Tudomány a Föld gravitációs mezőjéről. A Föld gravitációs terét tanulmányozó tudomány. A Föld gravitációs tere

A FÖLD GRAVITÁCIÓS TERE (a.Föld gravitációs tere, Föld gravitációs tere; N. Schwerefeld der Erde; F. champ de gravite de la Terre; és. Campo de gravedad de la tierra) - a vonzás miatti erőtér tömegek és centrifugális erő, amely a Föld napi forgása miatt keletkezik; szintén jelentéktelen mértékben függ a Hold és a Nap és más égitestek vonzásától és a Föld tömegeitől. A Föld gravitációs terét a gravitációs erő, a gravitációs erő potenciálja és különféle származékai jellemzik. A potenciál mérete m2 .s -2, a potenciál első deriváltjának (beleértve a gravitációt) mértékegységét a gravimetriában milligal (mGal) veszik, ami 10 -5 ms -2, a második deriváltoknál pedig - etvesh (E, E) egyenlő 10 -9 .s -2.

A Föld gravitációs mezőjének fő jellemzőinek értékei: gravitációs potenciál a tengerszinten 62636830 m 2 .s -2; az átlagos gravitáció a Földön 979,8 Gal; az átlagos gravitáció csökkenése a pólustól az Egyenlítőig 5200 mGal (beleértve a Föld napi forgását 3400 mGal-t is); a legnagyobb gravitációs anomália a Földön 660 mGal; normál függőleges gravitációs gradiens 0,3086 mGal / m; a függővonal legnagyobb eltérése a Földön 120"; a gravitáció periodikus holdszoláris változásainak tartománya 0,4 mGal; a gravitáció világi változásának lehetséges nagysága<0,01 мГал/год.

A gravitáció potenciáljának azt a részét, amely csak a Föld vonzásából adódik, geopotenciálnak nevezzük. Számos globális probléma megoldásához (a Föld alakjának tanulmányozása, a műholdak röppályáinak kiszámítása stb.) a geopotenciált a gömbfüggvények kiterjesztése formájában ábrázolják. A gravitációs potenciál második deriváltjait gravitációs gradiométerekkel és variométerekkel mérik. A geopotenciálnak több olyan kiterjesztése van, amelyek a kezdeti megfigyelési adatokban és a tágulás mértékében különböznek egymástól.

Általában a Föld gravitációs tere 2 részből áll: normál és anomális. A mező fő - normál része megfelel a Föld sematizált modelljének, forradalom ellipszoid formájában (normál Föld). Ez összhangban van a valódi Földdel (a tömegközéppontok, a tömegértékek, a szögsebességek és a napi forgástengelyek egybeesnek). A normál Föld felszínét vízszintesnek tekintjük, azaz. a gravitációs potenciál minden pontján azonos értékű (lásd geoid); a gravitációs erő a normál mentén irányul rá és egy egyszerű törvény szerint változik. A gravimetriában széles körben használják a normál gravitáció nemzetközi képletét:

g (p) = 978049 (1 + 0,0052884 sin 2 p - 0,0000059 sin 2 2 p), mGal.

Más szocialista országokban főleg F. R. Helmert képletét használják:

g (p) = 978030 (1 + 0,005302 sin 2 p - 0,000007 sin 2 2p), mGal.

Mindkét képlet jobb oldaláról levonjuk a 14 mGal-t, hogy figyelembe vegyük az abszolút gravitáció hibáját, amelyet az abszolút gravitáció különböző helyeken végzett többszöri mérése eredményeként állapítottak meg. Más hasonló képleteket is levezetnek, amelyek figyelembe veszik a normál gravitáció változásait a Föld háromtengelyűsége, északi és déli féltekéjének aszimmetriája stb. miatt. A mért és a normál gravitáció közötti különbséget gravitációs anomáliának nevezzük (lásd geofizikai rendellenesség). A Föld gravitációs mezőjének abnormális része kisebb nagyságú, mint a normál, és összetett módon változik. Ahogy a Hold és a Nap helyzete a Földhöz képest megváltozik, a Föld gravitációs mezejének periodikus változása következik be. Ez árapály-deformációkat okoz a Földön, pl. tengeri árapály. A Föld gravitációs mezejében is előfordulnak nem árapály-időbeli változások, amelyek a Föld belsejében a tömegek újraeloszlása, a tektonikus mozgások, a földrengések, a vulkánkitörések, a víz és a légtömegek mozgása, a szögsebesség változása és a pillanatnyi változás miatt keletkeznek. a Föld napi forgási tengelye. A Föld gravitációs mezőjében bekövetkező nem árapály-változások sok értékét nem figyelik meg, és csak elméletileg becsülik.

