания литосферы. Это хорошо иллюстрируют модели изостатического уравновешивания тел, плавающих на водной поверхности (рис. 4.3). На рис. 4.3, б показаны кубики различной плотности при их одинаковом размере, вследствие чего они погружаются в воду пропорционально отношению собственной плотности воды. На рис. 4.3, а показаны кубики одинаковой плотности, но различных размеров, поэтому каждый кубик погружен в воду на величину, равную отношению масс (как в предыдущем случае), умноженному на сечение кубика. Стрелками показаны пары сил тяжести и Архимедовой. Каждый кубик находится в состоянии изостатического равновесия в соответствии с плотностью вещества и толщиной (мощностью) тела.

Обычно понятие изостатического равновесия употребляется по отношению к литосфере, но эффект проявляется в любых средах. Так, из принципиальной схемы (рис. 4.4) изостатического уравновешивания блоков литосферы видно, что материковая кора всплывает вместе с частью верхней мантии, поскольку сложена веществом менее плотным, чем океаническая, и имеет большую мощность. Океаническая кора погружается относительно материковой по тем же причинам, ибо плотность ее выше, а мощность меньше. Благодаря изостазии поддерживается закономерное соотношение высот суши и глубин океана, которое отображает гипсографическая кривая.

Рис. 4.3. Модели изостазии (по Ф. Стейси): а — уравновешивание на субстрате блоков по мощности литосферы; б — уравновешивание на субстрате блоков по плотности вещества (цифры даны в единицах условной плотности)

Рис. 4.4. Изостатическое равновесие литосферы

Изостатическое уравновешивание литосферы является важным системообразующим свойством географической оболочки. Оно определяет конфигурацию континентов и океанов, распределение высот и глубин, а через них — поступление и перераспределение тепла, циркуляцию водных и воздушных масс и другие закономерности пространственной дифференциации географической оболочки.

Движения земных масс.Взаимодействия гравитационных и иных сил внутри планеты и влияние космического окружения приводят к движению земных масс, старающихся занять наиболее устойчивое положение в пространстве. Непосредственным выражением этих смещений являются вулканические процессы — выбросы в географическую оболочку глубинных масс вещества, сейсмические явления — резкие смещения внутриземных масс, сопровождаемые обычно подземными толчками и разрывами сплошности земной коры, тектонические движения — перемещения земных масс внутри планеты или проявляющихся на земной поверхности (неотектонические). Все они активно влияют на функционирование географической оболочки. Основная причина их проявления заключается в необходимости уравновешивания результатов взаимодействий внутри Земли и на ее поверхности. Движения земных масс являются важной характеристикой планеты, так как свидетельствуют об активности ее недр и способности к развитию и совершенствованию.

Приливы.Океанские приливы зависят главным образом от взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Ведущую роль при этом играет близкорасположенная Луна, притяжение которой в 2,17 раза превосходит солнечное. Весь приливоотливной цикл по продолжительности соответствует лунным суткам (24 ч 51 мин), которые не совпадают с солнечными, за счет чего образуются приливные неравенства. Однако в действительности наблюдаются суточные, полусуточные и смешанные приливы.

Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите со средним радиусом 384 тыс. км. Система Земля—Луна имеет общий центр масс, расположенный в теле Земли на расстоянии 2/3 от ее центра, так как массы взаимодействующих сил сильно различаются (земная в 81 раз больше, чем лунная). Оба небесных тела перемещаются таким образом, что любая точка одного из них описывает одинаковую орбиту. В каждой такой точке возникает одинаковая центробежная сила, не зависящая от широты места.

