Veda o gravitačnom poli Zeme. Veda študujúca gravitačné pole Zeme. Gravitačné pole Zeme

Gravitačné pole Zeme (a. gravitačné pole Zeme, gravitačné pole Zeme; N. Schwerefeld der Erde; F. champ de gravite de la Terre; a. Campo de gravedad de la tierra) - silové pole v dôsledku príťažlivosti hmotností a odstredivej sily, ktorá vzniká v dôsledku každodenného otáčania Zeme; tiež bezvýznamne závisí od príťažlivosti Mesiaca a Slnka a iných nebeských telies a hmotností Zeme. Gravitačné pole Zeme charakterizuje gravitačná sila, potenciál gravitačnej sily a jej rôzne deriváty. Potenciál má rozmer m2 .s -2, jednotka merania prvých derivácií potenciálu (vrátane gravitácie) v gravimetrii je milligálna (mGal), rovná sa 10 -5 ms -2, a pre druhé deriváty -etvesh (E, E) rovné 10 -9 .s -2.

Hodnoty hlavných charakteristík gravitačného poľa Zeme: gravitačný potenciál na hladine mora 62636830 m 2 .s -2; priemerná gravitácia na Zemi je 979,8 Gal; pokles priemernej gravitácie od pólu k rovníku o 5200 mGal (vrátane v dôsledku dennej rotácie Zeme o 3400 mGal); maximálna gravitačná anomália na Zemi je 660 mGal; normálny vertikálny gravitačný gradient 0,3086 mGal / m; maximálna odchýlka olovnice na Zemi je 120 "; rozsah periodických lunisolárnych zmien gravitácie je 0,4 mGal; možná veľkosť sekulárnej zmeny gravitácie<0,01 мГал/год.

Časť gravitačného potenciálu spôsobená iba gravitáciou Zeme sa nazýva geopotenciál. Na vyriešenie mnohých globálnych problémov (štúdium tvaru Zeme, výpočet trajektórií satelitov atď.) Je geopotenciál reprezentovaný formou expanzie sférických funkcií. Druhé deriváty gravitačného potenciálu sú merané gravitačným gradiometrom a variometrom. Existuje niekoľko rozšírení geopotenciálu, ktoré sa líšia v počiatočných pozorovacích údajoch a stupňoch expanzie.

Gravitačné pole Zeme je obvykle reprezentované dvoma časťami: normálnou a anomálnou. Hlavná - normálna časť poľa zodpovedá schematizovanému modelu Zeme vo forme rotačného elipsoidu (normálna Zem). Je v súlade so skutočnou Zemou (stredy hmotnosti, hmotnostné hodnoty, uhlové rýchlosti a osi dennej rotácie sa zhodujú). Povrch normálnej Zeme sa považuje za rovný, t.j. potenciál gravitácie vo všetkých svojich bodoch má rovnakú hodnotu (pozri geoid); gravitačná sila je na ňu nasmerovaná pozdĺž normály a mení sa podľa jednoduchého zákona. V gravimetrii sa široko používa medzinárodný vzorec pre normálnu gravitáciu:

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

V iných socialistických krajinách sa používa hlavne vzorec F. R. Helmerta:

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

Z pravých strán oboch vzorcov sa odpočíta 14 mGal, aby sa vzala do úvahy chyba v absolútnej gravitácii, ktorá bola stanovená ako výsledok viacerých meraní absolútnej gravitácie na rôznych miestach. Odvodzujú sa ďalšie podobné vzorce, ktoré berú do úvahy zmeny normálnej gravitácie v dôsledku triaxiality Zeme, asymetrie jej severnej a južnej pologule atď. Rozdiel medzi nameranou a normálnou gravitáciou sa nazýva gravitačná anomália (pozri geofyzikálnu anomália). Abnormálna časť gravitačného poľa Zeme má menšiu veľkosť ako normálna a mení sa zložitým spôsobom. Ako sa menia polohy Mesiaca a Slnka voči Zemi, dochádza k periodickej variácii gravitačného poľa Zeme. To spôsobuje slapové deformácie Zeme vč. morské prílivy a odlivy. V gravitačnom poli Zeme v čase dochádza aj k prílivovým zmenám, ktoré vznikajú v dôsledku prerozdelenia hmôt vo vnútrozemí Zeme, tektonických pohybov, zemetrasení, sopečných erupcií, pohybu vodných a atmosférických hmôt, zmien uhlovej rýchlosti a okamžitých os dennej rotácie Zeme. Mnoho hodnôt bez prílivových zmien v gravitačnom poli Zeme nie je pozorovaných a sú odhadované iba teoreticky.