A Föld gravitációs tere alapján meghatározzák a Föld gravimetrikus alakját jellemző geoidot, amelyhez viszonyítva a Föld fizikai felszínének magasságait beállítják. A Föld gravitációs tere más geofizikai adatokkal kombinálva a Föld sűrűségének sugárirányú eloszlásának modelljének tanulmányozására szolgál. Ennek alapján következtetéseket vonunk le a Föld hidrosztatikus egyensúlyi állapotáról és az ezzel kapcsolatos feszültségekről.

g (p) = 978049 (1 + 0,0052884 sin 2 p - 0,0000059 sin 2 2 p), mGal.

Más szocialista országokban főleg F. R. Helmert képletét használják:

g (p) = 978030 (1 + 0,005302 sin 2 p - 0,000007 sin 2 2p), mGal.

A Föld gravitációs mezőjének tanulmányozása nemcsak tudományos, hanem nagy gyakorlati jelentőséggel is bír Oroszország nemzetgazdaságának számos ágazata számára. Önálló tudományos irányzatként a gravimetria egyúttal szerves része más összetett földtudományoknak is, mint például a Föld fizikája, a geológia, a geodézia és az asztronautika, az oceanográfia és a navigáció, a szeizmológia és az előrejelzés.

A gravimetria minden eredeti koncepciója a klasszikus newtoni mechanika rendelkezésein alapul. A gravitáció hatására mindenki tapasztal egy g gyorsulást. Általában nem a gravitációval van dolguk, hanem annak gyorsulásával, amely számszerűen megegyezik az adott pont térerősségével. A gravitáció változása a Földön belüli tömegeloszlástól függ. Ennek az erőnek a hatására jött létre a Föld modern formája (figurája), melynek differenciálódása különböző összetételű és sűrűségű geoszférákba folytatódik. Ezt a jelenséget a gravimetriában használják a geológiai tanulmányozásra. A gravitációs erőben a földkéreg inhomogenitásaival összefüggő változásokat, amelyeknek nincs nyilvánvaló, látható mintája, és a gravitációs erő értékeinek a normálistól való eltérését okozzák, a gravitációs erő anomáliáinak nevezzük. Ezek az anomáliák nem nagyok. Értékük több 10-3 m/s 2 egységen belül ingadozik, ami a gravitációs erő összértékének 0,05%-a, és egy nagyságrenddel kisebb a normál változásánál. A földkéreg tanulmányozása és kutatása szempontjából azonban ezek a változások érdekesek.

A gravitációs anomáliákat mind a felszínre (hegyek) kiálló tömegek, mind a Földön belüli tömegsűrűség-különbségek okozzák. A külső látható tömegek hatását úgy számítjuk ki, hogy a kapott anomáliákból kizárjuk a korrekciókat. A sűrűségben bekövetkező változások történhetnek a rétegek felemelkedése és süllyesztése miatt, valamint magukon a rétegeken belüli sűrűségváltozások miatt. Ezért a gravitációs anomáliák a földkéreg különböző rétegeiben található kőzetek szerkezeti formáit és petrográfiai összetételét egyaránt tükrözik. A kéregben a sűrűség differenciálódása függőlegesen és vízszintesen is megtörténik. A sűrűség a mélységgel növekszik, a felszínen 1,9–2,3 g/cm3-ről 2,7–2,8 g/cm3-re a kéreg alsó határának szintjén, és eléri a 3,0–3,3 g/cm3-t a felső köpeny területén.