Кроме центробежной на каждую точку Земли действует направленная к Луне сила тяготения, которая зависит от расстояния до возмущающей массы (рис. 4.5). Если расстояние от центра массы Луны до центра массы Земли составляет 60 земных радиусов (R), то до ближайшей к Луне точке Z (зенит) оно равно только 59R, а до самой дальней точки N (надир) — 61R. По закону всемирного тяготения, величина силы тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс. Следовательно, в точке Z сила тяготения больше, чем в точке О₃, а в точке N — меньше, чем в любой из точек тела Земли. Таким образом, в центре массы Земли имеет место равенство сил тяготения и центробежной, а в точках Z и N равенства нет: в точке Z сила тяготения больше центробежной, а в точке N — больше центробежная сила. Это приводит к образованию приливных деформаций — выпуклостей или стоячих волн.

Расчеты показывают, что в центре массы Земли абсолютное значение силы тяготения, обусловленное влиянием Луны, составляет 3,38 мг на 1 кг массы, в точке Z сила тяготения равна уже 3,49 мг/кг, а в точке N — только 3,27 мг/кг. Суммируя эти значения в каждой точке земной поверхности с векторными значениями центробежной силы, получим равнодействующую, которая направлена в точке Z к Луне, а в точке N от Луны. Эту силу называют приливообразующей. Ее величина в обоих случаях составляет 0,11 мг/кг массы, но противоположна по знаку. В других точках, не лежащих на оси системы Земля — Луна, силы окажутся несоосными и образуют параллелограммы, в которых равнодействующая направлена по диагонали параллелограмма.

Рис. 4.5. Образование приливообразующей силы под воздействием Луны в различных точках поверхности Земли (объяснение в тексте)

Рис 4.6. Приливы, образующиеся при взаимодействии Земли с Луной (Л) и Солнцем (С): а — сизигийный; б— квадратурный

Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются в каждый следующий момент уже в новых местах земной поверхности, поэтому за промежуток времени между двумя последовательными верхними или нижними кульминациями Луны приливные выступы обойдут вокруг Земного шара и за это время в каждом месте произойдут два прилива и два отлива.

Аналогичное взаимодействие происходит между Землей и Солнцем (а также другими небесными телами), но оно незначительное. Масса Солнца несопоставимо велика по сравнению с массой Луны и расстояние от Земли до Солнца также значительно больше, чем до Луны, поэтому величина солнечного прилива приблизительно в 2,2 раза меньше, чем лунного. Так как взаимное положение Земли, Луны и Солнца постоянно меняется, то изменяются и величины солнечных и лунных приливов. Солнечные приливы изменяют величину лунных приливов. Если приливные волны лунного и солнечного происхождения суммируются, а три светила располагаются по одной прямой, то прилив называется сизигийным, если вычитаются, а Солнце и Луна относительно Земли образуют прямой угол — квадратурным (рис. 4.6). Высота сизигийного прилива в океане приблизительно в 1,5 раза выше лунного, а квадратурного вполовину меньше.

Приливы оказывают воздействие на все оболочки Земли независимо от среды или состояния вещества. Приливная сила одинакова и на суше, и на море. Однако способность сопротивления этой силе (вязкость, упругость) и деформация различных сред неодинаковы. Не только океан, но и поверхность литосферы, а также недра испытывают периодические деформации за счет прохождения приливных волн. На суше нет точки отсчета, каковой в океане является береговая линия, поэтому литосферный прилив незаметен.

Приливоотливные движения имеют для Земли важное географическое следствие. В деформируемом приливом теле Земли (во всех средах — твердой, жидкой, газообразной) происходит внутреннее трение, приводящее к преобразованию энергии суточного вращения Земли в механическую, а затем к диссипации энергии суточного вращения Земли. Суточное вращение Земли по этой причине замедляется на 1/40 000 с в год, т. е. сутки удлиняются на 1 с за 40 000 лет, что в масштабах геологического времени весьма заметно. Замедление суточного вращения Земли уменьшает силу Кориолиса, воздействует на фигуру эллипсоида вращения (чем медленнее осевое вращение, тем меньше полярная сплюснутость Земли и тем ближе ее модель к форме сферы) и на положение геоида. Согласно расчетам, замедление осевого вращения, приводящее к удлинению суток на 0,5 часа, должно высвободить энергию, достаточную для образования Альпийской горной системы.