Na základe gravitačného poľa Zeme je určený geoid, ktorý charakterizuje gravimetrický útvar Zeme, vzhľadom na ktorý sú stanovené výšky fyzického povrchu Zeme. Gravitačné pole Zeme v kombinácii s inými geofyzikálnymi údajmi sa používa na štúdium modelu radiálneho rozloženia hustoty Zeme. Z toho sa vyvodzujú závery o hydrostatickom rovnovážnom stave Zeme a o napätiach s tým spojených v jej

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

V iných socialistických krajinách sa používa hlavne vzorec F. R. Helmerta:

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

Štúdium gravitačného poľa Zeme je nielen vedecké, ale má tiež veľký praktický význam pre mnohé odvetvia národného hospodárstva Ruska. Gravimetria je nezávislý vedecký smer a je tiež neoddeliteľnou súčasťou ďalších komplexných vied o Zemi, ako sú fyzika Zeme, geológia, geodézia a astronautika, oceánografia a navigácia, seizmológia a predpovedanie.

Všetky pôvodné koncepcie gravimetrie vychádzajú z ustanovení klasickej newtonovskej mechaniky. Pri pôsobení gravitácie každý zažije zrýchlenie g Obvykle sa nezaoberá gravitáciou, ale jej zrýchlením, ktoré sa číselne rovná sile poľa v danom bode. Zmeny gravitácie závisia od rozloženia hmotností na Zemi. Vplyvom tejto sily vznikla moderná forma (postava) Zeme a jej diferenciácia pokračuje do geosfér rôzneho zloženia a hustoty. Tento jav sa používa v gravimetrii na štúdium geológie. Zmeny gravitačnej sily súvisiace s nehomogenitami zemskej kôry, ktoré nemajú zjavný, viditeľný vzorec a spôsobujú odchýlku hodnôt gravitačnej sily od normálu, sa nazývajú anomálie gravitačnej sily. Tieto anomálie nie sú veľké. Ich hodnoty kolíšu v rámci niekoľkých jednotiek 10-3 m / s 2, čo je 0,05% z celkovej hodnoty gravitačnej sily a rádovo menšej veľkosti ako je jej normálna zmena. Práve tieto zmeny sú však zaujímavé pre štúdium zemskej kôry a pre hľadanie.

Gravitačné anomálie sú spôsobené jednak hmotami vyčnievajúcimi na povrch (hory), jednak rozdielom v hustote hmoty vo vnútri Zeme. Vplyv vonkajších viditeľných hmôt sa vypočíta vylúčením opráv pre zo získaných anomálií. Zmeny v hustote môžu nastať tak v dôsledku zdvíhania a znižovania vrstiev, ako aj v dôsledku zmien v hustote v samotných vrstvách. Gravitačné anomálie preto odrážajú štrukturálne formy aj petrografické zloženie hornín v rôznych vrstvách zemskej kôry. Hustoty v kôre sú rozlíšené vertikálne aj horizontálne. Hustota sa zvyšuje s hĺbkou od 1,9–2,3 g / cm 3 na povrchu do 2,7–2,8 g / cm 3 na úrovni spodnej hranice kôry a dosahuje 3,0–3,3 g / cm 3 v oblasti horného plášťa.

Interpretácia gravitačných anomálií v geológii je obzvlášť dôležitá. Gravitácia je priamo alebo nepriamo zapojená do všetkých. Gravitačné anomálie vďaka svojej fyzickej povahe a metódam ich výpočtu umožňujú súčasne študovať akékoľvek nehomogenity hustoty Zeme bez ohľadu na to, kde a v akej hĺbke sa nachádzajú. To umožňuje použiť údaje o gravitácii na riešenie geologických problémov, ktoré sú rozsahom a hĺbkou veľmi rôznorodé. Gravimetrické prieskumy sa široko používajú pri prieskume a prieskume ložísk rudy a štruktúr ropy a plynu.

