Modificări ale câmpului gravitațional al pământului. Gravitația pământului
CÂMPUL GRAVITAȚIONAL AL PĂMÂNTULUI (a. câmpul gravitațional al Pământului, câmpul gravitațional al Pământului; n. Schwerefeld der Erde; f. champ de gravite de la Terre; și. campo de gravedad de la tierra) - un câmp de forță datorat atracției a maselor și a forței centrifuge, care apare din cauza rotației zilnice a Pământului; depinde, de asemenea, puțin de atracția Lunii și a Soarelui și a altor corpuri cerești și a maselor pământului. Câmpul gravitațional al Pământului este caracterizat de gravitație, potențialul gravitațional și diferitele sale derivații. Potențialul are dimensiunea m 2 .s -2 , unitatea de măsură a primelor derivate ale potențialului (inclusiv forța gravitațională) în gravimetrie este un miligal (mGal) egal cu 10 -5 m.s -2 , iar pentru derivate secunde - etvos ( E, E), egale cu 10 -9 .s -2.
Valori ale principalelor caracteristici ale câmpului gravitațional al Pământului: potențialul gravitațional la nivelul mării 62636830 m 2 .s -2 ; gravitația medie pe Pământ 979,8 Gal; scăderea gravitației medii de la pol la ecuator 5200 mGal (inclusiv datorită rotației zilnice a Pământului 3400 mGal); anomalie gravitațională maximă pe Pământ 660 mGal; gradient gravitațional vertical normal 0,3086 mGal/m; abaterea maximă a plumbului pe Pământ este de 120"; intervalul variațiilor periodice lunare-solare ale gravitației este de 0,4 mGal; valoare posibilă modificarea seculară a gravitației<0,01 мГал/год.
Partea din potențialul gravitației, datorată doar atracției Pământului, se numește geopotențial. Pentru a rezolva multe probleme globale (studiul formei Pământului, calcularea traiectoriilor satelitilor etc.), geopotențialul este reprezentat ca o expansiune din punct de vedere al funcțiilor sferice. Derivatele secunde ale potențialului gravitațional sunt măsurate prin gradiometre și variometre gravitaționale. Există mai multe extinderi ale geopotențialului, care diferă în datele observaționale inițiale și expansiuni.
De obicei, câmpul gravitațional al Pământului este reprezentat ca fiind format din 2 părți: normal și anormal. Partea principală - normală a câmpului corespunde modelului schematizat al Pământului sub forma unui elipsoid de revoluție (Pământ normal). Este în concordanță cu Pământul real (centrele de masă, valorile masei, vitezele unghiulare și axele de rotație zilnică coincid). Suprafața unui Pământ normal este considerată la nivel, adică. potențialul gravitației în toate punctele sale are aceeași valoare (vezi geoid); gravitația este îndreptată spre ea de-a lungul normalului și variază după o lege simplă. În gravimetrie, formula internațională pentru gravitația normală este utilizată pe scară largă:
g (p) \u003d 978049 (1 + 0,0052884 sin 2 p - 0,0000059 sin 2 2p), mGal.
În alte țări socialiste, formula lui F. R. Helmert este utilizată în principal:
g (p) \u003d 978030 (1 + 0,005302 sin 2 p - 0,000007 sin 2 2p), mGal.
Din partea dreaptă a ambelor formule, se scade 14 mGal pentru a lua în considerare eroarea gravitației absolute, care a fost stabilită ca urmare a măsurătorilor repetate ale gravitației absolute în diferite locuri. Au fost derivate și alte formule similare care iau în considerare modificările forței normale a gravitației datorate triaxialității Pământului, asimetriei emisferelor sale nordice și sudice etc. Diferența dintre forța gravitațională măsurată și forța normală se numește o anomalie a gravitației (vezi anomalia geofizică). Partea anormală a câmpului gravitațional al Pământului este mai mică ca mărime decât partea normală și se modifică într-un mod complex. Deoarece pozițiile Lunii și Soarelui în raport cu Pământul se modifică, există o variație periodică a câmpului gravitațional al Pământului. Acest lucru provoacă deformări ale mareelor ale Pământului, inclusiv. mareele maritime. Există, de asemenea, modificări non-mareale ale câmpului gravitațional al Pământului în timp, care apar din cauza redistribuirii maselor în interiorul Pământului, mișcărilor tectonice, cutremure, erupții vulcanice, mișcării apei și a maselor atmosferice, modificări ale vitezei unghiulare și instantanee. axa de rotație zilnică a Pământului. Multe valori ale schimbărilor non-mareale în câmpul gravitațional al Pământului nu sunt observate și sunt estimate doar teoretic.
