Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров.

Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2) m/c 2 , где m -масса тела.

Магнитное поле (рис. 4.) над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R , с ночной - вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R ; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·10 25 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет (по другим источникам 750 тыс.лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс.лет (500 тыс.лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2-4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.

Рис. 4. Магнитное поле Земли.

В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю намагниченного стержня (диполя), который смещен относительно центра Земли к Тихому океану и наклонен к земной оси. В настоящее время это смещение составляет 451 км, а наклон равен 11°. Сила и форма геомагнитного поля постепенно меняются, причем масштаб времени этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля обозначается векторной величиной F или B, а единицами измерения являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (г) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла= 10 -5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I , т.е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т.е. азимутом - углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных полюсов Земли на 1985г:

Северный магнитный полюс – 77 о 36" с.ш.; 102 о 48" з.д.

Южный магнитный полюс – 65 о 06" ю.ш.; 139 о 00" в.д.

Положение геомагнитных полюсов на 1985г:

Северный геомагнитный полюс – 78 о 48" с.ш.; 70 о 54" з.д.

Южный геомагнитный полюс – 78 о 48" ю.ш.; 109 о 06" в.д.

Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе -около 0,4 Э.

Приборы Центрального военно-технического института Сухопутных войск (ЦНИВТИ СВ) зафиксировали в начале 2002 года, что магнитный полюс Земли сместился на 200 км. По мнению ученых, аналогичное смещение магнитных полюсов произошло и на других планетах Солнечной системы по видимому по причине, что Солнечная система проходит "определенную зону галактического пространства и испытывает влияние со стороны других космических систем, находящихся рядом". "Переполюсовка" повлияла на ряд процессов, происходящих на Земле. Так, "Земля через свои разломы и так называемые геомагнитные точки сбрасывает в космос избыток своей энергии, что не может не сказаться как на погодных явлениях, так и на самочувствии людей". Кроме того избыточные волновые процессы, возникающие при сбросе энергии Земли, влияют на скорость вращения нашей планеты. По данным Центрального военно-технического института, "примерно каждые две недели эта скорость несколько замедляется, а в последующие две недели наблюдается определенное ускорение ее вращения, выравнивающее среднесуточное время Земли". Смещение магнитного полюса Земли не влияет на географические полюса планеты, то есть точки Северного и Южного полюсов остались на месте.

Геомагнитное поле Земли и радиационные пояса. Выше ионосферы расположена магнитосфера Земли или геомагнитное поле (заполнено плазмой), которое экранирует поверхность Земли от потоков космических лучей и является геомагнитной ловушкой для заряженных частиц, источником которых являются космические лучи, солнечный ветер (особенно во время солнечных бурь). Она заполнена частицами высоких энергий, образующими радиационные пояса Земли. Частицы, захваченные в геомагнитную ловушку, совершают колебательные движения из одного полушария в другое, двигаясь вдоль силовых линий, одновременно прецессируя вокруг них и дрейфуя по долготе из-за неоднородности геомагнитного поля. Время колебаний частиц составляет от 10-3 до 10-1с.

Радиационные пояса – внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3–4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс – на высоте ок. 22 тыс. км. Радиационный пояс - источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными поясами обладают Юпитер и Сатурн.

Электрическое поле (рис. 5.) над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз – это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Рис. 5. Электрическое поле над поверхностью Земли.

Две кольцеобразные области вокруг Земли с высокой концентрацией высокоэнергичных электронов и протонов, которые были захвачены магнитным полем планеты. Пояса были обнаружены первым американским искусственным спутником Земли "Эксплорер-1", запущенным 31 января 1958 г. Пояса названы по имени Джеймса Ван Аллена - физика, руководившего экспериментом на "Эксплорере-1". Внутренний пояс Ван Аллена лежит над экватором на высоте около 0,8 земных радиусов. Во внешнем поясе область наибольшей концентрации находится на высоте от 2 до 3 земных радиусов над экватором, а обширная область, простирающаяся от внутреннего пояса до высоты 10 земных радиуса, содержит протоны и электроны более низкой энергии, которые, по-видимому, принесены в основном солнечным ветром. Поскольку магнитное поле Земли отклоняется от оси вращения планеты, внутренний пояс опускается вниз к поверхности в Южной части Атлантического океана, недалеко от побережья Бразилии. Эта Южноатлантическая аномалия представляет потенциальную опасность для искусственных спутников. В 1993 г. в пределах внутреннего пояса Ван Аллена была обнаружена область, содержащая частицы, которые проникли туда из межзвездного пространства.

