Тема 3. Геодезична і фізична характеристика Землі.

Питання теми

Форма і розміри Землі.

Рух Землі.

Фізичні властивості Землі.

Основні терміни: сфера, еліпсоїд обертання, трьохвісний еліпсоїд, геоїд, осьовий рух, орбітальний рух, кутова швидкість, лінійна швидкість, сила тяжіння, щільність, тиск, магнітні, теплові та електричні властивості.

Людину з давніх-давен цікавила форма і розміри Землі. Перші уявлення про вигляд Землі з’явились ще в античності. Сучасні методи досліджень дали можливість точно встановити форму і розміри Землі, а також дослідити особливості її руху у космічному просторі та вивчити фізичні властивості.

Форма і розміри Землі. Перші уявлення про форму і розміри Землі з’явились ще в античності. Піфагор висловив думку про кулеподібність Землі (V ст. до н.е.). Аристотель привів перші докази кулеподібності Землі: під час місячних затемнень на місяць падає тінь, яку може утворити лише кулеподібне тіло (ІІІ ст. до н.е.). Давньогрецький вчений Ератосфен (ІІ ст. до н.е.) вирахував розміри Землі. За його підрахунками радіус Землі дорівнював 6290 км (екваторіальний радіус 6378245м, полярний радіус 6356863м).

В XVII-XVIII століттях, коли для вивчення розмірів Землі стали використовувати точні методи вимірювання (тріангуляцію), було з’ясовано, що Земля має форму еліпсоїда, так як полярний і екваторіальний радіуси не рівні. Сплющеність Землі по вісі обертання теоретично підтвердив Ньютон в кінці XVII ст.

В результаті наступних досліджень було доведено, що Земля сплюснута не тільки на полюсах, а й по екватору, тобто є трьохвісним еліпсоїдом. В дійсності форма Землі є складнішою ніж трьохвісний еліпсоїд, так як на її поверхні є багато нерівностей - підвищення, впадини.

Фігури за допомогою яких намагаються описати форму Землі є певною ідеалізацією. Розглянемо відомі моделі Землі, починаючи звід найзагальнішої, вважаючи їх послідовним наближенням до істинної форми.

Перше наближення – сфера. Це найбільш загальна модель форми планети. В загальних задачах можна задовольнитись цією моделлю, оскільки сплющеність Землі на полюсах не має для деяких географічних процесів суттєвого значення.

Друге наближення – еліпсоїд обертання. Має чітко виражену вісь симетрії, екваторіальну площину симетрії, меридіональні площини. Ця модель використовується в геодезії для розрахунків, обчислення координат, побудови карт. Різниця довжин півосей еліпсоїда обертання становить 21 км., довжина великої осі – 6378,160 км., малої – 6356,777 км., ексцентриситет дорівнює 1/298,25.

Третє наближення – тривісний еліпсоїд. Встановлено, що в екваторіальній площині переріз Землі – також еліпсоїд, різниця довжин півосей якого близько 210 м., а ексцентриситет – 1/30000. Екваторіальне стиснення свідчить про складну внутрішню будову, що полягає в несиметричному розподілі мас. У географічних дослідженнях ця модель майже не використовується.

Четверте наближення – геоїд (геоїд – землеподібний). Форму геоїда можна уявити, якщо умовно з’єднати океани каналами, що перетинають материки в усіх напрямках. Поверхня геоїда близька до поверхні трьохвісного еліпсоїда і відхиляється від неї в ту чи іншу сторону приблизно на 100м; на материках вона трохи підвищується по відношенню до поверхні еліпсоїда, в океанах понижується (рис 1).

Розміри основних елементів Землі прирівнюють до розмірів основних елементів геометрично правильної фігури рівновеликого еліпсоїда, оскільки на математично правильній фігурі зручніше робити розрахунки. Розміри Землі за еліпсоїдом Красовського:

Радіус екваторіальний (R_е) 6378,2 км

Радіус полярний (R_п) 6356,9 км

Радіус рівновеликої кулі (R_о) 6371,2 км

Полярне сплющення (R_е-R_п) 21,3 км або 1:298,3

Екваторіальне сплющення 575 м або 1:30000

Довжина дуги меридіана 40008,6 км

Довжина дуги екватора 40075,7 км

Площа поверхні Земної кулі 510,1 млн. км²

Об’єм Земної кулі 10¹² км³

Маса Земної кулі 5,98·10²⁴ кг

Полярне сплющення Землі ():

,

де  – екваторіальний радіус,

 – полярний радіус.