Pe baza câmpului gravitațional al Pământului, se determină un geoid care caracterizează figura gravimetrică a Pământului, în raport cu care sunt stabilite înălțimile suprafeței fizice a Pământului. Câmpul gravitațional al Pământului, împreună cu alte date geofizice, este folosit pentru a studia modelul distribuției radiale a densității Pământului. Pe baza acestuia, se trag concluzii despre starea de echilibru hidrostatic a Pământului și despre tensiunile asociate din acesta.
Câmpul gravitațional al Pământului- acesta este mediul material de interacțiune al maselor mecanice (fizice), determinat de starea mecanică generală a figurii Pământului. Pentru a înțelege semnificația fizică a câmpului gravitațional, se introduce conceptul gravitatie, ca echilibrul forțelor de atracție ale Pământului și centrifugal, din cauza rotației.
Interacțiunea fizică a maselor se bazează pe legea gravitației universale a lui Newton:
m 1Și m2– mase mecanice; r- distanța dintre mase; f- gradat gravitațional, egal cu 6,67 * 10 -8 cm 3 / g * s 2, în sistemul SI \u003d 6,67 * 10 -11 m 3 / kg * s 2.
Indicatori ai câmpului gravitațional.
Dacă plasăm în formula (1) m 1=1 și m2=Mși acceptă M pentru masa Pământului, atunci accelerația gravitației pe suprafața Pământului va fi:
g- o mărime vectorială, care este rezultanta forțelor de atracție (F), a forței centrifuge (P) și a corpurilor cerești.
În gravimetrie, accelerația gravitațională este abreviată ca „ gravitatie»: g înseamnă = 9,81 m/s 2, g stâlp\u003d 9,83 m/s 2, g ecuator\u003d 9,78 m/s 2.
g h atmosfera: gh =g, Unde h-înălţime, R este raza pământului.
gîn interiorul Pământului variază după un model complex de la 9,82 m/s 2 la suprafață până la 10,68 m/s 2 la baza mantalei inferioare la o adâncime de 2900 km.
gîn miez scade la o adâncime de 6000 m la 1,26 m / s 2, iar în centrul Pământului la 0.
Pentru a determina valori absolute g utilizați metoda pendulului și metoda căderii libere a corpurilor. Pentru pendul:
T = 2, unde T este perioada de balansare a pendulului, h este lungimea pendulului.
În gravimetrie și explorarea gravitațională, sunt utilizate în principal măsurători relative ale accelerației gravitației. Se determină creșterea g față de o anumită valoare. Se folosesc dispozitive cu pendul și gravimetre.
Isostazie.
Eterogenitatea învelișului exterior al Pământului, datorită prezenței pământului și oceanelor, este una dintre principalele sale caracteristici de densitate.
Din această cauză, s-ar părea că anomaliile gravitaționale de pe uscat ar trebui să fie pozitive și să aibă o intensitate mai mare decât în oceane. Cu toate acestea, măsurătorile gravitaționale pe suprafața zilei și de la sateliți nu confirmă acest lucru. Harta înălțimii geoidului arată că abaterile lui g de la câmpul normal nu sunt legate de oceane și continente.
Din aceasta, teoreticienii concluzionează că regiunile continentale sunt compensate izostatic: continentele mai puțin dense plutesc într-un substrat subcrustal mai dens, precum aisbergurile gigantice din mările polare. (!?) Adică conceptul de izostazie este că scoarța pământului ușoară este echilibrată pe o manta mai grea, în timp ce stratul superior al mantalei este rigid, iar cel inferior este plastic. Stratul dur al mantalei a venit cu un nume litosferă, și plastic astenosferă.