Úloha a dôležitosť gravitačných údajov pri štúdiu hlbokých seizmických údajov sa obzvlášť zvýšila v posledných rokoch, keď nielen Kola, ale aj ďalšie hlboké a superhlubé studne vrátane zahraničných (Oberpfalz V, Gravberg V atď.) potvrdiť výsledky geologickej interpretácie hlbokých seizmických údajov, ktoré sú základom návrhu týchto studní.

Pre geologickú interpretáciu gravitačných anomálií v geomorfologicky ostro odlišných oblastiach zohráva osobitnú úlohu výber najodôvodnenejšieho zníženia gravitácie, pretože napríklad v horských oblastiach sa anomálie Faya a Bouguera výrazne líšia nielen intenzitou, ale aj ale dokonca aj v znamení. Na kontinentálnych územiach je najznámejšia Bouguerova redukcia s hustotou medzivrstvy 2,67 g / cm 3 as korekciou na vplyv povrchového reliéfu v okruhu 200 km.

Nadmorské výšky zemského povrchu, ako aj hĺbky dna morí a oceánov sa merajú od povrchu kvazigeoidu (hladina mora). Preto, aby sa plne zohľadnil gravitačný vplyv tvaru Zeme, je potrebné zaviesť dve korekcie: Brunsovu korekciu odchýlok postavy Zeme od normálneho elipsoidu Zeme alebo sférickej revolúcie, ako aj topografické a hydrotopografické korekcie odchýlok pevného zemského povrchu od hladiny mora.

Gravitačné anomálie sa široko používajú pri riešení rôznych geologických problémov. Predstavy o hlbokej geologickej povahe gravitačných anomálií tak veľkých a heterogénnych na celom území Ruska sa budú do značnej miery meniť v závislosti od toho, aké teoretické koncepty formovania a tektonického vývoja Zeme boli brané ako základ. Vedci už dlho poznamenávajú jasné prepojenie gravitačných anomálií v Bougueri a hydrotopografických redukcií s dennou topografiou a s morskými hĺbkami, keď horské štruktúry zodpovedajú intenzívnym minimám a morom - maximám gravitácie. sa široko používa na štúdium izostázy, korelácie gravitačných anomálií s hlbokými seizmicky znejúcimi údajmi. a pomocou nej vypočítava „hrúbku“ zemskej kôry na seizmicky nepreskúmaných územiach. Bouguerova a hydrotopografická redukcia umožňuje odstrániť vplyv známych nehomogenít hustoty Zeme a tým rozlíšiť hlbšie zložky poľa. Pozorovaná korelácia s denným reliéfom gravitačných anomálií zdôrazňuje, že je to izostáza ako fyzikálny jav, ktorý je zodpovedný za to, že nielen reliéf, ale všetky nehomogenity hustoty Zeme sú navzájom vyvážené vo forme relatívne vysokých zón. a nízkou hustotou, často sa opakovane striedajú s hĺbkou a navzájom sa kompenzujú. Moderné údaje o reologických vlastnostiach Zeme s jej litosférou a astenosférou, ktoré sa výrazne líšia svojou pružnosťou a v dôsledku toho pohyblivosťou, ako aj tektonickým vrstvením zemskej kôry, s možnou prítomnosťou viacvrstvovej konvekcie Zeme hlboká hmota, naznačuje geologicky okamžitú relaxáciu zaťaženia ... Preto na Zemi, teraz aj predtým, všetky anomálne masy akejkoľvek veľkosti a hĺbky výskytu boli a naďalej sú izostaticky kompenzované bez ohľadu na to, kde boli a v akejkoľvek forme sa prejavovali. A ak sa predtým pokúsili vysvetliť amplitúdy a znaky gravitačných anomálií iba zmenami v celkovej hrúbke zemskej kôry a na tento účel vypočítali koeficienty jej korelácie s dennou topografiou alebo s gravitačnými anomáliami, potom ďalšie a ďalšie podrobná seizmická štúdia zemskej kôry a horného plášťa, použitie metód seizmickej tomografie ukázalo, že laterálne seizmické a v dôsledku toho hustotné nehomogenity sú charakteristické pre všetky úrovne diferenciácie hlbokých hmôt Zeme, t.j. nielen zemská kôra, ale aj horný a dolný plášť a dokonca aj jadro Zeme.