Форма Земли – геоид- не имеет правильной геометрической формы, Поэтому там, где это допустимо, поверхность геоида заменяется приближенными матем-ми моделями, в кач-ве которых принимает-ся в одних случаях земной сфероид, в других – земной шар. Земной сфероид – эллипсоид вращения получается вращением эллипса вокруг его малой оси b, совпадающей с осью вращения Земли, причем центр эллипсоида совмещается с центром Земли. Особенности строения фигуры Земли полностью учитываются при математической обработке высокоточных геодезических измерений. Ввиду малости сжатия при решении многих задач за фигуру Земли с достаточной для практических целей точностью можно принимать сфе-ру, равновеликую по объему земному эллипсоиду. Размеры которо-го: экваториальный радиус -6378 км, полярный радиус -6357 км, ср радиус 6371, длина меридиана 40009 км, длина экватора -40077 км, его диаметр 12756 км, поверх-ть З – 510 млн км2, ср выс суши 875 м, ср глуб МО 3800м.

Движение З-ли. Принято учитывать орбитальное и суточное вращения, движение системы Земля-Луна, изменение скорости вращения З-ли, а также колебание оси вращения. Орбитальное движение: движется по эллиптической орбите, в одной из фокусов которой расположено Солнце, скорость - 29,8 км\с, период - год. Скорость движения тем выше, чем меньше радиус - вектор (расстояние от Земли до Солнца). Оно в течении года меняется незначительно: в перигелии (начало января) оно уменьшается, в афелии увеличивается. Земная ось наклоненная по отношению к плоскости орбиты под углом 66 33. С наклоном земной оси связано наличие тропиков и полярных кругов. Время, за кото-рое земная ось описывает полный конус, называется прецессион-ным ритмом. Суточное вращение Земли вокруг оси против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса. Следствия: 1) смена дня и ночи; 2) деформация фигуры Земли (полярное сжатие - нарастание центробежной силы); 3)существование силы Кориолиса (чем больше угловая скорость вращения, тем больше сила Корио-лиса); 4) суперпозиция центробежной силы и силы тяготения, да-ющая силу тяжести (центробежная - от нуля на полюсах до мак-симального значения на экваторе; максимально значение силы тя-жести на полюсе).

Движение сис-мы Земля-Луна. Луна создаёт приливное торможение суточного вращения нашей планеты. При-ливное торможение, вызываю замедление вращения, уменьшает полярную сплюснутость и силу Кориолиса, т.е. влияет на циркуля-цию атмосферы и океаносферы, от чего зависят условия климата. Изменение скорости вращения Земли. Неравномерность суточного вращения - среднемесячное отклонение. Движение полюсов Земли. Если ось вращения не совпадает с осью фигуры Земли, то должно происходить движение географических полюсов вокруг полюсов фигуры с периодом 305 звёздных суток. Непрерывное смещение оси вращения внутри тела Земли - прецессии, (через изменение центробежной силы) Перемещение полюсов в пространстве - нута-ция. Вследствие нутации происходит перераспределение масс воз-духа при смене сезонов. Изменение наклона уровня Мирового оке-ана, интенсивность океанических течений, характер взаимодей-ствия между океаном и атмосферой, изменение атмосферной цир-куляции.

Физические поля Земли включают гравитационное, магнитное, и тепловое поля. Они охватывают не менее 2 млн. км. Эти пределы определяются гравитационными и электромагнитными по-лями. Гравитац поле составляет 2сферы: 1. Сфера Хилла, радиус этой сферы составляет около 1,5 млн км и определяет расстояние, на котором могут двигаться тела, оставаясь спутниками Земли.2. Сфера, радиус которой 260тыс км, в пределах которого земное притяжение превышает солнечное. Гравитац-ные взаимодействия Солнца, а также и других планет на земную орбиту вызывают вековые возмущения колебательного характера, которые существенно влияют на состояние биосферы и человека. Гравит поле определяет силу тяжести на поверхности. Ускорение свобод-ного падения на З различ-ся в зависимости от распределения плот-ности пород, неровности поверхности для конкретной местности. Ср. для всей пов-ти 9,8м/с. Магнитное поле простирается на расстояние около 10 земных радиусов (100-200 тыс. км). Напряженность магнитного поля на поверхности Земли неодинакова. В полярных областях она достигает 8.103 -9.103 А/м, а на экваторе напряжен-ность уменьшается до 5.103 А/м. По мере удаления от Земли напряженность уменьшается пропорционально кубу расстояния. Тепловое поле Земля имеет как всякое нагретое тело. Факторы, обусловливающие нагревание Земли, делятся на внешние (солнечная энергия, приливное трение, космическое излучение) и внутренние (теплопередача из глубины Земли, термальные воды, вулканизм, землетрясения, хозяйственная деятельность человека). Основным источником теплового поля является Солнце. Температура на поверхности Земли колеблется в достаточно больших пределах.

