Zemes stiprums

"Ak, ja arī šis pārāk smagais ķermenis izkusis, izšķīdis, kļuva par rasu!" Slavenais angļu ģeofiziķis Harolds Džefrišs šos Hamleta vārdus uzskatīja par epigrāfu vienā no savas grāmatas nodaļām "Zeme".

Patiešām, kas notiktu ar Zemi, ja tā pārvērstos par šķidrumu? No ikdienas pieredzes zinot, ka cietās vielas, kad tās izkūst, zaudē formu, mēs varētu sagaidīt, ka tas pats notiks ar Zemi. Bet patiesībā tas nenotiks. Tajos objektos, ar kuriem mums ir darīšana praktiskajā dzīvē, spēja saglabāt formu ir saistīta ar spēkiem, kas darbojas starp tuviem atomiem. Bet tāds "Smags" ķermenis, tāpat kā Zeme, arī gravitācijas spēks, ar kuru visa Zemes masa piesaista katru tās daļiņu, sāk spēlēt būtisku lomu. Tas būtu nodrošinājis Zemes pašreizējās formas saglabāšanu, pat ja mūsu planēta būtu kļuvusi par šķidru ķermeni. Līdz ar to, aprēķinot Zemes deformācijas un novērtējot tās stiprumu kopumā (nevis atsevišķus iežu paraugus), jāņem vērā gan Zemes matērijas elastīgās īpašības, gan gravitācijas ietekme uz to.

Laboratorijas pēta no dažu kilometru biezā Zemes ārējā slāņa paņemto iežu mehāniskās īpašības. Šis slānis ietekmē Zemes izturību kopumā nedaudz vairāk nekā plāns krāsas slānis, kas uzklāts uz tās virsmas, ietekmē metāla lodītes izturību.

Informāciju par dziļākiem Zemes slāņiem mums galvenokārt sniedz seismisko viļņu izplatīšanās izpēte. Ne velti akadēmiķis B. B. Golicins zemestrīci nosauca par laternu, kas, mirkli mirgot, ļauj mums redzēt Zemes iekšpusi. Bet, izstrādājot šo salīdzinājumu, mums jāsaka, ka šāda laternas gaisma aptumšo 2900 km dziļumā no Zemes virsmas. Zemāk ir Zemes kodols, caur kuru iet tikai gareniskie seismiskie viļņi.

Tātad, lai novērtētu Zemes stiprumu kopumā, jāņem vērā gravitācijas lodītes, kas sastāv no neviendabīgas elastīgas čaulas un kodola, deformāciju un spriegumu problēma. Kā var uzskatīt, kā čaulas blīvums un elastības īpašības mainās ar dziļumu. Attiecībā uz kodolu jāsāk ar hipotēzēm. Tādējādi ir dabiski pieņemt, ka kodols, iespējams, izņemot tā centrālo daļu, atrodas šķidrā stāvoklī, jo šķērsvirziena seismiskie viļņi tam nepāriet. (Ņemiet vērā, ka hipotēze par Zemes šķidro kodolu tika apsvērta jau pirms seismoloģijas parādīšanās. Bet pēc tam tā tika atspēkota, jo tika uzskatīts, ka Zemes apvalks ir tikai dažus kilometrus vai desmitus kilometru biezs, un šāds apvalks ar šķidru kodolu, kā parādīja V.Tomsons, sagrauj serdes plūdmaiņas.)

Lai pārbaudītu hipotēzes par kodola īpašībām, ir dabiski pievērsties pieredzei. Bet par kādu pieredzi mēs varam runāt, kad mums ir darīšana ar Zemes lieluma ķermeni? Patiešām, lai pārbaudītu jebkura izstrādājuma izturību, šī izstrādājuma paraugs tiek ievietots īpašā mašīnā, tajā izstiepts, savīts vai saspiests. Šajā gadījumā vienlaikus tiek reģistrēti gan pielietotie spēki, gan parauga deformācija. Bet mums nav iespējas pēc saviem ieskatiem pielietot uz Zemes pietiekamus spēkus, lai kaut nedaudz mainītu tās formu. Mums ir jāapmierinās ar to, ko dod pati daba.

Plūdmaiņas spēki pastāvīgi darbojas uz Zemes, izstiepjot to pa taisnām līnijām, kas savieno Zemes centru ar Mēness un Saules centriem. Zemes virsma zem gaisa masu slodzes nokrīt apgabalos ar augstu atmosfēras spiedienu. Visas Zemes daļiņas ietekmē centrbēdzes spēks, kas vērsts perpendikulāri Zemes rotācijas asij.Ir skaidrs, ka šī spēka virziens mainīsies, ja mainīsies rotācijas ass stāvoklis Zemes ķermenī. Un fakts, ka tas tiešām notiek, tika noskaidrots pagājušā gadsimta beigās.