Gravitačné anomálie sa menia o enormné množstvo - viac ako 500 mGal - od –245 do +265 mGal, čím sa vytvára systém rôznych veľkostí a intenzít globálnych, regionálnych a lokálnejších gravitačných anomálií, ktoré charakterizujú kôrovcový, kôrovcový plášť a vlastné plášťové hladiny nehomogenít laterálnej hustoty Zeme. Anomálne gravitačné pole odráža celkový účinok gravitačných hmôt umiestnených v rôznych hĺbkach a v hornom plášti. Štruktúra sedimentárnych nádrží sa teda lepšie prejavuje v anomálnom gravitačnom poli za prítomnosti dostatočnej diferenciácie hustoty v oblastiach, kde sa vo veľkých hĺbkach vyskytujú horniny kryštalického suterénu. Gravitačný účinok sedimentárnych hornín v oblastiach s plytkým suterénom je oveľa ťažšie pozorovať, pretože je zakrytý vplyvom vlastností suterénu. Oblasti s vysokou hrúbkou „žulovej vrstvy“ sa vyznačujú negatívnymi gravitačnými anomáliami. Výstupy žulových masívov na povrch sa vyznačujú minimami gravitačnej sily. V anomálnom gravitačnom poli sú hranice jednotlivých blokov jasne viditeľné v zónach s veľkým gradientom a pásmovými maximami gravitačnej sily. V rámci platforiem a skladaných oblastí sa rozlišujú menšie štruktúry, napučiavania a predklony.

Najglobálnejšie gravitačné anomálie charakterizujúce nehomogenity vlastnej plášťovej (astenosférickej) úrovne sú také veľké, že na posudzované územie Ruska vstupujú iba ich okrajové časti, pričom sa pohybujú ďaleko za hranicami jeho hraníc, kde sa ich intenzita výrazne zvyšuje. Jedna zóna stredomorského maxima gravitácie sa zhoduje s panvou a je na severe ohraničená malým alpským minimom gravitácie a na východe jediným veľmi intenzívnym a obrovským priestorom ázijské minimum gravitácie, zodpovedajúce celej ázijskej oblasti. mega-opuch Zeme, pokrývajúci horské štruktúry strednej a vysokej Ázie od do a podľa toho od Tien Shan k severovýchodnému systému vnútorných depresií (Ordos, Sichuan atď.). Toto globálne ázijské minimum gravitácie klesá na svojej intenzite a je možné ho vysledovať ďalej na územie severovýchodu Ruska (horské štruktúry, Transbaikalia, región Verkhoyansk-Chukotka) a jeho odnož pokrýva takmer celú oblasť sibírskeho Precambrianská platforma, aktivovaná v nedávnej dobe, ako celok bezvýznamne vyvýšená (až 500-1 000 m) sibírska plošina.

Nájde sa logické vysvetlenie a rôzne znaky týchto anomálií, ak vezmeme do úvahy, že zónová tavenina pri výstupe na povrch astenolitu zanecháva na každej úrovni pretavené horniny, ktoré sú relatívne hustejšie ako vrstvy, ktoré ich bočne obklopujú. Preto v gravitačnom poli celý súčet takto pretavených hornín vytvára jediné celkové maximum gravitácie a dokonca ani prítomnosť roztavených „vrstiev“ (zóny inverzie rýchlosti a hustoty) v ňom nezmení jeho všeobecné vlastnosti, ako je pozorované v okrajových častiach arkticko -atlantického a tichomorského globálneho maxima gravitácie.

Anomálne hmoty, ktoré vytvárajú stredoázijské globálne minimum, sa pravdepodobne nachádzajú v ešte väčšej hĺbke, v dôsledku čoho vytvorená zóna taveniny viedla k zvýšeniu objemu iba hlbokých hmôt a podľa toho k tvorbe na povrchu jediná obrovská ázijská megapuklina Zeme a prítomnosť roztavenej šošovky v hĺbke, zrejme to spôsobilo bazaltoidný magmatizmus, malého objemu a roztrúseného po celom tomto území, mezozoické potrubia výbuchu vo vyhynutých kvartérnych sopkách v oblasti Altaj-Sajan a napokon intenzívnejší čadičový magmatizmus Bajkalsko-patomskej pahorkatiny, ďaleko za samotnou Bajkalskou trhlinou.