Приливоотливные явления (колебания уровня моря и приливные течения) как результат распространения приливных волн (глаз наблюдателя фиксирует суммарный прилив, в действительности он состоит приблизительно из 40 гармоник) приводят к периодическому затоплению и осушению береговой зоны на границе континента и океана. Они играют важную роль в формировании специфических природных обстановок (подводных ландшафтов) на довольно обширных низменных побережьях континентов. При выходе к мелководью прилив может существенно нарушать гидрологический режим в эстуариях рек, впадающих в море или океан и даже поворачивать их вверх по течению. Такое явление получило название приливного бора. Природные условия во многих районах Мирового океана в значительной степени определяются приливоотливной изменчивостью уровня и течений, существенно влияющих на гидрологический режим (особенно проливов), структуру вод, интенсивность и характер переноса вод.

Интенсивность приливных процессов тесно связана с конкретными астрономическими условиями, главным образом с изменениями фаз и склонений Луны. Однако приливная волна не строго следует астрономическим факторам. Скорость ее движения зависит от многих географических факторов — глубины моря (чем оно глубже, тем меньше сопротивление трения воды о дно), конфигурации суши и морского бассейна и др. В открытом океане высота прилива небольшая, но по мере приближения к берегу приливная волна увеличивается.

Приливообразующая сила представляет пример образования сложных причинно-следственных связей в географической оболочке и самоусиления незначительных исходных изменений. Способность системы самопроизвольно усиливать внешнее воздействие свойственна неравновесным системам, к которым относится географическая оболочка, и называется синергизмом.

Механические движения, связанные с вращением Земли.Основу этих движений составляет одна из сил инерции — сила Кориолиса, обусловленная вращением Земли вокруг своей оси. Она равна произведению массы точки т на ее поворотное ускорение а_к и направлена противоположно этому ускорению:

где F_K — сила Кориолиса; т — масса движущегося тела; v_отн — относительная скорость движения точки; ω — угловая скорость вращения Земли; φ — географическая широта.

На Земле сила Кориолиса проявляется в том, что свободно падающие тела отклоняются по вертикали к востоку, а тела, движущиеся вдоль земной поверхности, отклоняются от направления их движения в Северном полушарии вправо, а в Южном — влево. Вследствие медленного вращения Земли такие отклонения весьма малы и заметно сказываются или при очень больших скоростях движения, или когда движение длится очень долго (например, подмыв соответствующих берегов рек — правые берега рек Северного полушария крутые, левые — пологие, а в Южном — наоборот).

Действия силы Кориолиса распространяются на многие явления в географической оболочке. В атмосфере под влиянием отклоняющей силы вращения Земли ветры умеренных широт обоих полушарий принимают преимущественно западное направление, а в тропических широтах — восточное. В океане сила Кориолиса приводит к тому, что частицы воды движутся петлеобразно, преимущественно перпендикулярно начальному импульсу движения (наклону уровня воды). Однако морские течения не повторяют направления разгоняющих их ветров. Под действием силы Кориолиса они смещаются от направления господствующих ветров под углом 30° вправо или влево в зависимости от полушария, что показал Ф.Нансен во время ледового дрейфа на корабле «Фрам».

Согласно теории дрейфа В.У.Экмана, в океане происходит изменение направления движения вод с глубиной по спирали: чем глубже, тем больше уклоняется течение вправо (в Северном полушарии) по отношению к направлению вызвавшего его ветра (рис. 4.7). Однако в действительности поток с глубиной отклоняется силой Кориолиса от направления вызвавшего его ветра на 45° в соответствующую для каждого полушария сторону и даже поворачивает в противоположное ветру направление. Вследствие такого переноса воды пассатные ветры становятся причиной смещения потока, направленного к северу и югу от экватора. Для компенсации оттока здесь происходит подъем холодных глубинных вод. Вот почему температура поверхностной воды на экваторе оказывается на 2-3°С ниже, чем в тропиках.