Різниця в довжині радіусів 21 км. Загальна різниця між змінами висоти земної поверхні не перевищує цієї цифри. Наприклад, найвища точка земної поверхні – гора Джомолунгма у Гімалаях – має висоту 8882 м, найглибша океанічна западина – Маріанський жолоб – має глибину 11034 м. Різниця між ними майже 20 км.

 

Рис. 1. Форма Землі. Суцільні лінії – перпендикулярні до поверхні еліпсоїда, пунктирні – до геоїда. 1) маси над геоїдом; 2) море; 3) важкі маси.

Рух Землі. Земля бере участь у двох основних видах рухів: обертання навколо своєї осі і обертання навколо Сонця.

Навколо своєї осі Земля обертається із заходу на схід проти годинникової стрілки (якщо дивитись з Північного полюсу світу). Повний оберт Земля робить за 23 год. 56 хв. 4 с. Це - зоряна доба. Обертання Землі навколо осі зумовлює зміну дня і ночі.

Осьове обертання можна характеризувати кутовою та лінійною швидкістю. Кутова швидкість для всіх точок земної кулі однакова і дорівнює куту повороту тіла за одиницю часу. Вона вимірюється в градусах або радіанах.

Лінійна швидкість () - це швидкість з якою тіло рухається по колу. Вона залежить від географічної широти і найбільша на екваторі.

Швидкість обертання навколо осі постійно зменшується, відповідно тривалість доби за століття збільшується на 0,001с. За підрахунками тривалість доби з палеозойської ери до нашого часу збільшилась на 1,5 год. Також зміщуються полюси Землі відносно вісі обертання, але величина цього зміщення невелика.

Орбіта Землі має вигляд еліпса. Середня відстань від Сонця 150 млн. км. Наслідком орбітального руху Землі є зміна пір року. Це зумовлено тим, що вісь обертання Землі нахилена до площини орбіти під кутом 66^о33^о.

Фізичні властивості Землі. Земля має певні фізичні властивості. В результаті їх вивчення можна з’ясувати загальні особливості будови Землі, виявити родовища корисних копалин.

До фізичних властивостей Землі відносяться сила тяжіння, щільність, тиск, магнітні, теплові, електричні та інші властивості.

Сила тяжіння. На Землі постійно діють сила притягання і центробіжна сила. Рівнодіюча цих сил визначає силу тяжіння. Сила тяжіння закономірно змінюється по горизонталі – збільшується від екватора до полюсів, і по вертикалі – зменшується з висотою.

В зв’язку з нерівномірним розподілом речовин в земній корі, дійсне значення сили тяжіння відхиляється від теоретично обчисленого. Ці відхилення називаються аномалії сили тяжіння. Аномалії бувають позитивні (при наявності щільних гірських порід) і негативні (коли поширені не щільні породи).

Аномалії сили тяжіння вивчають за допомогою гравіметрів. Отримані дані допомагають при пошуку родовищ корисних копалин.

Щільність і тиск. Вивчення сили тяжіння дозволило визначити середню щільність Землі. Вона становить 5,52г/см³. Щільність порід, що утворюють земну кору 1,5-3,3 г/см³, середня щільність земної кори 2,7-2,8 г/см³.

Відмінність між середньою щільністю Землі і щільністю земної кори вказує на більшу щільність речовин у внутрішніх частинах Землі. Із збільшенням щільності у напрямку до центру Землі зростає і тиск. В центрі Землі він сягає 3,5·10¹¹ Па.

Магнетизм. Магнітні властивості мають не лише окремі мінерали, а й Земля в цілому. Земля – це гігантський магніт з магнітним силовим полем навкруги. Як будь-який магніт, Земля має магнітні полюси, які не співпадають з географічними полюсами. У зв’язку з наявністю магнітних полюсів, виділяють магнітні меридіани і магнітний екватор. Проявом магнітних властивостей Землі є напруженість геомагнітного поля.

Магнітні властивості Землі фіксуються на спеціальних картах. Значення магнітних величин не постійні, тому на картах фіксуються особливості елементів магнетизму лише на певний момент.

Крім закономірних змін магнітного поля, існують незакономірні коливання. Найбільші з них – магнітні бурі. Вони виникають раптово і тривають кілька днів. Під час магнітних бур стрілка компаса постійно коливається. Магнітні бурі пов’язані з посиленням корпускулярного випромінювання Сонця і найчастіше виникають при сонячних спалахах. Часто магнітні бурі відбуваються перед землетрусами. Це пов’язано з процесами, які відбуваються в надрах Землі.

