Земля - это гигантский магнит, вокруг которого образуется магнитное поле. Магнитные полюса Земли не совпадают с истинными географическими полюсами - северным и южным. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами. Между магнитным и географическим меридианом образуется некоторый угол (около 11,5°), называемый магнитным склонением. Поэтому намагниченная стрелка компаса точно показывает направление магнитных меридианов, а направление на северный географический полюс - лишь приблизительно.
Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением. На Северном магнитном полюсе (77° с.ш. и 102° з.д.) свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе (65° ю.ш. и 139° в.д.) её южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного поля над земной поверхностью.
Считается, что постоянное магнитное поле наша планета генерирует сама. Оно образуется из-за сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и перемещении жидкого вещества в её внешнем ядре. Положение магнитных полюсов и распределение магнитного поля по земной поверхности со временем меняются. Магнитное поле Земли простирается до высоты около 100 тыс. км. Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного , губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой.
Солнце посылает к Земле огромный поток энергии, состоящий из электромагнитного излучения (видимого света, инфракрасного и радиоизлучения); ультрафиолетового и рентгеновского излучений; солнечных космических лучей, возникающих только во время очень сильных вспышек; и солнечного ветра - постоянного потока плазмы, образованного главным образом протонами (ионы водорода).
Электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., а потоки частиц, приносящие основную часть возмущения от Солнца, двигаются со скоростью около 1000 км/с и задерживаются на двое-трое суток. Основной причиной возмущений солнечного ветра, существенно влияющих на земные процессы, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури - нарушают радиосвязь, вызывают интенсивные полярные сияния.
Магнитные аномалии
В некоторых районах планеты наблюдаются отклонения магнитного склонения и магнитного наклонения от средних значений для данной территории. Например, в Курской области в районе месторождения железной руды напряжение магнитного поля в 5 раз выше, чем среднее для этого района. Месторождение так и называется - Курская магнитная аномалия. Иногда подобные отклонения наблюдаются на обширных площадях. Восточно-Сибирская магнитная аномалия характеризуется западным магнитным склонением, а не восточным.
Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:
Поиск по сайту.
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.
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.
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.
Сила тяжести - равнодействующая притяжения массы Земли и центробежной силы от вращения планеты. В экваториальных широтах она равна в среднем 978 галл, а в полярных возрастает до 983 галл, что связано как с фигурой Земли, так и с уменьшением с широтой центробежной силы.
О значении силы тяжести для географической оболочки выше говорилось в разных аспектах. Обобщим это, поскольку гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение.
- Силами тяготения, превышающими силы сцепления, создана фигура Земли. В практике решается обратная задача: потенциал силы тяжести используется при изучении фигуры Земли.
- Земное тяготение уплотнило внутреннее вещество Земли и, независимо от его химического состава, сформировало плотное ядро.
- Ядро вместе с вращением Земли создало магнитосферу, роль которой для биосферы огромна.
- Величина земного тяготения такова, что удерживает газовую оболочку, позволяя ускользать только легким элементам - гелию и водороду. Частично благодаря этому между земной атмосферой и Вселенной наблюдается газовое несоответствие: во Вселенной на водород приходится 93%, а в атмосфере Земли его ничтожно мало.
- Атмосферное прикрытие обеспечивает существование гидросферы; в противном случае вода мгновенно испарилась бы и улетучилась.
- Давление глубинных масс наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию - источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу.
- Сила тяжести обусловливает стремление земной коры к изостатическому равновесию. Изостазия была обнаружена при изучении распределения силы тяжести. Горные хребты создают на поверхности дополнительную массу и должны вызывать увеличение силы тяжести, пропорциональное массе горной страны. В океанах 4-5 км сложены водой с плотностью около 1,0 г/см 3 , поэтому здесь сила тяжести должна быть меньше, чем в горах. Низменные равнины материков занимают промежуточное положение и должны иметь силу тяжести среднего значения. Измерения показали, что фактически сила тяжести на одной и той же параллели везде - на море, на низменной суше, в горных странах - в общем одинакова. Это значит, что в горах она меньше нормальной, или, как принято считать, здесь обнаруживается отрицательная гравиметрическая аномалия, на море сила тяжести больше расчетной, или ее аномалия положительная, на низменностях фактическая величина ее близка к теоретической, т. е. аномалии нет. Такое распределение силы тяжести и ее аномалии объясняют изостазией.
- Астеносфера - размягченный теплом слой, допускающий движение литосферы,- тоже функция силы тяжести, поскольку расплавление вещества происходит при благоприятном соотношении количества тепла и величины сжатия - давления.
- Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности - конически и равнинные. Они соответствуют двум универсальным форма симметрии - конической и билатеральной (И. И. Шафранский). Над каждым малым и большим участком земной поверхности существует конусообразное поле земного тяготения. Оно отпечатывается на всех телах, которые растут на Земле. Если тело растет вверх, или, что то же самое, вниз, то оно приобретает форму, близкую к конической (горные вершины, вулканы, карстовые воронки, песчаные формы рельефа, деревья и т. д.). Если тело растет горизонтально, то сила тяжести делает его листообразным (дельты, аккумулятивные равнины, поверхности выравнивания и т. д.). Переход конических форм в плоские образует склоны. Весь рельеф литосферы в сущности склоновый.
- Сила тяжести обусловливает гравитационный тектогенез - формирование структур земной коры и вообще движение масс литосферы под действием силы тяжести. Так как развитие рельефа есть перемещение вещества, то сила тяжести в нем играет одну из решающих ролей.
- Земное тяготение определяет верхний предел высоты горных хребтов. Вздымание складок земной коры не может быть выше 9 км, ибо этому препятствует сила тяжести.
- Сочетание гравитационного поля и конкретных тел на Земле создает диспропорциональность земного пространства. Несколько примеров раскроет его сущность. На малых телах, вплоть д горных хребтов, действуют силы сцепления, а на больших - горных странах, литосфере в целом, а тем более на всей Земле - силы тяготения, с чем и связана изостазия. В условиях земного гравитационного поля каждый тип животного имеет наиболее удобные для него размеры, изменение которых повлекло бы изменение и формы. Если длину, высоту и ширину животного уменьшить или увеличить в 10 раз, то масса его изменится в 1000 раз, а поверхность в 100 раз. Понятно, что при этом должно перестроиться все тело. Соотношение объемов, размеров и масс определяет парусность пыльцы и семян растений и способы их перенесения.
- Сила тяжести в сочетании с размерами тел определяет силу поверхностного натяжения воды, с которой связаны поднятие ее по капиллярам и, следовательно, одна из сторон водного режима почвы.
- Направление силы тяжести вниз, к центру Земли, помогает животным удерживать вертикальное положение.
- В течении воды вниз и, следовательно, в работе рек гравитационное поле играет второстепенную роль. Первостепенное значение имеет энергия солнечной радиации, которая вызывает испарение воды и подъем пара на материки и в горы.