Cu toate acestea, mantaua superioară nu este lichidă, deoarece prin el trec unde transversale. În același timp, pe o scară de timp ( T) astenosfera se comportă la mic T(ore, zile) ca un corp elastic, și pe mare T(zeci de mii de ani) ca lichid. Vâscozitatea substanței astenosferei este estimată la 10 20 Pa*s (pascal secundă).
Ipotezele de izostazie includ: 1) Deformarea elastică a scoarței terestre, care este prezentată în diagramă; 2) structura blocului Pământului și implică imersarea acestor blocuri în substratul subiacent al mantalei la diferite adâncimi.
De remarcat că, urmând limbajul matematic, rezultă următoarea concluzie: existența echilibrului izostatic al scoarței terestre este o condiție suficientă, dar deloc necesară pentru o relație regulată între anomaliile g și grosimea crustei; cu toate acestea, aceasta relație există pentru teritoriile regionale.
Dacă se fac măsurători gravitaționale peste ocean, atunci proeminențele scoarței oceanice vor fi caracterizate de minime gravitaționale, iar jgheaburile de maxime. Introducerea corecției isostatice Bouguer, așa cum spune, face ca teritoriul (regiunea) să fie echilibrat izostatic.
Din figură rezultă că intensitatea câmpului gravitațional este de 2,5-3,0 ori mai mare în acele locuri în care scoarța oceanică este mai subțire, adică. în aceste zone se manifestă într-o măsură mai mare defectul de densitate a substratului subiacent al mantalei, în special, stratul suprafeței Mohs. Densitatea acestui strat subcrustal = 3,3 g/cm3 iar cea a stratului de bazalt = 2,9 g/cm3.
Astfel, există o legătură directă între anomaliile gravitaționale regionale și grosimea scoarței terestre. Aceste studii sunt al doilea nivel de detaliu în gravimetrie.
Al treilea nivel de detaliu este direct legată de diferite corecții în timpul studiilor gravitaționale pentru a studia obiectele geologice locale, în special zăcămintele minerale. Aici, toate măsurătorile sunt efectuate la reducerea Bouguer (diferența dintre observații și câmpurile teoretice) și includ corecții pentru: 1) „aer liber”, 2) strat intermediar, 3) relief.
În geologia generală și structurală, rezultatele observațiilor gravimetrice sunt folosite pentru a studia zonarea tectonica a zonelor geosinclinale si platformei.
Structura câmpului gravitațional este diferită aici.
În regiunile geosinclinale anomaliile negative sunt limitate la zonele de ridicări g, iar la depresii - pozitive. Acest model este asociat cu istoria dezvoltării scoarței terestre din cauza inversiuni condiții geotectonice (redistribuirea zonelor de ridicare și subsidență). În locurile de ridicări, a existat anterior și s-a păstrat un cot al hotarului Moho.
Anomalii pe zonele platformei g asociată în principal cu compoziţia materialo-petrografică a rocilor. Valori minime g se formează zone de dimensiuni mari, din roci „uşoare” „granite-rapakivi”.
Variații gravitaționale.
În structura generală a câmpului gravitațional al Pământului, apar modificări periodice ale gravitației; acestea sunt cauzate de apropierea Lunii și a Soarelui și depind de structura internă a Pământului.
Cea mai vizibilă mișcare a particulelor geosferelor în direcția orizontală sunt mareele mării.
Sub influența forțelor de atracție, într-o măsură mai mare a Lunii și într-o măsură mai mică a Soarelui, apele Oceanului Mondial sunt conduse spre puncte. ZȘi N(fluea mare), iar la acest moment la puncte AȘi ÎN Nivelul apei oceanelor este în scădere (maree joasă). Stratul sferic al Pământului suferă oscilații periodice și, în consecință, accelerarea gravitației. În timpul vibrațiilor, acest strat ia forma unui elipsoid.
Datorită rotației zilnice a Pământului, mareele (reflux) cu o perioadă de 24 de ore ("ziua solară") și 24 de ore și 50 de minute. ("ziua lunară"). Prin urmare, există două maree înaltă și două maree joase.
Sub acțiunea forțelor mareelor, suprafața scoarței terestre pulsează continuu: se ridică și coboară de două ori pe zi.
Studiul fluxurilor și refluxurilor în corpul solid al Pământului face posibilă obținerea de informații despre densitatea și structura internă a acestuia.