A gravitációs anomáliák geológiai értelmezése különösen fontos. Közvetlenül vagy közvetve a gravitáció mindenben részt vesz. Végül a gravitációs anomáliák fizikai természetükből és a számításukra alkalmazott módszerekből adódóan lehetővé teszik a Föld tetszőleges sűrűségi inhomogenitásának egyidejű tanulmányozását, bárhol és milyen mélységben vannak. Ez lehetővé teszi a gravitációs adatok felhasználását igen változatos léptékű és mélységű geológiai problémák megoldására. A gravimetriás felmérést széles körben használják érclelőhelyek, olaj- és gázszerkezetek kutatásában és feltárásában.

A gravitációs adatok szerepe és jelentősége a mélységi szeizmikus adatok vizsgálatában különösen az elmúlt években nőtt meg, amikor nem csak a Kola, hanem más mély- és szupermély kutak, köztük külföldiek (Oberpfalz V, Gravberg V stb.) sem erősítettek meg. a mélyszeizmikus adatok geológiai értelmezésének eredményei.

A geomorfológiailag élesen eltérő régiókban előforduló gravitációs anomáliák geológiai értelmezésében különös szerepet játszik a gravitációs erő legindokoltabb csökkentésének megválasztása, mivel például a hegyvidéki területeken a Faya és Bouguer anomáliák nem csak abban különböznek élesen. intenzitása, de még előjelben is. A kontinentális területeken a Bouguer-redukció a legismertebb a 2,67 g/cm 3 közbülső réteg sűrűségével és a felszíni domborzat hatásának korrekciójával 200 km-es körzetben.

A földfelszín magasságát, valamint a tengerek és óceánok fenekének mélységét a kvázigeoid (tengerszint) felszínétől mérjük. Ezért a Föld alakjának gravitációs hatásának teljes körű figyelembevétele érdekében két korrekciót kell bevezetni: a Bruns-korrekciót a Föld alakjának a normál földi ellipszoidtól vagy egy forgási gömbtől való eltérésére, valamint a topográfiai és hidrotopográfiai korrekciót. a szilárd földfelszín tengerszinttől való eltérésének korrekciói.

A gravitációs anomáliákat széles körben használják különféle geológiai problémák megoldására. Az Oroszország területén oly nagy és heterogén gravitációs anomáliák mélygeológiai természetéről alkotott elképzelések nagymértékben változni fognak attól függően, hogy a Föld kialakulásának és tektonikus fejlődésének milyen elméleti elképzeléseit vették alapul. A Bouguer-féle gravitációs anomáliák és a hidrotopográfiai redukciók közötti egyértelmű kapcsolat a nappali domborzattal és a tenger mélységével, amikor a hegyi struktúrák az intenzív minimumoknak, illetve a tengerek esetében a gravitációs maximumoknak felelnek meg, már régóta felfigyeltek a kutatók. széles körben alkalmazták az izosztázia, a gravitációs anomáliák és a mély szeizmikus szondázási adatok összefüggésének tanulmányozására, valamint a földkéreg "vastagságának" kiszámítására szeizmikusan feltáratlan területeken. A Bouguer és a hidrotopográfiai redukciók lehetővé teszik a Föld ismert sűrűségi inhomogenitásainak hatásának kiküszöbölését, és ezáltal a mező mélyebb összetevőinek kiemelését. A gravitációs anomáliák nappali domborművével megfigyelt összefüggés hangsúlyozza, hogy az izosztázia, mint fizikai jelenség a felelős azért, hogy nemcsak a domborzat, hanem a Föld összes sűrűségi inhomogenitása is egyensúlyban van egymással, viszonylag magas zónák formájában. és alacsony sűrűségű, gyakran ismételten váltakozva a mélységgel és kölcsönösen kompenzálva egymást. Modern adatok a Föld reológiai tulajdonságairól lito- és asztenoszférájával, amelyek rugalmasságukban és ennek megfelelően mobilitásukban élesen különböznek, valamint a földkéreg tektonikus rétegződése, a benne előforduló többszintű konvekcióval. a Föld mélyanyaga, a terhelések geológiailag azonnali ellazulásáról tanúskodik ... Ezért a Földön, most és korábban is, minden anomáliás tömeg, bármilyen méretű és mélységű előfordulásuk is, izosztatikusan kompenzált volt és továbbra is fennáll, függetlenül attól, hogy hol voltak és milyen formában nyilvánultak meg. És ha korábban csak a földkéreg teljes vastagságának változásával próbálták megmagyarázni a gravitációs anomáliák amplitúdóit és jeleit, és ebből a célból kiszámították a nappali domborzattal vagy a gravitációs anomáliákkal való korrelációs együtthatóit, akkor a későbbiekben egyre inkább a földkéreg és a felső köpeny részletes szeizmikus vizsgálata, a szeizmikus tomográfiás módszerek alkalmazása kimutatta, hogy az oldalsó szeizmikus és ebből következően a sűrűséginhomogenitások a Föld mélytömegeinek differenciálódásának minden szintjére jellemzőek, i. nemcsak a földkéreg, hanem a felső és alsó köpeny, sőt a Föld magja is.