Вокруг Земли существуют различные геофизические поля: магнитное, гравитационное, электрическое, геотермическое и др., влияющие на процессы в географической оболочке.

4.1. Магнитное поле Земли

Земля – большой магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, называют магнитосферой (рис. 19). Она асимметрична по форме. Ее внешняя граница – магнитопауза (шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10–14 земных радиусов (магнитосфера сжата под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900–1000 земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы. Благодаря существованию магнитосферы магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении магнитных силовых линий. Большой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка компаса, называется магнитным меридианом данной точки. Магнитные меридианы не образуют на земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых магнитными полюсами. Они не совпадают с географическими полюсами и медленно изменяют свое местоположение, «дрейфуя» со скоростью 7 – 8 км/год. Поэтому на географических картах их изображают не точками, а кружками. Магнитный полюс северного полушария в 1985 г. находился в Северном Ледовитом океане, среди островов Канадского Арктического архипелага (77°36" с. ш. и 102°48" з. д.); магнитный полюс южного полушария – в Индийском океане, близ побережья Антарктиды, у Земли Виктории (65°06" ю. ш. и 139°00" в. д.). Магнитные полюса не являются антиподальными точками. Первый из них смещается в направлении Северного полюса, второй – в сторону Австралии. Ожидается, что приблизительно в 2185 г. магнитный и географический полюса в северном полушарии окажутся в одной точке.

Рис. 19. Головная часть магнитосферы Земли (по М. М. Ермолаеву)

Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение – угол между истинным направлением на север, т. е. географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнитной стрелки компаса к востоку от географического меридиана склонение называется восточным и имеет знак «плюс» (положительное), при отклонении к западу – западным и имеет знак «минус» (отрицательное). Магнитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например, магнитное склонение Москвы около +8° (рис. 20). Чтобы узнать направление географического меридиана, надо от направления северного конца магнитной стрелки компаса отсчитать к западу (против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса укажет направление на север. Линии одинакового магнитного склонения называются изогонами. Их значение изменяется от 0° до ±180°. Нулевую изогону называют агонической линией. Она разделяет области восточного и западного склонения, проходя через оба географических и оба магнитных полюса. На ней стрелки компаса показывают на географические полюса, поскольку географический и магнитный меридианы совпадают.

Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до +90°. На магнитных полюсах оно равно + 90° и –90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки направлен вниз (+90°), в южном – красный (–90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии, соединяющие точки с одинаковым магнитным наклонением, называют изоклинами. Нулевая изоклина – магнитный экватор – проходит примерно вдоль географического экватора: чуть южнее – в западном полушарии, чуть севернее – в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных полушария.

Сила магнитного поля характеризуется напряженностью. Величина ее увеличивается от магнитного экватора к полюсам. В северном полушарии она больше, нежели в южном, а в целом запасы энергии магнитосферы огромны. В некоторых районах Земли напряженность реального магнитного поля из-за неоднородности внутреннего строения Земли отличается от нормального (теоретического) поля, т. е. такого, какое было бы у Земли, если бы она была однородно намагниченным шаром. Эти отклонения называют магнитными аномалиями. Крупные мировые аномалии наблюдаются в Восточной Сибири, в районе Зондских островов и т. д.; региональными являются Курская, Криворожская и др., а локальных много.

Рис. 20. Магнитное склонение

Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхождения – постоянного и переменного. Главная составляющая – постоянное поле (99% по величине). Его образование обусловлено динамическими процессами в ядре Земли. Постоянное поле более или менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания – суточные, годовые, вековые. Переменное поле (1% по величине) вызвано внешними причинами – воздействием солнечного ветра и связанными с ним электрическими токами в магнитосфере и верхних слоях атмосферы. Они вызывают, как правило, непериодические резкие возмущения всех элементов земного магнетизма, т. е. магнитные бури, которые сопровождаются полярными сияниями, ухудшением радиосвязи на коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Несмотря на некоторую беспорядочность, магнитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.