Anomaliile câmpului gravitațional nu sunt mari. Valorile lor fluctuează în mai multe unități de 10-3 m/s 2, ceea ce reprezintă 0,05% din valoarea totală a gravitației și un ordin de mărime mai mic decât modificarea sa normală. Diferențierea densităților în cortex are loc atât pe verticală, cât și pe orizontală. Densitatea crește odată cu adâncimea de la 1,9–2,3 g/cm3 la suprafață la 2,7–2,8 g/cm3 la nivelul limitei inferioare a crustei și atinge 3,0–3,3 g/cm3 în zona mantalei superioare. Anomaliile gravitaționale, datorită naturii lor fizice și a metodelor utilizate pentru calculul lor, fac posibilă studierea simultană a oricăror neomogenități de densitate ale Pământului, indiferent unde și la ce adâncime se află.
Rolul și importanța datelor gravitaționale în studiul adâncului interior al Pământului a crescut în special în ultimii ani, când nu numai Kola, ci și alte fântâni adânci și superadânci, inclusiv cele străine (Oberpfalz în Germania, Gravberg în Suedia, etc.) nu au confirmat rezultatele interpretării geologice a datelor seismice de adâncime care stau la baza proiectării acestor puțuri.
Pentru interpretarea geologică a anomaliilor gravitaționale în regiuni geomorfologic foarte diferite, alegerea celei mai justificate reduceri a forței gravitaționale capătă un rol special, deoarece, de exemplu, în regiunile muntoase, anomaliile Fay și Bouguer diferă puternic nu numai ca intensitate. , dar chiar și în semn. Reduceri Bouguer și hidrotopografice vă permit să eliminați influența neomogenităților de densitate cunoscute ale Pământuluiși astfel evidențiază componentele mai profunde ale câmpului.
Anterior, amplitudinile și semnele anomaliilor gravitaționale s-au încercat să fie explicate doar prin modificări ale grosimii totale a scoarței terestre și în acest scop s-au calculat coeficienții corelației acesteia cu relieful de zi sau cu anomaliile gravitaționale, apoi ulterioare din ce în ce mai detaliate. Studiul seismic al scoarței terestre și al mantalei superioare, utilizarea metodelor de tomografie seismică a arătat că eterogenitățile seismice laterale și, în consecință, ale densității sunt caracteristice tuturor nivelurilor de diferențiere a maselor profunde ale Pământului, adică nu numai scoarței terestre, ci și mantalele superioare și inferioare și chiar miezul Pământului. Câmpul anomaliilor gravitaționale se modifică într-o cantitate imensă - peste 500 mGal - de la -245 la +265 mGal, formând un sistem de anomalii gravitaționale globale, regionale și mai locale de diferite mărimi și intensități, care caracterizează crusta, crusta-manta și mantaua propriu-zisă. niveluri de densitate laterală neomogenități ale pământului. Câmpul gravitațional anormal reflectă efectul total al maselor gravitaționale situate la diferite adâncimi în scoarța terestră și în mantaua superioară. Astfel, structura bazinelor sedimentare se manifestă mai bine într-un câmp gravitațional anormal în prezența unei diferențieri suficiente de densitate în zonele în care rocile subsolului cristalin se află la adâncimi mari. Efectul gravitațional al rocilor sedimentare în zonele cu un subsol puțin adânc este mult mai dificil de observat, deoarece este ascuns de influențele caracteristicilor subsolului. Zonele cu o grosime mare a „stratului de granit” se disting prin anomalii gravitaționale negative. Aflorimentele masivelor granitice de la suprafață sunt caracterizate de minime ale forței gravitaționale. În câmpul gravitațional anormal, limitele blocurilor individuale sunt clar definite de zone cu gradienți mari și maxime de gravitație în dungi. În cadrul platformelor și zonelor pliate, se disting structuri mai mici, depresiuni, creste și adâncituri. Cele mai globale anomalii gravitaționale care caracterizează neomogenitățile nivelului propriu-zis al mantalei (astenosferic) sunt atât de mari încât doar părțile marginale ale acestora intră pe teritoriul Rusiei luate în considerare, fiind