Maan vahvuus

"Voi, jos tämäkin, liian raskas runko sulaa, liukenee, tulee kastetta!" Kuuluisa englantilainen geofyysikko Harold Jeffries otti nämä Hamletin sanat epigrafina kirjansa johonkin lukuun "Earth".

Todellakin, mitä maasta tapahtuisi, jos se muuttuisi nesteeksi? Päivittäisestä kokemuksesta tietäen, että kiinteät aineet menettävät muodonsa sulatettuaan, voimme odottaa saman tapahtuvan maapallon kanssa. Mutta todellisuudessa tätä ei tapahdu. Niille esineille, joiden kanssa olemme tekemisissä käytännön elämässä, kyky ylläpitää muotoa johtuu voimista, jotka vaikuttavat läheisten atomien välillä. Mutta sellainen "Ylipainoinen" keho, kuten maapallo, myös painovoimalla alkaa olla keskeinen rooli, jolla koko maapallon massa houkuttelee kutakin sen hiukkasia. Se olisi varmistanut pohjimmiltaan maapallon nykyisen muodon säilymisen, vaikka planeetastamme olisi tullut nestekappale. Näin ollen laskettaessa maapallon muodonmuutoksia ja arvioitaessa sen vahvuutta kokonaisuutena (eikä yksittäisiä kivinäytteitä), on otettava huomioon sekä maapallon aineen elastiset ominaisuudet että painovoiman vaikutus siihen.

Laboratoriot tutkivat vain muutaman kilometrin paksuisten maapallon ulkokerroksesta otettujen kivien mekaanisia ominaisuuksia. Tämä kerros vaikuttaa koko Maan vahvuuteen hieman enemmän kuin sen pinnalle levitetty ohut maalikerros vaikuttaa metallipallon lujuuteen.

Tietoa maan syvemmistä kerroksista antaa meille pääasiassa seismisten aaltojen etenemisen tutkimus. Ei ihme, että akateemikko B.B.Golitsyn kutsui maanjäristystä lyhdyksi, jonka hetken vilkkuessa voimme nähdä maapallon sisäosan. Mutta tätä vertailua kehitettäessä on sanottava, että tällaisen lyhdyn valo himmenee 2900 km: n syvyydessä maapallon pinnasta. Alla on maan ydin, jonka läpi kulkevat vain pituussuuntaiset seismiset aallot.

Joten koko maan voimakkuuden arvioimiseksi on otettava huomioon epähomogeenisesta elastisesta kuoresta ja ytimestä koostuvan gravitaatiopallon muodonmuutosten ja jännitysten ongelma. Kuinka kuoren tiheys ja elastisuusominaisuudet muuttuvat syvyyden kanssa, voidaan pitää tiedossa. Ytimen osalta on aloitettava hypoteeseista. Joten on luonnollista olettaa, että ydin, mahdollisesti sen keskiosaa lukuun ottamatta, on nestemäisessä tilassa, koska poikittaiset seismiset aallot eivät kulje sen läpi. (Huomaa, että hypoteesi maapallon nestemäisestä ytimestä otettiin huomioon jo ennen seismologian syntymistä. Mutta sitten se kumottiin, koska uskottiin, että maapallon kuori on vain muutama kilometri tai kymmeniä kilometrejä, ja sellainen kuori, jossa on nestemäinen ydin, kuten W. Thomson osoitti, oli sytyttää ytimen vuorovesi.)

Hypoteesien testaamiseksi ytimen ominaisuuksista on luonnollista kääntyä kokemuksen puoleen. Mutta millaista kokemusta voimme puhua, kun olemme tekemisissä maapallon koon kanssa? Minkä tahansa tuotteen lujuuden testaamiseksi näyte tuotteesta laitetaan erityiseen koneeseen, venytetään siinä, kierretään tai puristetaan. Tässä tapauksessa sekä käytetyt voimat että näytteen muodonmuutos kirjataan. Mutta meillä ei ole harkintamme mukaan mahdollisuutta kohdistaa maapalloon riittäviä voimia muuttaa sen muotoa edes vähän. Meidän on oltava tyytyväisiä siihen, mitä luonto itse antaa.

