Siła Ziemi |
|
Rzeczywiście, co stałoby się z Ziemią, gdyby zamieniła się w ciecz? Wiedząc z codziennych doświadczeń, że ciała stałe tracą swój kształt po stopieniu, możemy oczekiwać, że to samo stanie się z Ziemią. Ale w rzeczywistości tak się nie stanie. W przypadku obiektów, z którymi mamy do czynienia w życiu praktycznym, zdolność do zachowania kształtu wynika z sił działających między bliskimi atomami. Ale takie "Ciężki" Ciało, podobnie jak Ziemia, również zaczyna odgrywać istotną rolę siła grawitacji, dzięki której cała masa Ziemi przyciąga każdą z jej cząstek. Zapewniłoby to zasadniczo zachowanie obecnego kształtu Ziemi, nawet gdyby nasza planeta stała się ciałem płynnym. W związku z tym przy obliczaniu odkształceń Ziemi i ocenie jej wytrzymałości jako całości (a nie poszczególnych próbek skał) konieczne jest uwzględnienie zarówno właściwości sprężystych materii Ziemi, jak i wpływu na nią grawitacji. Laboratoria badają właściwości mechaniczne skał pobranych z zewnętrznej warstwy Ziemi o grubości zaledwie kilku kilometrów. Ta warstwa wpływa na wytrzymałość całej Ziemi w nieco większym stopniu niż cienka warstwa farby nałożona na jej powierzchnię wpływa na wytrzymałość metalowej kulki. Informacji o głębszych warstwach Ziemi dostarcza nam głównie badanie propagacji fal sejsmicznych. Nic dziwnego, że akademik B. B. Golitsyn nazwał to trzęsienie ziemi latarnią, która przez chwilę migotanie pozwala nam zobaczyć wnętrze Ziemi. Ale rozwijając to porównanie, musimy powiedzieć, że światło takiej latarni przygasa na głębokości 2900 km od powierzchni Ziemi. Poniżej znajduje się jądro Ziemi, przez które przechodzą tylko podłużne fale sejsmiczne. Aby więc oszacować wytrzymałość Ziemi jako całości, należy wziąć pod uwagę problem odkształceń i naprężeń kuli grawitacyjnej, składającej się z niejednorodnej elastycznej powłoki i rdzenia. Jak gęstość i właściwości sprężyste skorupy zmieniają się wraz z głębokością można uznać za znane. Jeśli chodzi o sedno, należy zacząć od hipotez. Zatem naturalne jest założenie, że rdzeń, prawdopodobnie z wyjątkiem jego środkowej części, jest w stanie ciekłym, ponieważ nie przechodzą przez niego poprzeczne fale sejsmiczne. (Zauważ, że hipoteza o płynnym jądrze Ziemi była rozważana jeszcze przed pojawieniem się sejsmologii. Ale potem została obalona, ponieważ uważano, że powłoka Ziemi ma tylko kilka lub kilkadziesiąt kilometrów grubości, a taka powłoka z płynny rdzeń, jak wykazał W.Thomson, zostałby rozbity przez przypływ w rdzeniu).