A gravitációs anomáliák mezeje óriási mértékben - 500 mGal felett - változik -245 mGal-ról +265 mGal-ra, különböző méretű és intenzitású globális, regionális és lokálisabb gravitációs anomáliák rendszerét alkotva, amelyek a kéregre, kéregköpenyre és megfelelőre jellemzőek. a Föld oldalsó sűrűségű inhomogenitásainak köpenyszintjei. Az anomális gravitációs tér a különböző mélységekben és a felső köpenyben elhelyezkedő gravitációs tömegek összhatását tükrözi. Így az üledékes medencék szerkezete jobban megnyilvánul egy rendellenes gravitációs térben, kellő sűrűségű differenciálódás mellett azokon a területeken, ahol a kristályos aljzat kőzetei nagy mélységben fordulnak elő. Az üledékes kőzetek gravitációs hatása a sekély aljzattal rendelkező területeken sokkal nehezebben megfigyelhető, mivel azt elfedi az alagsor adottságai. A "gránitréteg" nagy vastagságú területeit negatív gravitációs anomáliák különböztetik meg. A gránitmasszívumok felszínre kerülő kiemelkedéseit a gravitációs erő minimumai jellemzik. Az anomális gravitációs térben az egyes blokkok határai jól láthatóak a nagy gradiensek és a gravitációs erő sávmaximumainak zónáiban. Az emelvényeken és a felhajtott területeken belül megkülönböztethetők a kisebb szerkezetek, hullámzások és előmélyedések.

A legglobálisabb gravitációs anomáliák, amelyek a megfelelő köpeny (asztenoszférikus) szint inhomogenitását jellemzik, olyan nagyok, hogy csak marginális részeik jutnak be a vizsgált Oroszország területére, messze túlmutatva annak határain, ahol intenzitásuk jelentősen megnő. A mediterrán gravitációs maximum egyetlen zónája esik egybe a medencével, és északon egy kis alpesi gravitációs minimum, keleten pedig egyetlen nagyon intenzív és hatalmas területű ázsiai gravitációs minimum határolja, amely általában megfelel a A Föld ázsiai mega-duzzadása, amely Közép- és Magas-Ázsia hegyi struktúráit lefedi a Tien Shantól a Tien Shantól az északkeleti belső mélyedésrendszerig (Ordos, Szecsuán stb.). Ennek a globális ázsiai gravitációs minimumnak az intenzitása csökken, és tovább nyomon követhető Északkelet-Oroszország területére (hegyi építmények, Transbaikalia, Verhoyansk-Chukotka régió), és leszármazottja a szibériai prekambrium platform szinte teljes területét lefedi, amely az utóbbi időben aktivizálódott, összességében jelentéktelen.magas (500-1000 m-ig) szibériai fennsík.

Ezeknek az anomáliáknak logikus magyarázata és különböző jelei adódhatnak, ha figyelembe vesszük, hogy a zónaolvadás az asztenolit felszínre emelkedve minden szinten visszaolvadt kőzeteket hagy maga után, amelyek viszonylag sűrűbbek, mint az oldalról behálózó rétegek. Ezért a gravitációs térben az ilyen újraolvadt kőzetek teljes összege egyetlen teljes gravitációs maximumot hoz létre, és még az olvadt „rétegek” (sebesség- és sűrűséginverziós zónák) jelenléte sem változtatja meg az általános jellemzőit, mint ahogy az is. az Északi-sarkvidék marginális részein – Atlanti- és Csendes-óceáni globális gravitációs maximumok.