Рис. 4.7. Перспективное представление дрейфового течения на различных глубинах в Северном полушарии (спираль Экмана)

Магнитосфера Земли

Магнитное поле.Присутствие магнитного поля Земли наблюдал каждый, кто брал в руки компас и видел, как один конец стрелки, указывает на север, другой — на юг.

Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное (главное) и переменное. Природа и происхождение их различны, но между ними существует взаимосвязь. Формированию постоянного магнитного поля способствуют внутренние источники — электрические токи, возникающие на поверхности уплотненного ядра Земли из-за различия температур в его частях, что предположительно связано с динамическими процессами в мантии и ядре. Они создают устойчивое магнитное поле, простирающееся на 20— 25 земных радиусов, разное по напряжению в различных точках земной поверхности и подверженное лишь медленным колебаниям. Переменное поле создается внешними источниками, находящимися за пределами планеты — электрическими токами в верхних слоях атмосферы. Пришедшие из глубин Вселенной лучи и частицы вызывают многие известные явления — полярные сияния, магнитные бури, ионизацию воздуха, переход атмосферного кислорода и азота из молекулярного в атомарное состояние и др. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуется колебаниями, различными по происхождению и продолжительности действия: регулярными (суточные, сезонные), имеющими, главным образом, солнечную природу, и нерегулярными (магнитные бури).

Магнитное поле Земли имеет дипольную составляющую, в которой есть ось с северным и южным магнитными полюсами, на-клоненная под углом 11,5° к оси вращения. Магнитное поле ориентирует стрелку компаса в направлении магнитных силовых линий. Плоскость большого круга, в которой находится магнитная стрелка, называется магнитным меридианом. Магнитные меридианы, как и географические, сходятся в двух точках — магнитных полюсах. Магнитные полюса не совпадают с географическими, и их координаты меняются в пространстве: северный полюс — 75°42' с.ш., 101^о30' з.д. (1970г.); 77°36' с.ш., 102°48' з.д. (1985 г.), южный полюс — 65°30' ю.ш., 140°18' в.д. и 65° 06' ю.ш., 139° в.д. (1985 г.). Северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5—6 км/год, но к 2002 г. его скорость возросла до 40 км/год.

Магнитное поле Земли характеризуется следующими показателями: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение — угол между истинным направлением на север, т.е. географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Его значение изменяется от 0° до ±180°. Линии одинакового магнитного склонения называют изогонами.

Магнитное наклонение — угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Его значение изменяется от 0° до (±90)°. Оно бывает положительным в северном геомагнитном полушарии и отрицательным — в южном. Линии одинакового магнитного наклонения называют изоклинами.

Напряженность характеризует силу магнитного поля и ее величина возрастает с широтой.

Изменение характеристик магнитного поля во времени происходит прежде всего за счет его смещения относительно земного шара — западного дрейфа.

В истории Земли отмечены смены полярности магнитного диполя. Полярность, когда северный конец магнитной стрелки направлен к северу, называют прямой (как сейчас), в противоположном случае говорят об обратной намагниченности земного диполя.

Наблюдения за магнитным полем Земли ведут многие обсерватории мира и по их измерениям строятся геомагнитные карты, которые показывают, что в ряде районов земного шара напряженность магнитного поля и магнитные силовые линии из-за неоднородности внутреннего строения Земли и остаточной намагниченности горных пород отклоняются от нормального. Такие отклонения называют магнитными аномалиями. Некоторые аномалии используются в качестве поисковых признаков полезных ископаемых.