urmărite cu mult dincolo de granițele sale, unde intensitatea lor crește semnificativ. Zona unificată a maximului gravitațional al Mediteranei coincide cu bazinul Mării Mediterane și este delimitată de la nord de un mic minim gravitațional alpin, iar la est de un singur minim gravitațional asiatic foarte intens și uriaș, corespunzător în general megaumflarii asiatice a Pământul, acoperind structurile montane din Asia Mijlociu și Înaltă, de la Transbaikalia la Himalaya și, în consecință, de la Tien Shan până la sistemul de depresiuni din nord-estul Chinei interioare (Ordos, Sichuan etc. ). Acest minim global de gravitație asiatic scade în intensitate și poate fi urmărit mai departe pe teritoriul nord-estului Rusiei (structuri montane din Altai, Transbaikalia, regiunea Verkhoyansk-Chukotka), iar ramura sa acoperă aproape întreaga zonă a Platforma precambriană siberiană activată în ultima vreme în ansamblu ușor înălțat (până la 500–1000 m) Podișul Siberian. Partea nordică extremă a maximului Egee se încadrează parțial pe teritoriul Rusiei, unde, după o ușoară ciupire, începe un nou maxim, traversând oblic platforma Rusiei, Uralii, Siberia de Vest și plecând în nord în Oceanul Arctic. În estul extrem și nord-est, intrând, de asemenea, doar parțial pe teritoriul Rusiei, există un altul - uriașul maxim al gravitației Pacificului, a cărui parte marginală se întinde sub forma unei zone liniare intense a unui gradient gravitațional din Insulele Shantar. spre strâmtoarea Bering prin toată marginea continentului eurasiatic şi spălându-şi mările. Găsiți o explicație logică și diferite semne ale acestor anomalii, având în vedere că zona de topire, pe măsură ce se ridică la suprafața astenolitului, lasă în urmă la fiecare nivel roci topite, relativ mai dense decât straturile care le conțin lateral. Prin urmare, în câmpul gravitațional, întreaga sumă a unor astfel de roci retopite creează un singur maxim total de gravitație și chiar și prezența „straturilor” topite (zone de inversare a vitezei și a densității) în acesta nu își va schimba caracteristicile generale, așa cum se observă. în părțile marginale ale Oceanului Arctic care se încadrează în hartă.- Maximele gravitaționale globale ale Atlanticului și Pacificului. Masele anormale care creează minimul global din Asia Centrală sunt probabil la adâncimi și mai mari, drept urmare zona de topire formată a condus la o creștere a volumului numai a maselor adânci și, în consecință, la formarea unui singur gigant. Megabulgerea asiatică a Pământului la suprafață și prezența unei lentile topite la profunzime, aparent a provocat magmatism bazaltoid, de volum mic și împrăștiat pe întreg acest teritoriu, conductele de explozie mezozoice în Tien Shan, vulcanii cuaternari dispăruți din regiunea Altai-Sayan. , și, în sfârșit, magmatismul bazaltoid mai intens al ținuturilor înalte Baikal-Patom, care depășește cu mult ruptura Baikal în sine.
Dacă avem de-a face cu atracția gravitațională a unui corp de masă m către Pământ (gravitația pământului), apoi pe suprafața Pământului g= (GM o /R o 2) r o, unde M o este masa Pământului (M o \u003d 5.976 . 10 24 kg), r o - un vector unitar îndreptat de la corp către centrul Pământului (orice corp de pe suprafața Pământului poate fi întotdeauna considerat un punct material datorită dimensiunii mici a oricărui corp în comparație cu dimensiunea Pământului), care este considerată ca o minge cu raza R o =6,371030 . 10 6 m. Înlocuind valorile lui Mo și R o în ultima formulă, obținem pentru modulul vectorului g valoarea g „9,81 m/s 2. Această cantitate se numește accelerație în cădere liberă. Întrucât Pământul nu este o sferă perfectă (la polii R o =6,356799,10 6 m, la ecuator R o =6,378164,10 6 m), valoarea lui g depinde oarecum de latitudine (variază de la 9,780 la 9,832). m/s 2). In orice caz, într-un loc dat de pe Pământ, accelerația căderii libere este aceeași pentru toate corpurile(legea lui Galileo).