A közép-ázsiai globális minimumot létrehozó anomális tömegek valószínűleg még nagyobb mélységben helyezkednek el, aminek következtében a kialakult olvadási zóna csak a mélytömegek térfogatának növekedéséhez, és ennek megfelelően egyetlen óriás kialakulásához vezetett. Ázsiai mega-dudor a Föld felszínén, és az olvadt lencse jelenléte a mélyben, Nyilvánvalóan kis térfogatot okozott, és szétszórta ezen a területen a bazaltoid magmatizmust, a mezozoos robbanáscsöveket, az Altajban kialudt negyedidőszaki vulkánokat. Sayan régió, és végül a Bajkál-Patom-felvidék intenzívebb bazaltoid magmatizmusa, messze túl a Bajkál-hasadékon.

Az Oroszország területére eső globális gravitációs maximumok és minimumok nagy mélységét a geoid magasságainak értelmezése igazolja.

A gravitáció, ez a vonzás vagy a gravitáció, az anyag univerzális tulajdonsága, amellyel az Univerzum minden tárgya és teste rendelkezik. A gravitáció lényege, hogy minden anyagi test vonzza maga körül az összes többi testet.

A gravitációs erő

Ha a gravitáció egy általános fogalom és minőség, amellyel az Univerzumban minden objektum rendelkezik, akkor a gravitáció ennek a mindent átfogó jelenségnek egy speciális esete. A föld minden anyagi tárgyat magához vonz. Ennek köszönhetően az emberek és az állatok biztonságosan mozoghatnak a földön, folyók, tengerek és óceánok maradhatnak a partjukon belül, és a levegő nem repülhet át az űr végtelen kiterjedésein, hanem bolygónk légkörét alkotja.

Felmerül egy jogos kérdés: ha minden tárgynak van gravitációja, miért vonzza a Föld az embereket és az állatokat, és miért nem fordítva? Először is, a Földet is magunkhoz vonzzuk, csak a gravitációnk elenyésző a gravitációjához képest. Másodszor, a gravitációs erő egyenesen arányos a test tömegével: minél kisebb a test tömege, annál kisebb a gravitációs erő.

A második mutató, amelytől a vonzási erő függ, a tárgyak közötti távolság: minél nagyobb a távolság, annál kisebb a gravitáció hatása. Ennek köszönhetően a bolygók pályájukon mozognak, és nem esnek egymásnak.

Figyelemre méltó, hogy a Föld, a Hold, a Nap és más bolygók gömbalakjukat a gravitációs erőnek köszönhetik. A középpont irányába hat, maga felé húzva a bolygó "testét" alkotó anyagot.

A Föld gravitációs tere

A Föld gravitációs tere egy erőtér, amely bolygónk körül két erő hatására képződik:

gravitáció;
centrifugális erő, amely megjelenését a Föld tengelye körüli forgásának köszönheti (napi forgás).

Mivel mind a gravitáció, mind a centrifugális erő folyamatosan hat, ezért a gravitációs tér állandó jelenség.

A Nap, a Hold és néhány más égitest gravitációs ereje, valamint a Föld légköri tömegei jelentéktelen hatást gyakorolnak a mezőre.

A gravitáció törvénye és Sir Isaac Newton

Az angol fizikus, Sir Isaac Newton a híres legenda szerint egyszer a kertben sétált napközben, és meglátta a holdat az égen. Ugyanakkor egy alma leesett az ágról. Newton akkor a mozgás törvényét tanulmányozta, és tudta, hogy az alma a gravitációs mező hatására esik, a Hold pedig a Föld körüli pályán forog.

Aztán a ragyogó tudós, megvilágítva a belátással, azzal az ötlettel állt elő, hogy talán az alma a földre esik, ugyanannak az erőnek engedelmeskedve, amelynek köszönhetően a Hold kering, és nem rohan véletlenszerűen a galaxisban. Tehát felfedezték az egyetemes gravitáció törvényét, ez egyben Newton harmadik törvénye is.

A matematikai képletek nyelvén ez a törvény így néz ki:

F=GMm / D 2 ,

ahol F- két test közötti kölcsönös gravitációs erő;

M- az első test tömege;

m- a második test tömege;

D 2- két test közötti távolság;

G- gravitációs állandó egyenlő 6,67x10 -11.