Var aprēķināt iepriekš minēto spēku lielumu un virzienus. Ja pēc tam ņemam jebkuru Zemes modeli, tad teorētiski varam atrast arī Zemes deformāciju, kad šie spēki tam tiek piemēroti, piemēram, aprēķināt, kā mainīsies dažādu zemes virsmas punktu attālumi no tās centra.

Ņemsim, piemēram, plūdmaiņas spēku, kas, kā jau teikts, izstiepj Zemi pa taisnu līniju, kas savieno tās centru O ar satraucošā ķermeņa centru L: Mēnesi vai Sauli. Zem Zemes virsmas, ja tā būtu regulāra R rādiusa sfēra, būtu apgriezienu elipsoīda forma ar puslīnija asi, kas vērsta uz L. Pieņemsim, ka mums izdevās aprēķināt, kāda ir atšķirība a - R ir vienāds ar šo modeli. Tad mēs varam atrast jebkura zemes virsmas punkta vektora p garuma izmaiņas.

Šīs izmaiņas ir mazas. Nevienam no teorētiski aplūkotajiem Zemes modeļiem maksimālās p garuma svārstības Mēness un Saules kopīgā ietekmē nesasniedz vienu metru. Ir skaidrs, ka šādas izmaiņas nevar tieši izmērīt.

Kāpēc mums bija jāizdomā "bezsvara" okeāns? Jā, jo plūdmaiņas reālajā okeānā zināmā mērā sarežģī šo parādību: tas noved pie izmaiņām pašas Zemes gravitācijas potenciālā. Zemes elastīgās deformācijas dod līdzīgu efektu. Zemes gravitācijas potenciāla izmaiņu attiecību pret ārējo potenciālu, šīs izmaiņas to izraisot, apzīmē ar simbolu k. Parametri h un k tiek saukti par mīlas skaitļiem pēc angļu ģeofiziķa, kurš vispirms ieviesa šos parametrus, lai raksturotu Zemes mehāniskās īpašības kopumā. Tieši šie parametri tiek teorētiski aprēķināti dažādiem Zemes modeļiem; viņi mēģina tos noteikt pēc dažādu parādību novērojumu analīzes. Kādas ir šīs parādības? Uzskaitīsim svarīgākos no tiem:

1. Ilgtermiņa plūdmaiņas okeānos un ezeros.
2. Plumbas līnijas vibrācijas attiecībā pret zemes garozu, kuras tiek novērotas ar horizontālām svārstēm.
3. Gravitācijas lieluma svārstības, kas novērotas ar gravimetriem.
4. Plūdmaiņas pazemes ūdenskrātuvēs.
5. Izmaiņas lineārajos attālumos starp punktiem uz zemes virsmas, mērot ar ekstensiometriem.
6. Plūdmaiņu un garuma plūdmaiņu svārstības, kuras pēta ar astronomiskām metodēm.
7. Zemes rotācijas ass kustība kosmosā (nutācija).
8. Zemes rotācijas ass kustība attiecībā pret pašu Zemi (stabu pārvietošanās).
9. Zemes ikdienas rotācijas ātruma plūdmaiņas (periodiskas izmaiņas dienas garumā).

Ja Zemes rotācijas ass ir perpendikulāra gredzena plaknei, tas ir, sakrīt ar modeļa simetrijas asi, centrbēdzes spēks neietekmēs modeļa rotāciju - tas tikai izstieps gredzenu. Bet, tiklīdz rotācijas ass novirzās no simetrijas ass, centrbēdzes spēka darbība sāk izpausties kā spēku pāra darbība, kas it kā cenšas saskaņot minētās asis. Tomēr efekts izrādās nedaudz negaidīts: rotācijas ass nav saskaņota ar simetrijas asi, bet sāk kustēties ap to, aprakstot konisko virsmu Zemes ķermenī. Šo kustību sauc par brīvu uzturu, un tās periods ir īsāks, jo lielāka ir gredzena masa.