Veľká hĺbka globálnych maxím a minim gravitácie spadajúcich na územie Ruska je potvrdená interpretáciou výšok geoidu.

Gravitácia, ktorá je tiež príťažlivosťou alebo gravitáciou, je univerzálnou vlastnosťou hmoty, ktorú majú všetky objekty a telá vo vesmíre. Podstata gravitácie spočíva v tom, že všetky hmotné telá priťahujú všetky ostatné telá v okolí.

Gravitačná sila

Ak je gravitácia všeobecným konceptom a kvalitou, ktorou disponujú všetky objekty vo vesmíre, potom je gravitácia špeciálnym prípadom tohto všeobjímajúceho javu. Zem k sebe priťahuje všetky hmotné objekty. Vďaka tomu sa ľudia a zvieratá môžu bezpečne pohybovať po zemi, rieky, moria a oceány môžu zostať v ich brehoch a vzduch nemôže lietať nekonečnými priestormi vesmíru, ale tvorí atmosféru našej planéty.

Vynára sa spravodlivá otázka: Ak majú všetky objekty gravitáciu, prečo Zem k sebe priťahuje ľudí a zvieratá, a nie naopak? Po prvé, priťahujeme k sebe aj Zem, je to tak, že v porovnaní s jej gravitáciou je naša gravitácia zanedbateľná. Za druhé, gravitačná sila je priamo úmerná hmotnosti telesa: čím menšia je hmotnosť tela, tým sú jeho gravitačné sily nižšie.

Druhým indikátorom, od ktorého závisí sila príťažlivosti, je vzdialenosť medzi predmetmi: čím väčšia je vzdialenosť, tým menší je vplyv gravitácie. Vďaka tomu sa planéty pohybujú po svojich dráhach a nespadajú na seba.

Je pozoruhodné, že Zem, Mesiac, Slnko a ďalšie planéty vďačia svojmu sférickému tvaru gravitačnej sile. Pôsobí v smere stredu a ťahá k sebe látku, ktorá tvorí „telo“ planéty.

Gravitačné pole Zeme

Gravitačné pole Zeme je silové energetické pole, ktoré sa vytvára okolo našej planéty pôsobením dvoch síl:

gravitácia;
odstredivá sila, ktorá za svoj vzhľad vďačí rotácii Zeme okolo svojej osi (denná rotácia).

Pretože gravitácia aj odstredivá sila pôsobia neustále, potom je gravitačné pole konštantným javom.

Gravitačné sily Slnka, Mesiaca a niektorých ďalších nebeských telies, ako aj atmosférické hmotnosti Zeme, majú na pole zanedbateľný vplyv.

Zákon gravitácie a Sir Isaac Newton

Anglický fyzik, Sir Isaac Newton, podľa známej legendy, keď raz vo dne kráčal po záhrade, uvidel mesiac na oblohe. Zároveň z konára spadlo jablko. Newton vtedy študoval pohybový zákon a vedel, že jablko spadá pod vplyv gravitačného poľa a mesiac sa otáča na obežnej dráhe okolo Zeme.

A potom sa geniálnym vedcom, osvetleným vhľadom, naskytla myšlienka, že možno jablko padá na zem, pričom poslúcha rovnakú silu, vďaka ktorej je Mesiac na svojej obežnej dráhe, a neponáhľa sa náhodne po celej galaxii. Takže bol objavený zákon univerzálnej gravitácie, je to tiež tretí Newtonov zákon.

V jazyku matematických vzorcov tento zákon vyzerá takto:

F=GMm / D 2 ,

kde F- sila vzájomnej gravitácie medzi dvoma telesami;

M- hmotnosť prvého telesa;

m- hmotnosť druhého telesa;

D 2- vzdialenosť medzi dvoma telesami;

G- gravitačná konštanta rovná 6,67x10 -11.