Vuorovesivirrat vaikuttavat jatkuvasti maapalloon ja venyttävät sitä pitkin suoria viivoja, jotka yhdistävät maapallon keskuksen kuun ja auringon keskipisteisiin. Maan pinta taipuu ilmamassojen kuormituksessa alueilla, joilla on korkea ilmanpaine. Kaikkiin maapallon hiukkasiin vaikuttaa keskipakovoima, joka on kohtisuorassa maapallon pyörimisakseliin nähden.On selvää, että tämän voiman suunta muuttuu, jos pyörimisakselin sijainti maapallon kehossa muuttuu. Ja tosiasia, että näin todella tapahtuu, todettiin viime vuosisadan lopulla.

Edellä mainittujen voimien suuruudet ja suunnat voidaan laskea. Jos sitten otamme minkä tahansa maapallomallin, voimme teoriassa löytää myös maapallon muodonmuutoksen, kun näitä voimia kohdistetaan siihen, esimerkiksi laskea, kuinka maapallon eri pisteiden etäisyydet sen keskustasta muuttuvat.

Otetaan esimerkiksi vuorovesi, joka, kuten on sanottu, venyttää maata pitkin suoraa linjaa, joka yhdistää sen keskipisteen O häiritsevän ruumiin keskipisteeseen L: kuuhun tai aurinkoon. Maapallon pinta, jos se olisi säännöllinen säde R, olisi sen vaikutuksen alaisena vallankumouksen ellipsoidina, jonka puoliava-akseli on suunnattu L: lle. Oletetaan, että onnistuimme laskemaan, mikä ero a - R on yhtä suuri tälle mallille. minkä tahansa maan pinnalla olevan pisteen vektorin säde.

Nämä muutokset ovat pieniä. Mikään maapallon teoreettisesti tarkastelluista malleista, p: n maksimivaihtelut P: n ja Kuun yhteisvaikutuksessa eivät saavuta metriä. On selvää, että tällaisia ​​muutoksia ei voida mitata suoraan.

Miksi meidän piti keksiä "painoton" valtameri? Kyllä, koska todellisen valtameren vuorovesi monimutkaistaa ilmiötä jonkin verran: se johtaa muutoksiin itse maan painovoimapotentiaalissa. Maan elastiset muodonmuutokset antavat samanlaisen vaikutuksen. Maan gravitaatiopotentiaalin muutoksen suhde ulkoiseen potentiaaliin, joka aiheuttaa sen, on merkitty symbolilla k. Parametreja h ja k kutsutaan rakkausluvuiksi englantilaisen geofyysikon mukaan, joka esitti nämä parametrit ensin kuvaamaan koko maan mekaanisia ominaisuuksia. Nämä parametrit lasketaan teoreettisesti maapallon eri malleille; he yrittävät määrittää ne analysoimalla havaintoja eri ilmiöistä. Mitä nämä ilmiöt ovat? Luetellaan tärkeimmät niistä:

1. Pitkäkestoiset vuorovesi valtamerissä ja järvissä.
2. Luotilinjan värähtelyt maankuoren suhteen, jotka havaitaan vaakasuuntaisilla heilureilla.
3. Gravimetreillä havaitut painovoiman vaihtelut suuruudessa.
4. Vuorovedet maanalaisissa säiliöissä.
5. Maanpinnan pisteiden välisten lineaaristen etäisyyksien muutokset mitattuna ekstensiometreillä.
6. Leveys- ja pituusasteiden vuorovesi-vaihtelut, joita tutkitaan tähtitieteellisillä menetelmillä.
7. Maan pyörimisakselin liike avaruudessa (nutaatio).
8. Maan pyörimisakselin liike suhteessa maahan itse (napojen siirtymä).
9. Maapallon vuorokausikierroksen vuorovesi vaihtelut (ajoittaiset muutokset päivän pituudessa).