Un corp cu masa m, situat pe suprafața Pământului, este afectat de o forță P= m g, Care e numit gravitatie. Dacă un corp de masă m se află la o înălțime h deasupra suprafeței Pământului, atunci P = m(GM o /(R o + h) 2 , cu alte cuvinte, gravitația scade cu distanța de la suprafața pământului.
Conceptul este adesea folosit greutate corporala -fortaJ, Cu pe care corpul, datorită gravitației către Pământ, acționează asupra unui suport (sau suspensie) care împiedică corpul de cădere liberă.. Greutatea corpului se manifestă numai atunci când, pe lângă forța gravitației, asupra corpuluiP (ea spune accelerarea corpului g), o altă forță acționează (care indică accelerația corpului A) : J= m g- m A= m( g-a). Evident, la accelerare gȘi A egală în valoare absolută și direcționată în direcții opuse, atunci greutatea corpului este zero(stare de imponderabilitate). Această situație apare, în special, pe sateliții spațiali ai Pământului.
4.4 Viteze spațiale
Prima viteză cosmică v1 ei numesc o astfel de viteză minimă care trebuie raportată corpului pentru ca acesta să se poată mișca în jurul Pământului pe o orbită circulară (se transformă într-un satelit artificial al Pământului). Un satelit care se mișcă pe o orbită circulară cu raza r este afectat de forța gravitațională a Pământului, dându-i o accelerație normală v 1 2 /r. Conform celei de-a doua legi a lui Newton, GmM/r 2 = mv 1 2 /r și, prin urmare, dacă satelitul se deplasează lângă suprafața Pământului (r = R este raza Pământului), avem v 1 = 7,9 km/s.
a doua viteză cosmică v2 numită cea mai mică viteză care trebuie raportată corpului pentru ca acesta să poată depăși gravitația Pământului și să devină un satelit al Soarelui. Pentru a depăși gravitația pământului, energia cinetică a corpului trebuie să fie egală cu munca efectuată împotriva forțelor gravitației: mv 2 2 /2=(GmM/r 2)dr = GmM/R, de unde avem v 2 = 11,2 km/s.
a treia viteză cosmică v 3 numiți viteza care trebuie raportată corpului și Pământului astfel încât acesta să părăsească sistemul solar(v3 = 16,7 km/s).
4.5 Cadre de referință non-inerțiale. Forțele de inerție.
Legile lui Newton sunt valabile numai în cadre de referință inerțiale. Se numesc cadre de referință care se mișcă în raport cu cadrele inerțiale cu accelerațieneinerțială. În sistemele non-inerțiale, legile lui Newton nu sunt valabile. Totuși, legile dinamicii pot fi folosite și pentru sistemele neinerțiale, dacă, pe lângă forțe F, datorită influenței corpurilor unul asupra celuilalt, a se introduce în considerare forțe de inerție Fîn. Dacă luăm în considerare forțele de inerție, atunci cea de-a doua lege a lui Newton va fi valabilă pentru orice cadru de referință: produsul dintre masa unui corp și accelerația din cadrul în cauză este egal cu suma tuturor forțelor care acționează asupra unui corp dat ( inclusiv forţele de inerţie). Forțele de inerție Fîn acelaşi timp, ele trebuie să fie astfel încât, împreună cu forţele F i-au spus corpului să accelereze a`, ceea ce are în cadre de referință neinerțiale, i.e. m a`=F+Fîn şi pentru că F= m A(Aici A-acceleraţia corpului în cadrul de referinţă inerţial), apoi m a`= m A+Fîn.
Forțele de inerție se datorează mișcării accelerate a cadrului de referință în raport cu cadrul măsurat și, prin urmare, în cazul general, trebuie luate în considerare următoarele cazuri de manifestare a acestor forțe:
1. Forțele de inerție în timpul mișcării accelerate de translație a cadrului de referință F n =m A o, Aici A O- accelerarea mişcării de translaţie a sistemului de referinţă.
2. Forțele de inerție care acționează asupra unui corp în repaus într-un cadru de referință rotativ F q \u003d -m w 2 R, aici w=const - viteza unghiulara a sistemului sub forma unui disc rotativ cu raza R.
3. Forțele de inerție care acționează asupra unui corp care se deplasează într-un cadru de referință rotativ F k = 2m[ v`w] unde este puterea F k (forța Coriolis) este perpendiculară pe vectorii viteză ai corpului v`și viteza unghiulară de rotație w sisteme de referință în conformitate cu regula șurubului drept.