Siły pływowe nieustannie oddziałują na Ziemię, rozciągając ją wzdłuż linii prostych łączących środek Ziemi ze środkami Księżyca i Słońca. Powierzchnia Ziemi ugina się pod obciążeniem mas powietrza w obszarach o wysokim ciśnieniu atmosferycznym. Na wszystkie cząstki Ziemi oddziałuje siła odśrodkowa skierowana prostopadle do osi obrotu Ziemi.Oczywiste jest, że kierunek tej siły zmieni się, jeśli zmieni się położenie osi obrotu w ciele Ziemi. A fakt, że tak się dzieje naprawdę, został ustalony pod koniec ubiegłego wieku. Można obliczyć wielkości i kierunki powyższych sił. Jeśli następnie weźmiemy dowolny model Ziemi, to teoretycznie możemy również znaleźć odkształcenie Ziemi po przyłożeniu do niej tych sił, na przykład obliczyć, jak zmienią się odległości różnych punktów na powierzchni Ziemi od jej środka. Weźmy na przykład siłę pływową, która, jak już powiedziano, rozciąga Ziemię wzdłuż linii prostej łączącej jej środek O ze środkiem L zakłócającego ciała: Księżyca lub Słońca. Pod jego wpływem powierzchnia Ziemi, gdyby była regularną kulą o promieniu R, przybrałaby postać elipsoidy obrotowej o półosi wielkiej a skierowanej na L. Załóżmy, że udało nam się obliczyć różnicę a - R jest dla tego modelu równe, wtedy możemy znaleźć zmianę długości promienia wektora p dowolnego punktu na powierzchni ziemi. Te zmiany są niewielkie. Dla żadnego z teoretycznie rozważanych modeli Ziemi maksymalne fluktuacje długości p pod połączonym wpływem Księżyca i Słońca nie sięgają jednego metra. Oczywiste jest, że takich zmian nie można zmierzyć bezpośrednio. Dlaczego musieliśmy wymyślić „nieważki” ocean? Tak, ponieważ przypływ w prawdziwym oceanie nieco komplikuje zjawisko: prowadzi do zmian w potencjale grawitacyjnym samej Ziemi. Podobny efekt dają odkształcenia sprężyste Ziemi. Stosunek zmiany potencjału grawitacyjnego Ziemi do potencjału zewnętrznego, czyli ta zmiana, która ją powoduje, oznaczono symbolem k. Parametry h i k nazywane są liczbami Miłości, od nazwiska angielskiego geofizyka, który jako pierwszy wprowadził te parametry, aby scharakteryzować właściwości mechaniczne Ziemi jako całości. To te parametry są obliczane teoretycznie dla różnych modeli Ziemi; starają się je określić na podstawie analizy obserwacji różnych zjawisk. Jakie to zjawiska? Wymieńmy najważniejsze z nich:
Tak jest w przypadku absolutnie solidnej Ziemi. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę, że Ziemia jest zdeformowana pod wpływem różnych sił, obraz będzie bardziej skomplikowany. Siły pływowe deformują Ziemię tak, że jej kompresja zmienia się przez cały czas. Oznacza to, że w naszym modelu masa pierścienia będzie się zmieniać, a to z kolei będzie objawiać się słabymi okresowymi fluktuacjami prędkości kątowej obrotu Ziemi. Kiedy zmniejsza się jego kompresja, prędkość rośnie, a Ziemia zaczyna równomiernie wyprzedzać To jedna strona problemu. Ale odkształcenia Ziemi wpływają na jej obrót w inny sposób. Aby dokładnie wyjaśnić, jak to zrobić, zróbmy następujący eksperyment myślowy. Wyobraźmy sobie, że obrót Ziemi ustał, a siła odśrodkowa już na nią nie działa. Co więcej, gdyby Ziemia była absolutnie solidnym ciałem, jej kształt pozostałby ten sam. Gdyby Ziemia była ciałem płynnym, przybrałaby kształt zwykłej kuli. Równikowy nadmiar mas, a wraz z nim pierścień w naszym modelu, zniknąłby wtedy całkowicie. Ale na prawdziwej Ziemi, gdy jej obrót ustaje, w grę wchodzą wewnętrzne siły sprężyste. Będą przeciwstawiać się siłom grawitacji, dzięki czemu Ziemia pozostanie nadal ściśniętą sferoidą, chociaż jej kompresja będzie się zmniejszać. Oznacza to, że zmniejszy się również masa pierścienia naszego modelu. Ile? To jest główne