Jos maapallon pyörimisakseli on kohtisuorassa renkaan tasoon nähden, ts. Se yhtyy mallin symmetria-akseliin, keskipakovoima ei vaikuta mallin pyörimiseen - se vain venyttää rengasta. Mutta heti kun pyörimisakseli poikkeaa symmetria-akselista, keskipakovoiman vaikutus alkaa ilmetä kuin voimaparin toiminta, joka ikään kuin pyrkii sovittamaan yhteen mainitut akselit. Vaikutus osoittautuu kuitenkin jonkin verran odottamattomaksi: pyörimisakseli ei ole linjassa symmetria-akselin kanssa, vaan se alkaa liikkua sen ympäri ja kuvailee kartiomaista pintaa maapallon kehossa. Tätä liikettä kutsutaan vapaaksi nutatoitumiseksi, ja sen jakso on lyhyempi, sitä suurempi renkaan massa.

Näin on ehdottoman vankalla maapallolla. Mutta jos otetaan huomioon, että maapallo on epämuodostunut eri voimien vaikutuksesta, kuva on monimutkaisempi. Vuorovesivoimat muuttavat maata siten, että sen puristus muuttuu jonkin verran koko ajan. Tämä tarkoittaa, että mallissamme renkaan massa muuttuu, ja tämä puolestaan ​​ilmenee maapallon pyörimisnopeuden heikoissa jaksollisissa vaihteluissa. Kun sen puristus pienenee, nopeus kasvaa ja maa alkaa ohittaa tasaisesti
käyttötunnit.(Lisääntyvän puristuksen myötä vaikutus on tietysti päinvastainen.) Vuoroveden teoriasta tiedetään, millä ajanjaksoilla maapallon kiertonopeuden tulisi muuttua: pienin niistä on lähellä 9 päivää, suurin - noin 19 vuotta. Näin ollen asia lopulta laskee vertaamalla maapallon tähtitieteellisistä havainnoista määritettyä kiertokulmaa moitteettomasti käyvän kellon lukemiin. Tällaisia ​​kelloja on nyt saatavilla - nämä ovat atomi- ja molekyylitaajuusstandardeja - ja vasta niiden käyttöönoton jälkeen aikamittauksissa oli toivoa havaita maapallon pyörimisnopeuden vuorovesi-vaihtelut. Nyt ne ovat jo löytäneet useat kirjoittajat. Tällä tavalla määritetty rakkausluku k on lähellä arvoa 0,3.

Tämä on yksi puoli asiasta. Mutta maapallon muodonmuutokset vaikuttavat sen pyörimiseen toisella tavalla. Suoritetaan seuraava henkinen kokeilu selittääksemme tarkalleen miten. Kuvitelkaamme, että maapallon kierto on pysähtynyt ja keskipakovoima ei enää vaikuta siihen. Lisäksi jos maa olisi ehdottoman kiinteä kappale, sen muoto pysyisi samana. Jos maa olisi nestemäinen kappale, se muodostaisi tavallisen pallon muodon. Massojen ekvatoriaalinen ylimäärä ja sen myötä mallissamme oleva rengas katoavat sitten kokonaan. Mutta todellisella maapallolla, kun sen pyöriminen pysähtyy, sisäiset elastiset voimat tulevat pelaamaan. He vastustavat painovoimia, ja tämän ansiosta maapallo pysyy edelleen puristettuna pallona, ​​vaikka sen puristus vähenee. Tämä tarkoittaa, että myös mallimme renkaan massa pienenee. Kuinka paljon? Tämä on pääkysymys, jonka ratkaisusta riippuu maapallon kovuuden arviointi.