Значение магнитосферы исключительно велико. Она выполняет изолирующую роль для корпускулярной солнечной радиации, солнечный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa – главный невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве солнечная плазма с дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а затем в верхние слои атмосферы – так называемую ионосферу до высот 80–100 км. Для всех просочившихся заряженных частиц магнитосфера оказывается своеобразной ловушкой. Попав в нее, заряженные частицы двигаются по замкнутым траекториям вдоль магнитных силовых линий, образуя радиационные пояса", внутренний (протонный) с максимальной концентрацией частиц на высоте 3 – 4 тыс. км над экватором и внешний (электронный) – на высоте около 22 тыс. км. Таким образом, магнитосфера – наш «магнитный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы, она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все живое от гибели.

Экспериментально доказана зависимость функций растений (расположение семян, корней, темпа их роста и урожайность) и животных (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых) от ориентации их в магнитном поле. Это явление в органическом мире получило название магнитотропизма. Медико-биологические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых приступов у людей, распространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве, аварий на дорогах и т. д.) свидетельствуют о связи перечисленных явлении с изменениями магнитного поля Земли.

Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных электромагнитных полях, создаваемых промышленными установками, телецентрами, ЛЭП и т. д. Механизм действия магнитных полей на биологические объекты – явление очень сложное, и расшифровка его – дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы – энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.

Магнитное поле Земли помогает ориентироваться в пространстве изыскательским партиям, кораблям, подводным лодкам, самолетам, туристам. При использовании компаса для определения сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают направление географического меридиана. По некоторым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии указывают на месторождения железорудных полезных ископаемых, поэтому для поисков их широко применяют магнитометрические методы разведки.

Таково в общих чертах влияние геомагнитного поля на природные процессы Земли.

План лекции

1.1.Форма и основные параметры Земли.

1.2. Гравитационное поле Земли.

1.3. Тепловое поле Земли.

1.4. Магнитное поле Земли.

Геология как наука, изучающая, прежде всего, нашу планету и ее верхнюю каменную оболочку, не оставляет без внимания и окружающей ильный мир - Вселенную. Это обусловлено тем, что в строении и Земли имеются определенные черты сходства и различия с планетами; некоторые геологические процессы непосредственно связаны с космическими явлениями.

Земля - типичная планета Солнечной системы – характеризуется наличием хорошо развитых внутренних и внешних оболочек.

1.1. Форма и основные параметры Земли

Под фигурой, или формой Земли, понимают форму ее твердого тела, образованную поверхностью материков и дном морей и океанов. Форма планеты определяется ее вращением, соотношением сил притяжения и центробежной силы, плотностью вещества и его распределением в теле

Геодезические измерения показали, что упрощенная фирма Земли приближается к ЭЛЛИПСОИДУ ВРАЩЕНИЯ (СФЕРОИДУ). Полярный радиус Rn 6356,8 км, экваториальный - 6378,2 км, разница между радиусами составляет 21,4 км.

Детальные измерения показали, что Земля имеет более сложную форму. Эта фигура, свойственная только Земле, получила название ГЕОИДА. В любой точке геоида вектор силы тяжести перпендикулярен к его поверхности, которая может быть получена продолжением поверхности Мирового океана под континентами. Именно поверхность геоида принимается за базовую при отсчете высот в топографии, геодезии, маркшейдерии.

Геоид и сфероид не совпадают, и расхождения между положением их поверхностей достигает 160 км (в СССР 100 м). По наиболее точным последним данным, установлено, что Земля имеет грушевидную форму (т.е. сердцевидного) трехосного эллипсоида.

Масса Земли составляет 5,977 10 21 т, объем 1,083 млрд.км 3 , площадь 510 млн. км 2 . Средняя плотность Земли равна 5,52 г/см 3 . Установлено, что внешняя, каменная часть земной коры имеет среднюю плотность 2,8 г/см 3 . Таким образом, чтобы общая плотность равнялась 5,52, внутренняя часть Земли должна быть плотнее, чем наружная. Возрастание плотности с глубиной можно объяснить различиями в составе и той огромной силой, с которой внешние части Земли давят на внутренние. Предполагается, что внутренне ядро имеет плотность около 13 г/см 3 ,что, по-видимому соответствует состоянию металлического железа при этом давлении.

1.2. Гравитационное поле Земли

Физические поля, создаваемые планетой в целом и отдельными изолированными телами, определяются совокупностью присущих каждому физическому объекту свойств. Важное значение имеет изучение геофизических полей при исследовании физических свойств горных пород в образцах и массиве. Изучение свойств и интерпретация полученных данных должны базироваться на знании общих и локальных закономерностей строения физических полей Земли.