Tas ir gadījumā ar absolūti cieto Zemi. Bet, ja ņemam vērā, ka Zeme tiek deformēta dažādu spēku ietekmē, aina būs sarežģītāka. Plūdmaiņas spēki deformē Zemi tā, ka tās saspiešana visu laiku nedaudz mainās. Tas nozīmē, ka mūsu modelī gredzena masa mainīsies, un tas, savukārt, izpaudīsies Zemes rotācijas leņķiskā ātruma vājās periodiskās svārstībās. Kad tā saspiešana samazinās, ātrums palielinās un Zeme sāk vienmērīgi apdzīt
darba stundas.(Palielinoties saspiešanai, efekts, protams, būs pretējs.) No plūdmaiņu teorijas ir zināms, ar kādiem periodiem Zemes rotācijas leņķa ātrumam vajadzētu mainīties: mazākais no tiem ir tuvu 9 dienām, lielākais - apmēram 19 gadus. Tādējādi jautājums galu galā nonāk pie Zemes rotācijas leņķa salīdzināšanas, ko nosaka pēc astronomiskiem novērojumiem, ar nevainojami darbojoša pulksteņa rādījumiem. Šādi pulksteņi tagad ir pieejami - tie ir atomu un molekulāro frekvenču standarti -, un tikai pēc to ieviešanas laika mērījumu praksē bija cerība atklāt Zemes rotācijas ātruma plūdmaiņu svārstības. Tagad tos jau ir atraduši vairāki autori. Šādi noteikts Mīlestības skaitlis k ir tuvu 0,3.

Šī ir viena no jautājuma pusēm. Bet Zemes deformācijas citādi ietekmē tās rotāciju. Lai precīzi izskaidrotu, kā to izdarīt, izdarīsim šādu garīgo pieredzi. Iedomāsimies, ka Zemes rotācija ir apstājusies un centrbēdzes spēks uz to vairs nedarbojas. Turklāt, ja Zeme būtu absolūti ciets ķermenis, tās forma paliktu nemainīga. Ja Zeme būtu šķidrs ķermenis, tas iegūtu parastas bumbas formu. Tad ekvatoriālais masu pārpalikums un līdz ar to gredzens mūsu modelī vispār izzustu. Bet uz reālās Zemes, kad tās rotācija apstājas, spēlē iekšējie elastīgie spēki. Viņi iebildīs pret gravitācijas spēkiem, un, pateicoties tam, Zeme joprojām paliks saspiests sferoīds, lai gan tās saspiešana samazināsies. Tas nozīmē, ka samazināsies arī mūsu modeļa gredzena masa. Cik daudz? Tas ir galvenais jautājums, no kura risinājuma ir atkarīgs Zemes cietības novērtējums.

Mēs atzīmējām, ka brīvās barošanās periods ir īsāks, jo lielāks ir ekvatoriālais masu pārsniegums, tas ir, gredzena masa. Absolūti cietai Zemei šis periods būtu vienāds ar 305 dienām. Patiesībā, kā liecina datu analīze par Zemes stabu kustību pēdējo 70 gadu laikā, tas ir tuvu 430 dienām. Tas tika izskaidrots ar to, ka brīvās barošanās periods nav atkarīgs no visa ekvatoriālā masu pārpalikuma, bet tikai no tās daļas, kas nepazustu, ja centrbēdzes spēka darbība beigtos. Tādējādi ir viegli aprēķināt, ka rotācijas pārtraukšana samazina mūsu modeļa gredzena masu par 30%. (Precīzāk, šis gredzens ir sadalīts divās daļās, un viens no tiem, kas satur apmēram trešdaļu no kopējās masas, vienmēr ir uzstādīts plaknē, kas ir perpendikulāra momentānai rotācijas asij, un neietekmē šīs ass kustību Zemes ķermenis.) Šis skaitlis parāda, kādos apstākļos būtu līdzsvars starp gravitācijas spēkiem, kas cenšas pārvērst Zemi par bumbu, un elastīgajiem spēkiem, kas cenšas saglabāt tās formu nemainīgu.

Šo darbu gaitā tika precizēti daži Zemes rotācijas ar šķidru kodolu teorijas secinājumi.

Tādējādi izrādījās, ka šķidrā kodola ietekmei vajadzētu izraisīt izmaiņas dažu zemes ass svārstību amplitūdās kosmosā (piespiedu nutācija). Tas izpaužas arī ar to, ka jau zināmajām Zemes stabu kustības sastāvdaļām tiek pievienota vēl viena vāja apļveida kustība ar periodu, kas tuvu dienām. Šo efektu atrašana ir izaicinājums, kas atrodas uz mūsdienu astronomijas iespēju robežas. Bet bija vērts mēģināt. Šādu mēģinājumu veica ukraiņu astronomi. Tas izrādījās veiksmīgs. Konkrēti, N.A.Popovam, ilgstoši novērojot divas zenītzvaigznes Poltavā, izdevās atklāt vājas platuma svārstības ar periodu, ko paredzēja M.S.Modenska teorija. Tādējādi tika iegūti jauni argumenti par labu Zemes šķidrā kodola hipotēzei.