Gravitačné pole Zeme - toto je gravitačné pole. Gravitačná sila pôsobí všade na Zemi a je zameraná pozdĺž olovnice na povrch geoidu, pričom veľkosť klesá od pólov k rovníku.

Zem by mala normálne gravitačné pole za predpokladu, že má tvar elipsoidu otáčania a rovnomerné rozloženie hmotností v ňom. Zem však nie je takým telesom. Rozdiel medzi silou skutočného gravitačného poľa a teoretickým (normálnym) poľom sa nazýva gravitačná anomália. Tieto anomálie sú spôsobené jednak rôznym materiálovým zložením a hustotou hornín, jednak viditeľnými nepravidelnosťami zemského povrchu (reliéf). Hory však nie vždy spôsobujú zvýšenie gravitačnej sily (pozitívna anomália) a oceánske žľaby - ich nedostatok (negatívna anomália). Táto situácia je vysvetlená izostázia(z gréčtiny. izostázie- rovný v

hmotnosť) - vyrovnávanie pevných a relatívne ľahkých horných horizontov Zeme na ťažšom hornom plášti, ktorý je vo vrstve v plastickom stave astenosféra. Podľa moderných geofyzikálnych koncepcií v útrobách Zeme v určitej hĺbke (hĺbka kompenzácie) dochádza k horizontálnemu šíreniu subkrustálnych hmôt hmoty z miest ich prebytku na povrch (vo forme hôr atď.) na perifériu a vyrovnanie tlaku prekrývajúcich sa vrstiev. Existencia astenosférických prúdov je nevyhnutnou podmienkou izostatickej rovnováhy zemskej kôry.

Keď sa ľadové zaťaženie objaví alebo zmizne v oblastiach starovekých a moderných ľadovcov, je narušená aj izostatická rovnováha. S nárastom hmotnosti ľadu krycích ľadovcov sa zemská kôra ohýba a keď sa ľad roztopí, stúpa. Takéto vertikálne pohyby zemskej kôry sa nazývajú lesk a oisostasis(z lat.

glaciáty - ľad). Glacioizostatický pokles je najvýraznejší pod centrálnymi časťami moderných ľadovcov - Antarktídou a Grónskom, kde je dno ľadovcov ohnuté v miestach pod hladinou mora. Vzostupy sú obzvlášť intenzívne v oblastiach nedávno oslobodených od kontinentálneho ľadu (napríklad v Škandinávii, Kanada), kde ich celkové hodnoty pre postglaciálne obdobie dosahujú niekoľko desiatok metrov. Podľa inštrumentálnych meraní dosahuje moderná miera zdvihu na niektorých miestach 1 m za storočie, napríklad na švédskom pobreží Botnického zálivu.

Hodnota gravitácie je extrémne vysoká. Definuje skutočnú postavu Zeme - geoid. Subkrustálne prúdy v astenosfére spôsobujú tektonické deformácie a pohyby litosférických dosiek, čím vznikajú veľké formy reliéfu Zeme. Gravitačná sila určuje gravitačné reliéfne procesy: erózia, zosuvy pôdy, talus, zosuvy pôdy, toky bahna, pohyb ľadovcov v horách atď. Gravitačná sila určuje maximálnu výšku hôr na Zemi. Drží atmosféru a hydrosféru, podriaďuje sa pohybu vzdušných a vodných hmôt. Gravitácia pomáha ľuďom a mnohým zvieratám zostať vzpriamene. Geotropizmus- pohyby rastu rastlinných orgánov pod vplyvom gravitačnej sily - určuje zvislý smer stoniek a primárny koreň. Nie je dôvod, prečo gravitačná biológia, ktorá vznikla v ére, keď človek začal obývať svet bez gravitácie - Kozmos, zahŕňa rastliny medzi svoje experimentálne objekty. Gravitačnú silu je potrebné vziať do úvahy pri zvažovaní doslova všetkých procesov v geografickej obálke. Bez zohľadnenia gravitačnej sily nie je možné vypočítať počiatočné údaje pre štarty rakiet a kozmických lodí a gravimetrické skúmanie rudných minerálov a štruktúr ropy a plynu nie je možné.