Огромная масса Земли является причиной существования сил

притяжения, которые воздействуют на вое тела и предметы, находящиеся на ее поверхности. Пространство, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести или гравитационным полем (лат."гравитас"-тяжесть).Оно отражает характер распределения масс в недрах и тесно связано с фигурой Земли. Для каждой точки земной поверхности характерна своя величина силы тяжести, в центре Земли сила тяжести равна нулю.

Сила тяжести численно равна равнодействующей силы притяжения и центробежной силы Р, действующих на единицу массы вещества

В системе СGS величина силы тяжести выражается в галлах (см/сек В практике часто используются одной тысячной долей гала-миллигалом. Сила тяжести зависит от высотного положения местности, так как при этом изменяется расстояние до

центра Земли. Поэтому измерения силы тяжести принято приводить к одному

уровню, например уровню геоида или эллипсоида. Значение силы тяжести на поверхности Земли возрастает от экватора к полюсам с 978,049 до 963,235 гал. Среднее значение силы тяжести на поверхности геоида 981 гал.

величина силы тяжести зависит не только от высотного положения, но и от географической широты местности. На нее оказывает влияние и неравномерное распределение масс в недрах Земли. По этой причине возникают местные отклонения в значениях силы тяжести от теоретически вычисленных ее значений. Такие отклонения называются гравитационными аномалиями.

Различают положительные и отрицательные гравитационные аномалии. Положительные наблюдаются в том случае, когда в недрах земной коры залегают плотные массы (железные руды); отрицательные вызываются залеганиями легких масс (гипс, калийная соль) .Гравитационные аномалии выявляются с помощью гравиметров, маятниковыми приборами. По результатам измерений составляют гравиметрические карты, на которых с помощью изолиний показываются аномалии силы тяжести в миллигалах.

Изменения силы тяжести могут быть вызваны некоторыми явлениями, известными из астрономии, например замедлением или ускорением вращении Земли вокруг своей оси, изменениями фигуры и плотности Земли.

1.3. Тепловое поле Земли

Тепловое поле Земли образуется за счет внешних и внутренних источников. Главным источником внешней энергии является солнечное излучение. Лучистая энергия Солнца, получаемая земной поверхностью за год составляет5,44*10Дж. Около 55 % ее поглощается атмосферой, растительным покровом, почвой. Остальное количество энергии отражается в космос.

Источниками внутреннего тепла Земли являются следующие: радиоактивный распад элементов; энергия гравитационной дифференциации вещества; остаточное тепло и т.д

Получаемое солнечное тепло непосредственно нагревает горные породы и проникает лишь на небольшую глубину. Температура поверхности слоев изменяется в течение суток, сезона и года. С глубиной амплитуды колебания температуры убывают: сначала исчезает влияние суточных колебаний температуры воздуха, затем сезонных и, наконец, годовых. На некоторой глубине температура пород остается постоянной годы - пояс постоянной температуры. Выше него располагаются слои многолетних, сезонных и суточных колебаний.

Глубина залегания пояса постоянных температур меняется с широтой местности и с изменением теплофизических свойств в горных пород. В приэкваториальных областях пояс постоянной температуры достигнет 1-2 м, в средних широтах 20-30 м (в Москве - 20 м).

Постоянная температура этого пояса примерно равна средней годовой температуре приземного слоя данной местности (для Москвы +4,2°С, для Парижа +I8 ).Если среднегодовая температура местности ниже 0 , то атмосферные осадки и подземные воды превращаются в лед. Таково основное условие образования "вечной мерзлоты".

Начиная с пояса постоянных температур, отмечается постоянное повышение температуры пород с глубиной, которые характеризуется геотермической ступенью и геотермическим градиентом. ГЕОТЕРМИЧЕСКАЯ СТУПЕНЬ - численно равна количеству метров, на которое нужно углубиться для того, чтобы температура пород поднялась на 1 и имеет размерность м/град. ГЕОТЕРМИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ - величина обратная и численно равен числу градусов, на которое повышается температура горных пород при углублении на 100 м (м/град).

Геотермическая ступень в среднем принимается равной 33 м/град, но ее значение в различных пунктах колеблется в широких пределах от 2 до 250 м/град. Часто величина геотермической ступени значительно отклоняется на различных глубинах одного и того же пункта. Это зависит: от различной теплопроводности и условий залегания горных пород, подземных вод, удаленности от морей и океанов, рельефа местности, геохимических условий.

Наибольшая температура пород в подземных горных выработках равна С и наблюдалась в медных рудниках Магны (США) на глубине 1200 м. Температура пород в шахтах Донбасса на глубине 800-1000 превышает , а на глубине 1545 м достигает 56,3 . Для освоения залежей полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах и в районе многолетней мерзлоты, необходимо регулировать тепловой режим глубоких шахт и рудников.