Huomasimme, että vapaan ravitsemuksen aika on lyhyempi, sitä suurempi on ekvatoriaalinen massojen ylimäärä, ts. Renkaan massa. Täysin vankalle maapallolle tämä jakso olisi yhtä suuri kuin 305 päivää. Todellisuudessa, kuten maapallon napojen liikettä viimeisten 70 vuoden aikana koskevien tietojen analyysi osoittaa, se on lähellä 430 päivää. Tämä selitettiin sillä, että vapaan ravitsemuksen aika ei riipu koko päiväntasaajan ylimääräisestä massasta, vaan vain siitä osasta, joka ei häviä, jos keskipakovoiman vaikutus loppuu. Siksi on helppo laskea, että pyörimisen lopettaminen vähentää mallimme renkaan massaa 30%. (Tarkemmin sanottuna tämä rengas on jaettu kahteen, ja yksi niistä, joka sisältää noin kolmanneksen kokonaismassasta, asetetaan aina tasoon, joka on kohtisuorassa hetkelliseen pyörimisakseliin, eikä se vaikuta tämän akselin liikkumiseen maapallon kehossa.) Yllä oleva numero osoittaa, missä olosuhteissa olisi tasapaino painovoiman, joka pyrkii muuttamaan maapallon palloksi, ja elastisten voimien välillä, jotka pyrkivät pitämään muodonsa muuttumattomana.

Näiden töiden aikana joitakin päätelmiä maapallon pyörimisestä nestemäisellä ytimellä tarkennettiin.

Joten kävi ilmi, että nestemäisen ytimen vaikutuksen pitäisi johtaa muutoksiin joidenkin maapallon akselin värähtelyjen amplitudissa avaruudessa (pakotettu nutatio). Se ilmenee myös siitä, että vielä yksi heikko pyöreä liike, jonka ajanjakso on lähellä päiviä, lisätään jo tunnettuihin maapallon napojen liikkeen komponentteihin. Näiden vaikutusten löytäminen on haaste, joka on modernin tähtitieteen mahdollisuuksien rajalla. Mutta se oli kokeilemisen arvoinen. Ukrainalaiset tähtitieteilijät tekivät tällaisen yrityksen. Se osoittautui onnistuneeksi. Erityisesti N.A.Popov onnistui havaitsemaan Poltavan kahden zeniittitähden pitkäaikaiset havainnot, heikot leveysasteiden vaihtelut M.S.Modenskyn teorian ennustaman ajanjakson kanssa. Siten saatiin uusia argumentteja maapallon nestesydämen hypoteesin puolesta.

Nyt voimme sanoa, että koko maa näyttää olevan vahvempi kuin ontto teräspallo, jonka kuori on noin 3 000 km paksu. Seuraavaa voidaan kuitenkin vastustaa tällaisessa arvioinnissa. Kaikki johtopäätöksemme on tehty erittäin heikkojen muodonmuutosten tutkimuksesta. Voimmeko käyttää niitä, jos meidän on laskettava voimien toimet, jotka aiheuttavat paljon merkittävämpiä muodonmuutoksia ja jopa uhkaavat planeettamme eheyttä? Ilmeisesti se on mahdotonta ilman merkittäviä muutoksia.Mutta onko olemassa niin voimakkaiden voimien syntymisen uhka, että tällaiset laskelmat ovat tarpeen? Eikö näin tapahdu, esimerkiksi koska planeettamme kiertojärjestelmä häiriintyy merkittävästi? Luonnollisia syitä tähän on vaikea löytää. Eivätkö ihmiset kuitenkaan ajan mittaan voi muuttaa maapallon pyörimistä oman harkintansa mukaan? Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun tämä kysymys on esitetty.