Магнітні властивості мають феромагнітні мінерали – гематит, магнетит, ільменіт та інші. Їх великі скупчення у надрах Землі утворюють магнітні аномалії, наприклад Курська магнітна аномалія.

Завдяки неоднорідності магнітних властивостей різних порід можна вивчити будову земної кори, знайти родовища корисних копалин.

Теплота. Тепловий режим Землі зумовлений двома причинами – випромінюванням Сонця і теплотою земних надр. На поверхні Землі основним джерелом тепла є Сонце. Кожну хвилину 1см² поверхні землі отримує близько 8,13 Дж тепла (1,94 Кал) ця величина називається сонячною постійною. Кількість сонячного тепла в декілька тисяч разів перевищує тепло, яке виходить із надр Землі.

Третя частина сонячної променевої енергії, яка доходить до поверхні землі, відбивається у космічний простір. Кількість сонячного тепла, яке потрапляє на Землю, і кількість відбитої енергії не однакові для різних широт. Вони залежать від характеру розподілу води і суші, від повітряних і океанічних течій, від особливостей рельєфу і рослинного покриву.

Під впливом сонячного тепла відбуваються різноманітні процеси: кругообіг води, вивітрювання гірських порід, ґрунтоутворення та інші. Завдяки сонячній енергії виник і розвивається органічний світ.

Коливання температури на поверхні Землі досить значні. З глибиною вплив сонячного тепла зменшується і зникає. На деякій глибині від поверхні Землі знаходиться пояс постійної температури, де температура весь час однакова і дорівнює середній річній температурі даної місцевості. Сонячна теплота не проникає глибше 20-30 м від поверхні Землі.

Нижче поясу постійної температури під впливом внутрішнього тепла Землі температура закономірно підвищується.

Відстань (в метрах), на яку потрібно опуститись нижче поясу постійної температури, щоб отримати приріст температури на один градус, називається геотермічним ступенем. Його значення для земної кори 200 м, середнє значення 33 м.

Величина, зворотна геотермічному ступеню, називається геотермічним градієнтом. Він визначається зміною температури (в градусах) при заглибленні на кожні 100 м.

Значення геотермічного ступеня з глибиною постійно зростає. В центрі Землі температура сягає 4000-5000 °С.

Джерела внутрішньої теплової енергії Землі вивчені ще недостатньо. Основною причиною високих внутрішніх температур Землі вважають радіоактивний розпад елементів, в результаті якого виділяється велика кількість тепла. В результаті радіоактивного розпаду в надрах, щорічно виділяється (1,4-3,0) · 10²¹Дж енергії.

Більшість радіоактивних елементів знаходиться в земній корі, в менших кількостях вони присутні в мантії. Радіоактивні елементи дуже часто утворюють скупчення в земній корі – радіоактивні аномалії.

Пружність. При вивченні внутрішньої будови Землі велике значення має дослідження пружних властивостей гірських порід за допомогою сейсмічних хвиль. Сейсмічні хвилі – це пружні хвилі, які виникають при землетрусах чи штучних вибухах і поширюються в Землі к вигляді зникаючих коливань. Швидкість проходження таких хвиль залежить від щільності гірських порід. Внаслідок вивчення пружних властивостей порід, які утворюють земну кулю, виділено декілька різних за властивостями оболонок – геосфер.

В результаті вивчення швидкості проходження сейсмічних хвиль знаходять родовища нафти, природного газу та деяких інших корисних копалин.

Електричні властивості. Земна куля має електричні властивості. Земна електрика - телуричні струми - пов’язана з фізико-хімічними процесами, які протікають в Землі. Значний вплив на електричні властивості Землі здійснює магнітне поле. Електричні властивості різних гірських порід неоднакові. В результаті вивчення електропровідності гірських порід, їх електричного опору можна відшукати родовища корисних копалин і вирішити інші геологічні задачі.

Таким чином, форма, розміри і рух Землі визначають її зовнішній вигляд і впливають на процеси, які на ній відбуваються.

Будова Землі та її склад зумовлюють певні фізичні властивості. До них відносяться сила тяжіння, щільність, тиск, магнітні, теплові, електричні та інші властивості. В результаті вивчення фізичних властивостей можна з’ясувати загальні особливості будови Землі, виявити родовища корисних копалин.