1.4. Магнитное поле Земли

Вокруг земного шара и внутри его существуют магнитные поля. По данным космических исследований, оно простирается за пределы планеты на расстояние, превышающее десятикратный радиус Земли, образуя магнитосферу. Установлена сложная ассиметричная внешняя форма магнитосферы, непрерывно изменяющаяся по форме и силе. Со стороны Земли, освещенной Солнцем, магнитосфера значительно сжата, а с противоположной стороны - вытянута с образованием магнитного шлейфа.

Ассиметричность магнитосферы обусловлена воздействием солнечного ветра (космического излучения).

По данным I960 г граница магнетизма располагается на высоте 93 тыс.км. Величина магнитного поля Земли убывает примерно до высоты 43 тыс.км пропорционально кубу расстояния. В околоземном пространстве, за пределами земного магнетизма, существует магнитное поле межпланетного пространства. Природа магнитного поля Земли в настоящее время окончательно не выяснена. Известно, что воздействие на него процессов, происходящих в высоких слоях атмосферы, невелико и не превышает 6 %. На этом основании полагают, что магнитное поле связано с процессами, протекающими в глубоких недрах Земли. Магнитное поле влияет на ориентировку ферромагнитных минералов (магнетита, ильменита, гематита) в горных породах. Сильнее всего реагируют на магнитное поле ультраосновные и основные изверженнее (базальты, габбро) и красноцветные пески. Осадочного генезиса.

Полюса магнитного поля Земли не совпадают с географическими полюсами.

Основные характеристики магнитного поля следующие:

МАГНИТНОЕ СКЛОНЕНИЕ - угол между осью магнитной стрелки магнитным меридианов и географическим меридианом.

МАГНИТНОЕ НАКЛОНЕНИЕ - угол наклона магнитной стрелки к горизонту.

СИЛА магнитного поля Земли выражается векторной величиной - МАГНИТНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ. Единицей измерения магнитной напряженности является одна стотысячная доля эрстеда, называемая гаммой ().

Отклонения элементов магнитного поля Земли называются магнитными аномалиями. Они обусловлены или залеганием больших магнитных масс (железные руды) или же нарушениями однородности геологического строения.

Самой крупной магнитной аномалией в мире, вызванной залеганием больших магнитных масс является КМА.

Изучение магнитного поля Земли широко используется для поисков месторождений полезных ископаемых, в том числе нефтяных и газовых.

Магнитное поле Земли . Кто пользовался компасом, тот знает, что, сколько бы ни отклоняли свободно подвешенную стрелку от первоначального направления, она всякий раз будет к нему возвращаться. Это значит, что в географической оболочке и в околоземном пространстве существует магнитное поле, в каждой точке которого стрелка компаса будет располагаться параллельно магнитным силовым линиям. При этом один конец стрелки указывает на северный магнитный полюс, а другой - на южный.

Земля – большой магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками космических частиц называют магнитосферой. Её внешняя граница – магнитопауза (шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10-14 земных радиусов (магнитосфера сжа­та под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900-1000 земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы. Благодаря существованию магнитосферы маг­нитная стрелка компаса устанавливается в на­правлении магнитных силовых линий. Боль­шой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка компаса, называется маг­нитным меридианом данной точки. Магнит­ные меридианы не образуют на земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых магнитными полюсами. Они не совпадают с географическими полю­сами и медленно изменяют свое местополо­жение, «дрейфуя» со скоростью 7 - 8 км/год. Так, в 1950 г. северный магнитный полюс имел координаты 72° с. ш., 96° з. д., а южный - 70° ю. ш., 150° з. д.; в 1970 г. соответственно 75°42" с.ш., 101 о 30" з.д. и 65°30" ю. ш., 140°18" з.д., в 1985 г. – 77 о 36 / с.ш. и 102 о 48 / з.д., а южный – 65 о 06 / ю.ш. и 139 о в.д.

Магнит­ные полюса не являются антиподальными точками. Первый из них смещается в направ­лении Северного полюса, второй - в сторо­ну Австралии. Ожидается, что приблизитель­но в 2185 г. магнитный и географический полюса в северном полушарии окажутся в од­ной точке.

Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: маг­нитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение - угол между ис­тинным направлением на север, т. е. геогра­фическим меридианом, и направлением север­ного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнит­ной стрелки компаса к востоку от географи­ческого меридиана склонение называется вос­точным и имеет знак «плюс» (положитель­ное), при отклонении к западу - западным и имеет знак «минус» (отрицательное). Маг­нитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например, магнитное склонение Москвы около +8° . Чтобы узнать направление геогра­фического меридиана, надо от направления се­верного конца магнитной стрелки компаса от­считать к западу (против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса ука­жет направление на север. Линии одинаково­го магнитного склонения называются изого­нами. Их значение изменяется от 0° до ±180°. Нулевую изогону называют агонической ли­нией. Она разделяет области восточного и за­падного склонения, проходя через оба геогра­фических и оба магнитных полюса. На ней стрелки компаса показывают на географиче­ские полюса, поскольку географический и маг­нитный меридианы совпадают.

Магнитное наклонение - угол между го­ризонтальной плоскостью и магнитной стрел­кой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до ±90°. На магнитных полюсах оно рав­но + 90° и -90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки на­правлен вниз (+90°), в южном - красный (-90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии, соединяю­щие точки с одинаковым магнитным наклоне­нием, называют изоклинами. Нулевая изокли­на - магнитный экватор - проходит при­мерно вдоль географического экватора: чуть южнее - в западном полушарии, чуть север­нее - в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных полушария.

Сила магнитного поля характеризуется на­пряженностью. Величина ее увеличивается от магнитного экватора к полюсам. В север­ном полушарии она больше, нежели в южном, а в целом запасы энергии магнитосферы огромны. В некоторых районах Земли напряжен­ность реального магнитного поля из-за неод­нородности внутреннего строения Земли отли­чается от нормального (теоретического) поля, т. е. такого, какое было бы у Земли, если бы она была однородно намагниченным шаром. Эти отклонения называют магнитными ано­малиями. Крупные мировые аномалии наблю­даются в Восточной Сибири, в районе Зонд­ских островов и т. д.; региональными являют­ся Курская, Криворожская и др., а локальных много.

Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхожде­ния - постоянного и переменного. Главная составляющая - постоянное поле (99% по величине). Его образование обусловлено ди­намическими процессами в ядре Земли. По­стоянное поле более или менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания - суточ­ные, годовые, вековые. Переменное поле (1% по величине) вызвано внешними причинами - воздействием солнечного ветра и связанными с ним электрическими токами в магнитосфе­ре и верхних слоях атмосферы. Они вызыва­ют, как правило, непериодические резкие воз­мущения всех элементов земного магнетизма, т. е. магнитные бури, которые сопровожда­ются полярными сияниями, ухудшением радио­связи на коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Не­смотря на некоторую беспорядочность, маг­нитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.

Значение магнитосферы исключительно ве­лико. Она выполняет изолирующую роль для корпускулярной солнечной радиации, солнеч­ный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa - главный невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве сол­нечная плазма с дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а за­тем в верхние слои атмосферы - так назы­ваемую ионосферу до высот 80-100 км. Для всех просочившихся заряженных частиц маг­нитосфера оказывается своеобразной ловуш­кой. Попав в нее, заряженные частицы дви­гаются по замкнутым траекториям вдоль маг­нитных силовых линий, образуя радиационные пояса: внутренний (протонный) с максималь­ной концентрацией частиц на высоте 3 - 4 тыс. км над экватором и внешний (элек­тронный) - на высоте около 22 тыс. км. Та­ким образом, магнитосфера - наш «магнит­ный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы, она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все жи­вое от гибели.

Медико-биоло­гические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых приступов у людей, рас­пространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве, аварий на до­рогах и т. д.) свидетельствуют о связи пере численных явлений с изменениями магнитно­го поля Земли.

Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных электро­магнитных полях, создаваемых промышленны­ми установками, телецентрами, ЛЭП и т. д. Механизм действия магнитных полей на био­логические объекты - явление очень слож­ное, и расшифровка его - дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы - энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.

Магнитное поле Земли помогает ориенти­роваться в пространстве изыскательским пар­тиям, кораблям, подводным лодкам, самоле­там, туристам. При использовании компаса для определения сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают на­правление географического меридиана. По не­которым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии ука­зывают на месторождения железорудных по­лезных ископаемых, поэтому для поисков их широко применяют магнитометрические мето­ды разведки.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты. Различают три широтные зоны в каждом полушарии.

1. Экваториальная зона (25° с. ш.- 25° ю. ш.), отличающаяся малым проникновением протонов высоких энергий в атмосферу Земли. Заслон им создают магнитные силовые линии, которые здесь идут практически параллельно земной поверхности и становятся непробиваемыми для частиц Космоса.

2. Зона умеренных широт (30° с. ш. и 55° ю. ш.), характеризующаяся нарастанием интенсивности потоков. В сторону полюсов проницаемость магнитного поля увеличивается.