Hänen tarinansa alkaa Jules Vernen romaanilla "Alhaalta ylös"... Se kertoo Arktisen teollisuusyrityksen hankkeesta kiertää maapallon akselia 23 ° kulmassa käyttäen tähän työntämistä, jonka tykki voi antaa maalle takaiskun takia laukaistuaan. Edellä mainitun yrityksen insinöörien laskelmien mukaan tätä varten on tarpeen ampua tykistä 180 tuhatta tonnia painava kuori. Tämä projekti herätti ensin kiinnostusta, sitten hälytystä ja lopulta paniikkia, koska sen toteuttaminen johtaisi moniin katastrofaalisiin seurauksiin.

Asia ei kuitenkaan päättynyt mihinkään. Kävi ilmi, että Arctic Companyn insinöörit tekivät laskelmissaan törkeän virheen: he eivät ottaneet huomioon sitä tosiasiaa, että maapallo ei ole pallo, mutta sillä on ylimääräinen massa päiväntasaajan vyössä. Eräs ranskalainen insinööri teki tämän massan huomioon ottaen uudet laskelmat ja osoitti, että ennustetun laukauksen vaikutuksesta maapallon navat liikkuvat sen pinnalla vain 3 mikronia.

Utelias, että tämä tarina, kuten kirjassa kerrotaan "Maan pyöriminen" Amerikkalaisilla geofyysikoilla Munkilla ja MacDonaldilla on moderni jatko-osa. Sisään. Vuonna 1956 pidettyjen presidentinvaalien aikana varapresidentin ehdokas senaattori Estes Kefauver sanoi, että vetypommien testien seurauksena maapallon akseli saattoi taipua 10 °. Tarkat laskelmat osoittavat kuitenkin toisin. Keskitehoisen vetypommin räjähdyksestä vapautuva energia riittää antamaan miljoonan tonnin ammuksen nopeuden 11 kilometriä sekunnissa. Mutta tykin takaisku, joka olisi ampunut tällaisen laukauksen, olisi siirtänyt maapallon napa vain yhdellä mikronilla. "Ja 70 vuotta Jules Vernen jälkeen,- huomaa kirjoittajat, - Washingtonin hallituksen jäsenet kieltäytyvät edelleen tunnustamasta massojen päiväntasaajan ylityksen olemassaoloa ja merkitystä "... Tämän seurauksena jopa supervoimaiset keinot, joita ihmisillä on nyt, eivät riitä vaikuttamaan merkittävästi maapallon pyörimiseen.

Joten planeettamme on riittävän vahva ja kestävä kestämään jaksottaisesti tai lyhyeksi ajaksi vaikuttavia voimia: ne vain muuttavat sitä hienovaraisesti. Mutta vaikutus voi olla erilainen, jos voimat vaikuttavat samaan suuntaan miljoonien vuosien ajan. Todennäköisesti suhteessa tällaisiin voimiin maa ei käyttäydy ihanteellisesti joustavana runkona, vaan muovisena runkona, joka muuttaa muotoaan, vaikkakin hitaasti, mutta merkittävästi.

Tässä olemme tulleet kysymyksiin maapallon evoluutiosta ja sisäisten prosessien roolista tässä. Ne aiheuttavat jännityksiä maapallon kehoon ylittäen joskus sen lopullisen voiman. On mahdollista, että samaan aikaan maapallon vuorovesi-muodonmuutoksilla ja jopa pienillä häiriöillä sen pyörimisen pysyvyydessä on joskus "laukaisimen" rooli eli viimeinen sokki, joka aiheuttaa murtumia ja siirtymiä maankuoressa ja vaipassa. Jälkimmäiset ilmiöt voivat puolestaan ​​vaikuttaa maapallon pyörimiseen, ja geofyysikot ja tähtitieteilijät etsivät nyt aktiivisesti tämän vaikutuksen ilmenemismuotoja.

E. Fedorov

Samanlaisia ​​julkaisuja

Kosmiset painovoiman tekijät ja elämä maan päällä

Astrospektrit laboratoriossa

Luonnollinen radioaktiivisuus