Tagad mēs varam teikt, ka Zeme kopumā šķiet stiprāka par dobu tērauda lodi ar apmēram 3 tūkstošu km biezu apvalku. Tomēr šādam novērtējumam var iebilst: Visi mūsu secinājumi tika izdarīti, pētot ļoti vājas deformācijas. Vai mēs varam tos izmantot, ja mums jāaprēķina spēku darbības, kas izraisa daudz nozīmīgākas deformācijas un pat apdraud mūsu planētas integritāti? Acīmredzot tas nav iespējams bez būtiskām korekcijām.Bet vai pastāv tik spēcīgu spēku parādīšanās draudi, ka šādi aprēķini kļūs nepieciešami? Vai tas nenotiks, teiksim, jo ​​mūsu planētas rotācijas režīms tiks būtiski izjaukts? Dabiskus iemeslus tam ir grūti atrast. Tomēr laika gaitā cilvēki nevarēs mainīt Zemes rotāciju pēc saviem ieskatiem? Šis jautājums netiek uzdots pirmo reizi.

Viņa stāsts sākas ar Žila Verna romānu "Kājām gaisā"... Tas stāsta par Arktikas rūpniecības uzņēmuma projektu pagriezt zemes asi 23 ° leņķī, šim nolūkam izmantojot grūdienu, ko lielgabals var dot zemei ​​atsitiena dēļ, kad to izšauj. Pēc iepriekšminētā uzņēmuma inženieru aprēķiniem, tam no lielgabala nepieciešams izšaut 180 tūkstošus tonnu smagu šāviņu. Šis projekts vispirms izraisīja interesi, pēc tam satraukumu un, visbeidzot, paniku, jo tā īstenošana novestu pie daudzām katastrofālām sekām.

Tomēr lieta beidzās ar neko. Izrādījās, ka savos aprēķinos Arktikas uzņēmuma inženieri pieļāva rupju kļūdu: viņi neņēma vērā faktu, ka Zeme nav bumba, bet tai ir papildu masa ekvatoriālajā joslā. Ņemot vērā šo masu, viens franču inženieris veica jaunus aprēķinus un parādīja, ka projicētā šāviena iedarbībā Zemes stabi pārvietosies pa tās virsmu tikai par 3 mikroniem.

Interesanti, ka šis stāsts, kā stāstīts grāmatā "Zemes rotācija" Amerikāņu ģeofiziķiem Munam un Makdonaldam ir mūsdienīgs turpinājums. In. Prezidenta vēlēšanu laikā 1956. gadā viceprezidenta amata kandidāts senators Estes Kefauvers sacīja, ka ūdeņraža bumbu izmēģinājumu rezultātā Zemes ass varētu novirzīties par 10 °. Tomēr precīzi aprēķini rāda pretējo. Ar vidējas jaudas ūdeņraža bumbas eksploziju izdalītā enerģija būtu pietiekama, lai miljonu tonnu smags šāviņš dotu ātrumu 11 kilometri sekundē. Bet lielgabala atsitiens, kas būtu izšāvis šādu šāvienu, Zemes stabu būtu nobīdījis tikai par vienu mikronu. “Un 70 gadus pēc Žila Verna,- ņemiet vērā autorus, Vašingtonas valdības locekļi joprojām atsakās atzīt masu ekvatoriālā pārsnieguma esamību un nozīmi "... Līdz ar to pat ļoti spēcīgie līdzekļi, kas cilvēkiem tagad ir, nav pietiekami, lai tiem būtu kāda ievērojama ietekme uz Zemes rotāciju.

Tātad, mūsu planēta ir pietiekami izturīga un izturīga, lai izturētu spēkus, kas darbojas periodiski vai īslaicīgi: tie to tikai smalki deformē. Bet efekts var būt atšķirīgs, ja spēki miljoniem gadu darbojas vienā virzienā. Iespējams, attiecībā uz šādiem spēkiem Zeme izturas nevis kā ideāli elastīga, bet gan kā plastmasas ķermenis, kas maina savu formu, lai arī lēnām, bet ievērojami.

Šeit mēs nonākam pie jautājumiem par Zemes evolūciju un lomu, ko šajā spēlē iekšējie procesi. Tie rada spriedzi zemes ķermenī, dažkārt pārsniedzot tā galveno spēku. Iespējams, ka tajā pašā laikā Zemes plūdmaiņu deformācijas un pat nelieli traucējumi tās rotācijas nemainībā dažkārt spēlē "sprūda" lomu, tas ir, pēdējo šoku, kas izraisa plīsumus un nobīdes Zemes garozā un apvalkā. . Savukārt pēdējās parādības var ietekmēt Zemes rotāciju, un ģeofiziķi un astronomi tagad aktīvi meklē šīs ietekmes izpausmes.

E. Fedorovs

Līdzīgas publikācijas

Kosmiskie gravitācijas un dzīvības faktori uz Zemes

Astro spektri laboratorijā

Dabiskā radioaktivitāte