pytanie, od rozwiązania którego zależy ocena twardości Ziemi. Zauważyliśmy, że okres swobodnej nutacji jest krótszy, im większy jest równikowy nadmiar mas, czyli masa pierścienia. Dla absolutnie solidnej Ziemi okres ten wynosiłby 305 dni. W rzeczywistości, jak pokazuje analiza danych dotyczących ruchu biegunów Ziemi w ciągu ostatnich 70 lat, jest to blisko 430 dni. Tłumaczyło to fakt, że okres swobodnej nutacji zależy nie od całego równikowego nadmiaru mas, a tylko od tej jego części, która nie zniknie, jeśli ustanie działanie siły odśrodkowej. Stąd łatwo obliczyć, że zaprzestanie obrotu powoduje zmniejszenie masy pierścienia naszego modelu o 30%. (Dokładniej, ten pierścień jest podzielony na dwa, a jeden z nich, zawierający około jednej trzeciej całkowitej masy, jest zawsze zainstalowany w płaszczyźnie prostopadłej do chwilowej osi obrotu i nie wpływa na ruch tej osi w Ciało Ziemi). Powyższa liczba pokazuje, w jakich warunkach zachodzi równowaga między siłami grawitacyjnymi dążącymi do przekształcenia Ziemi w kulę a siłami sprężystymi dążącymi do utrzymania jej niezmienionego kształtu. W trakcie tych prac dopracowano niektóre wnioski z teorii obrotu Ziemi z płynnym rdzeniem. Okazało się więc, że wpływ ciekłego rdzenia powinien prowadzić do zmian amplitud niektórych oscylacji osi Ziemi w przestrzeni (wymuszona nutacja). Przejawia się też w tym, że do znanych już składowych ruchu biegunów Ziemi dodaje się jeszcze jeden słaby ruch kołowy o okresie bliskim dni. Znalezienie tych efektów jest wyzwaniem, które leży na granicy możliwości współczesnej astronomii. Ale warto było spróbować. Taką próbę podjęli ukraińscy astronomowie. Okazało się, że się udało. W szczególności N.A. Popovowi udało się wykryć w długoterminowych obserwacjach dwóch gwiazd zenitowych w Połtawie słabe fluktuacje szerokości geograficznej z okresem przewidzianym przez teorię M.S. Modensky'ego. W ten sposób uzyskano nowe argumenty na rzecz hipotezy o płynnym jądrze Ziemi. Możemy teraz powiedzieć, że Ziemia jako całość wydaje się być silniejsza niż wydrążona stalowa kula z powłoką o grubości około 3000 km. Jednakże następujące osoby mogą sprzeciwić się takiej ocenie. Wszystkie nasze wnioski zostały wyciągnięte z badania bardzo słabych deformacji. Czy możemy ich użyć, jeśli musimy obliczyć działanie sił, które powodują znacznie bardziej znaczące deformacje, a nawet zagrażają integralności naszej planety? Najwyraźniej jest to niemożliwe bez znacznych korekt.Ale czy istnieje zagrożenie pojawieniem się tak potężnych sił, że takie obliczenia staną się konieczne? Czy tak się nie stanie, powiedzmy, ponieważ reżim rotacji naszej planety zostanie znacząco zakłócony? Naturalne przyczyny tego są trudne do znalezienia. Czy jednak z biegiem czasu ludzie nie będą w stanie zmienić obrotu Ziemi według własnego uznania? To nie jest pierwszy raz, kiedy padło to pytanie.
Jednak sprawa zakończyła się na niczym. Okazało się, że w swoich obliczeniach inżynierowie Arctic Company popełnili rażący błąd: nie wzięli pod uwagę faktu, że Ziemia nie jest kulą, ale ma dodatkową masę w pasie równikowym. Biorąc pod uwagę tę masę, pewien francuski inżynier dokonał nowych obliczeń i wykazał, że pod działaniem wyrzucanego strzału bieguny Ziemi poruszałyby się po jej powierzchni tylko o 3 mikrony. Ciekawy, że ta historia, jak opowiedziano w książce „Obrót Ziemi” Amerykańscy geofizycy Munk i MacDonald mają nowoczesną kontynuację. W. Podczas wyborów prezydenckich w 1956 r. Senator Estes Kefauver, kandydat na wiceprezydenta, powiedział, że w wyniku testów bomb wodorowych oś Ziemi może zostać odchylona o 10 °. Jednak dokładne obliczenia pokazują inaczej. Energia