Рис. 4.8. Меридиональное сечение магнитосферы, по данным спутниковых измерений (по К. А. Куликову и Н.С. Сидоренкову): 1 — плазменный слой («хвост») магнитосферы; 2 — полярная щель; 3— радиационный пояс; 4— плазмосфера; 5— плазменная мантия; 6 — магнитопауза; 7 — фронт ударной волны; 8 — «солнечный ветер»

Магнитосфера.Солнце и планеты Солнечной системы обладают магнитным полем, которое создает вокруг каждого из небесных тел особую внешнюю оболочку — магнитосферу. Это область околоземного пространства (средний диаметр магнитосферы превышает 90 тыс. км в сечении), физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц (корпускул) космического происхождения.

Земля постоянно подвергается воздействию корпускулярного излучения Солнца — солнечного ветра. Солнечный ветер распространяется от солнечной короны с большой скоростью (400 км/с). Он состоит из протонов и электронов. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна (рис. 4.8), за которой следует переходная область, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным. Переходная область примыкает к магнитосфере Земли, граница которой — магнитопауза — проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли.

Внутри ударной волны находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы — электроны и протоны — перемещаются по спиральным траекториям в направлении магнитных силовых линий. Взаимодействуя с верхними слоями атмосферы, эти частицы ионизируют ее и вызывают полярные сияния.

Геомагнитное поле, взаимодействуя с солнечным ветром, и образует магнитосферу. Под ударами солнечного ветра она сжата со стороны Солнца и сильно вытянута в противосолнечном направлении, образуя хвост длиной до 900—1050 земных радиусов.

Магнитосфера не относится к геосферам планеты, но играет важную роль в формировании многих свойств географической оболочки. Она является главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. По мнению С. В. Калесника, геомагнитное поле наряду с атмосферой образует «броневой заслон» планеты — захватывает подлетающие к Земле космические частицы и мешает им ускользнуть обратно в межпланетное пространство или проникнуть в нижние слои атмосферы. Беспрепятственно вторгаться в атмосферу космические частицы могут лишь в районе магнитных полюсов.

Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов.

Накоплено много фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, рыб, птиц, моллюсков, черепах, червей и даже водорослей, а также человека. Экспериментально доказана зависимость между различными функциями растений и животных и их ориентацией в магнитном поле. Это явление получило название магнитотропизма.

Палеомагнетизм.Магнитное поле Земли существует с незапамятных времен и отражается в результатах процессов и явлений, происходивших на планете в далеком прошлом. Исследование древних горных пород, содержащих частицы магнетита, гематита или других оксидов железа, показало наличие в них остаточной намагниченности, имеющей направление магнитного поля Земли соответствующей эпохи. Изучение первичной намагниченности горных пород разного возраста позволило получить данные (отчасти дискуссионные) о временных изменениях магнитного поля Земли, а при проведении исследований в разных регионах — его пространственное распределение. Согласно этим данным, магнитное поле характеризуется медленным направленным изменением и неоднократно претерпевало инверсии, когда северный полюс становился южным и наоборот. В кайнозойскую эру средним состоянием земного магнитного поля является поле диполя, ориентированного по оси вращения планеты, а сама современная эпоха считается положительной. Палеомагнитные данные для палеозойской эры согласуются между собой только при дополнительном предположении о миграции магнитного полюса относительно земной поверхности. Пути миграции магнитного полюса, вычисленные для разных континентов, существенно различаются, что объясняется их перемещениями во времени и пространстве.

Планетарный характер земного магнетизма и изменений его элементов в геологическом прошлом обусловливает принципиальную возможность возрастной корреляции событий и образований географической оболочки и строгую изохронность выделяемых единиц. Отмеченные зависимости в настоящее время широко используют при сопоставлении разновозрастных базальтов океанического дна, а также для корреляции молодых континентальных образований, практически лишенных палеонтологического материала. Полосчатое строение (полосы прямой и обратной намагниченности чередуются между собой) этих горных пород обусловлено ориентацией железосодержащих минералов в соответствии с направлением магнитных силовых линий, существующих в момент их образования.