A Föld gravitációs tere - ez a gravitációs mező. A gravitációs erő a Földön mindenhol hat, és egy függővonal mentén a geoid felszínére irányul, és a pólusoktól az egyenlítőig csökken.

A földnek lett volna normál gravitációs tér feltéve, hogy forgásellipszoid alakú és egyenletes tömegeloszlású benne. A Föld azonban nem ilyen test. A valós gravitációs tér és az elméleti (normál) tér erőssége közötti különbséget ún anomália a gravitációban. Ezeket az anomáliákat egyrészt a kőzetek eltérő anyagösszetétele és sűrűsége, másrészt a földfelszín látható egyenetlenségei (domborművei) okozzák. A hegyek azonban nem mindig okozzák a gravitációs erő növekedését (pozitív anomália), az óceáni mélyedések pedig a hátrányukat (negatív anomália). Ezt a helyzetet megmagyarázzák izosztázia(a görögből. izosztáziák- egyenlő

súly) - a Föld szilárd és viszonylag könnyű felső horizontjának egyensúlyozása a nehezebb felső köpenyen, amely a rétegben plasztikus állapotban van asztenoszféra. A modern geofizikai elképzelések szerint a Föld beleiben egy bizonyos mélységben (kompenzációs mélységben) a kéreg alatti anyagtömegek vízszintesen terjednek a felszínen lévő feleslegük helyeiről (hegyek formájában stb.) a fedőrétegek perifériája és nyomáskiegyenlítése. Az asztenoszférikus áramlatok megléte szükséges feltétele a földkéreg izosztatikus egyensúlyának.

Amikor a gleccserek terhelése megjelenik vagy eltűnik az ókori és a modern gleccserek területein, az izosztatikus egyensúly is megbomlik. A fedőgleccserek jégtömegének növekedésével a földkéreg meghajlik, a jég olvadásakor pedig felemelkedik. A földkéreg ilyen függőleges mozgásait ún fényesés izosztázis(a lat.

gleccserek - jég). A glacioizosztatikus süllyedés legkifejezettebb a modern jégtakarók központi részei alatt - Antarktiszon és Grönlandon, ahol a gleccserek ágya helyenként a tengerszint alatt meghajlik. A kiemelkedések különösen intenzívek azokon a területeken, amelyek a közelmúltban felszabadultak a kontinentális jégtől (például Skandináviában, Kanadában), ahol a posztglaciális időszakra vonatkozó összértékük eléri a több tíz métert. Műszeres mérések szerint a modern emelkedés mértéke helyenként eléri az 1 métert is, például a Botteni-öböl svéd partvidékén.

A gravitáció értéke rendkívül magas. Ez határozza meg a Föld valódi alakját - a geoidot. A kéreg alatti áramlatok az asztenoszférában tektonikus deformációkat és a litoszféra lemezeinek mozgását okozzák, ami a Föld domborművének nagy formáit hozza létre. A gravitációs erő meghatározza a gravitációs domborzatképző folyamatokat: erózió, földcsuszamlások, kalászok, földcsuszamlások, iszapfolyások, gleccserek mozgása a hegyekben stb. A gravitációs erő határozza meg a hegyek maximális magasságát a Földön. Megtartja a légkört és a hidroszférát, engedelmeskedik a lég- és víztömegek mozgásának. A gravitáció segít az embereknek és sok állatnak egyenesen maradni. Geotropizmus- a növényi szervek növekedési mozgásai a gravitációs erő hatására - meghatározza a szárak és az elsődleges gyökér függőleges irányát. Nem véletlen, hogy a gravitációs biológia, amely egy olyan korszakban keletkezett, amikor az ember gravitáció nélkül kezdte benépesíteni a világot - a Kozmoszban - a növényeket is beletartozik kísérleti objektumai közé. A gravitációs erőt figyelembe kell venni, ha szó szerint minden folyamatot figyelembe veszünk egy földrajzi burokban. A gravitációs erő figyelembevétele nélkül lehetetlen kiszámítani a rakéták és űrhajók kilövéseinek kezdeti adatait, az érces ásványok, valamint az olaj- és gázszerkezetek gravimetriás feltárása pedig lehetetlen.