uwolniona w wyniku wybuchu bomby wodorowej średniej mocy wystarczyłaby, aby pocisk ważący milion ton osiągnął prędkość 11 kilometrów na sekundę. Ale odrzut armaty, która wystrzeliłby taki strzał, przesunąłby biegun Ziemi tylko o jeden mikron. „A 70 lat po Jules Verne,- uwaga autorów, - członkowie rządu waszyngtońskiego wciąż odmawiają uznania istnienia i znaczenia równikowego nadmiaru mas "... W konsekwencji, nawet super-potężne środki, które obecnie posiadają ludzie, są niewystarczające, aby wywrzeć jakikolwiek znaczący wpływ na rotację Ziemi. Tak więc nasza planeta jest wystarczająco solidna i trwała, aby wytrzymać siły działające okresowo lub przez krótki czas: tylko nieznacznie ją deformują. Ale efekt może być inny, jeśli siły będą działać w tym samym kierunku przez miliony lat. Prawdopodobnie w stosunku do takich sił Ziemia zachowuje się nie jako idealnie sprężysta, ale jak plastikowa bryła, która zmienia swój kształt, choć powoli, ale znacząco. Tutaj dochodzimy do kwestii ewolucji Ziemi i roli, jaką odgrywają w tym procesy wewnętrzne. Tworzą naprężenia w ciele ziemi, czasami przekraczając jego ostateczną siłę. Możliwe, że jednocześnie pływowe deformacje Ziemi, a nawet niewielkie zakłócenia w stałości jej rotacji, pełnią czasem rolę „wyzwalacza”, czyli tego ostatniego szoku powodującego pęknięcia i przesunięcia w skorupie i płaszczu Ziemi. . Z kolei te ostatnie zjawiska mogą wpływać na rotację Ziemi, a geofizycy i astronomowie obecnie aktywnie poszukują przejawów tego wpływu. E. Fedorov |
„Och, gdyby to też, zbyt ciężkie ciało stopiło się, rozpuściło, stało się rosą!” Słynny angielski geofizyk Harold Jeffries wziął te słowa Hamleta jako motto do jednego z rozdziałów swojej książki "Ziemia".
Aby przetestować hipotezy dotyczące właściwości jądra, naturalne jest, aby zwrócić się do doświadczenia. Ale o jakim doświadczeniu możemy mówić, gdy mamy do czynienia z ciałem wielkości Ziemi? Rzeczywiście, aby przetestować wytrzymałość dowolnego produktu, próbkę tego produktu umieszcza się w specjalnej maszynie, rozciąga w niej, skręca lub ściska. W takim przypadku jednocześnie rejestruje się przyłożone siły i odkształcenie próbki. Ale nie mamy możliwości, według własnego uznania, przyłożyć do Ziemi siły wystarczające do nawet nieznacznej zmiany jej kształtu. Musimy być zadowoleni z tego, co daje sama natura.
Jeżeli oś obrotu Ziemi jest prostopadła do płaszczyzny pierścienia, to znaczy pokrywa się z osią symetrii modelu, to siła odśrodkowa nie wpłynie na obrót modelu - spowoduje jedynie rozciągnięcie pierścienia. Ale gdy tylko oś obrotu odchyli się od osi symetrii, działanie siły odśrodkowej zaczyna się objawiać jak działanie pary sił, które niejako dążą do pogodzenia wspomnianych osi. Jednak efekt okazuje się nieco nieoczekiwany: oś obrotu nie jest wyrównana z osią symetrii, ale zaczyna się wokół niej poruszać, opisując stożkową powierzchnię w ciele Ziemi. Ruch ten nazywamy swobodną nutacją, a jego okres jest krótszy, im większa jest masa pierścienia.
Jego historia zaczyna się od powieści Julesa Verne'a „Oddolne”... Opowiada o projekcie Arctic Industrial Company, polegającym na obróceniu osi Ziemi pod kątem 23 °, wykorzystując w tym celu siłę, jaką armata może dać Ziemi w wyniku odrzutu po wystrzale. Według obliczeń inżynierów wspomnianej firmy, konieczne jest do tego wystrzelenie z armaty pocisku ważącego 180 tysięcy ton. Projekt ten wzbudził najpierw zainteresowanie, potem niepokój, a na końcu panikę, gdyż jego realizacja pociągnęłaby za sobą wiele katastrofalnych konsekwencji.
| Co to jest klatka? | Fizjologiczna dwuwymiarowość informacji: mechanizmy i konsekwencje |
|---|
Nowe przepisy