3. Зона над полярными областями Земли. Здесь силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и образуют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушария. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Магнитное поле становится главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов. Экспериментально доказаны связи между различными функциями растений и животных в зависимости от их ориентации в магнитном поле. Многоразовые опыты с культурными и дикими растениями показали, что особое расположение зародыша семян по отношению к направлению геомагнитного поля влияет в будущем на темпы роста и ориентацию корней. Это явление в органическом мире Земли получило название магнитотропизма. Разные группы растений не одинаково реагируют на изменения напряженности геомагнитного поля. Семена одних при искусственном от него экранировании образуют больше корней ростовых почек, а у других, например хвойных пород, в этом случае растягивается период покоя, уменьшается всхожесть, снижается поглощение кислорода и в среднем на 30% падает содержание сухого вещества. Накоплено много достоверных фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, птиц, рыб, моллюсков, червей и даже водорослей.

Гравитационное поле Земли - это по­ле силы тяжести. Сила тяжести действует по­всюду на Земле и направлена по отвесу к по­верхности геоида, уменьшаясь по величине от полюсов к экватору. У Земли было бы нормальное гравита­ционное поле при условии наличия у нее фи­гуры эллипсоида вращения и равномерного распределения в нем масс. Однако Земля та­ким телом не является. Разницу между напря­женностью реального гравитационного поля и теоретического (нормального) поля называют аномалией силы тяжести. Эти аномалии бы­вают вызваны как различным вещественным составом и плотностью горных пород, так и видимыми неровностями земной поверхности. Однако далеко не всегда горы вы­зывают увеличение силы тяжести (положи­тельную аномалию), а океанические впади­ны - их недостаток (отрицательную анома­лию). Такое положение объясняется изостазией (от греч. isostasios - равный по весу) - уравновешиванием твердых и отно­сительно легких верхних горизонтов Земли на более тяжелой верхней мантии, находящейся в пластичном состоянии в слое астеносферы. По современным геофизическим представле­ниям, в недрах Земли на определенной глу­бине (глубине компенсации) происходит гори­зонтальное растекание подкоровых масс ве­щества из мест их избытка на поверхности (в виде гор и т. д.) к периферии и выравни­вание давления вышележащих слоев. Сущест­вование астеносферных течений - необходи­мое условие изостатического равновесия зем­ной коры.

При появлении или исчезновении леднико­вой нагрузки в областях древних и современ­ных ледников тоже нарушается изостатическое равновесие. При нарастании массы льда покровных ледников земная кора прогибает­ся, при стаивании льда происходит ее подня­тие. Такие вертикальные движения земной ко­ры называются гляциоизостазией (от лат. glacies - лед). Гляциоизостатические опуска­ния наиболее резко выражены под централь­ными частями современных ледниковых щи­тов - Антарктиды и Гренландии, где ложе ледников местами прогнуто ниже уровня мо­ря. Поднятия особенно интенсивны в облас­тях, недавно освободившихся от материковых льдов (например, в Скандинавии, Канаде), где их суммарные значения за послеледниковое время достигают нескольких десятков метров. Современные скорости поднятия по инстру­ментальным измерениям местами доходят до 1 м в столетие, например на шведском побе­режье Ботнического залива.

Значение силы тяжести исключительно ве­лико. Она определяет истинную фигуру Зем­ли - геоид. Подкоровые течения в астено­сфере вызывают тектонические деформации и движения литосферных плит, создавая круп­ные формы рельефа Земли. Сила тяжести обус­ловливает гравитационные рельефообразующие процессы: эрозию, оползни, осыпи, обвалы, селевые потоки, движение ледников в горах и т. д. Сила тяжести определяет макси­мальную высоту гор на Земле. Она удержи­вает атмосферу и гидросферу, ей подчиняется перемещение воздуха и водных масс. Сила тя­жести помогает людям и многим животным удерживать вертикальное положение. Геотро­пизм - ростовые движения органов расте­ний под влиянием силы земного тяготения - обусловливает вертикальное направление стеблей и первичного корня. Недаром грави­тационная биология, возникшая в эпоху, ког­да человек начал обживать мир без тяжес­ти - Космос, включает растения в число сво­их экспериментальных объектов. Силу тяжести необходимо учитывать при рассмотрении бук­вально всех процессов в географической обо­лочке. Без учета силы тяжести нельзя рассчи­тать исходные данные для запусков ракет и космических кораблей, невозможна гравимет­рическая разведка рудных полезных ископае­мых и нефтегазоносных структур.