În conformitate cu aceasta, obținem legea de bază a dinamicii pentru cadrele de referință neinerțiale
m a`=F+F n+ F c + F La.
Este semnificativ faptul că forțe de inerție sunt cauzate nu de interacțiunea corpurilor, ci de mișcarea accelerată a cadrului de referință. Prin urmare aceste forțe nu respecta cea de-a treia lege a lui Newton , deoarece dacă o forță de inerție acționează asupra unui corp, atunci nu există nicio forță opusă aplicată acestui corp. Cele două principii de bază ale mecanicii, conform cărora accelerația este întotdeauna cauzată de forță, iar forța se datorează întotdeauna interacțiunii dintre corpuri, nu sunt îndeplinite simultan în sistemele care se mișcă cu accelerație. Prin urmare, forțele inerțiale nu sunt forțe newtoniene .
Pentru orice corp situat într-un cadru de referință non-inerțial, forțele de inerție sunt externe și, prin urmare, nu există sisteme închise aici - aceasta înseamnă că în cadrele de referință non-inerțiale legile conservării momentului, energiei și unghiular. impulsul nu sunt îndeplinite.
Analogia dintre forțele gravitaționale și forțele de inerție stă la baza principiului echivalenței forțelor gravitaționale și forțelor inerțiale. (principiul echivalenței lui Einstein): toate fenomenele fizice din câmpul gravitațional se produc exact în același mod ca și în câmpul corespunzător de forțe de inerție, dacă forțele ambelor câmpuri în punctele corespunzătoare din spațiu coincid. Acest principiu stă la baza teoriei generale a relativității.
În jurul Pământului există un câmp gravitațional, datorită masei sale. Acest câmp se numește gravitațional. Forța de atracție este inerentă atât în corpurile mici, cât și în cele mari. Cu cât masa corpului este mai mare, cu atât câmpul gravitațional este mai puternic. În apropierea suprafeței Pământului, valoarea medie a acestuia este de aproximativ 9,8 m/s 2. Intensitatea câmpului scade odată cu înălțimea. Teoretic, câmpul gravitațional al Pământului se extinde la infinit. Mai aproape de suprafața Pământului, forța gravitațională capătă un caracter ușor diferit. Aici se manifestă forțe care nu numai că atrag, ci și resping corpurile situate pe suprafața Pământului. Forța de respingere se datorează rotației Pământului în jurul axei sale și se numește centrifugă. Rezultanta a două forțe - gravitațională și centrifugă - se numește gravitație. Se determină forța de atracție de către masa corpurilor. Masa, de fapt, este forța cu care corpurile sunt atrase spre centrul Pământului. Forța de atracție menține corpurile și obiectele pe suprafața Pământului, iar câmpul gravitațional ține Luna, satelitul Pământului, la distanță.
Distribuția gravitației pe suprafața Pământului depinde de latitudinea geografică: cu creșterea latitudinii, aceasta crește. Scăderea gravitației în direcția ecuatorului se datorează a două motive: o creștere a forței centrifuge în această direcție și o creștere a distanței de la centrul planetei, precum și caracteristicile structurii sale interne. Dacă Pământul ar fi un glonț obișnuit nemișcat, omogen ca compoziție de la suprafață la centru, atunci forța sa de atracție ar fi aceeași peste tot și ar fi îndreptată spre centrul planetei.
La poli, unde practic nu există forță centrifugă, iar distanța până la centrul Pământului este cea mai mică, forța de atracție este cea mai mare și se ridică la 9,83 m/s 2. La ecuator, forța centrifugă și distanța sunt cele mai multe, prin urmare forța de atracție este cea mai mică - 9,78 m / s 2.
Influența câmpului gravitațional asupra dezvoltării planetei și a anvelopei sale geografice este enormă. Forța gravitației determină adevărata formă a suprafeței pământului - geoidul, duce la mișcarea scoarței terestre. SUB influența sa se află mișcarea rocilor libere, a maselor de apă, a gheții, a aerului. Câmpul gravitațional al Pământului este unul dintre motivele ciclurilor din litosferă, atmosferă și hidrosferă.
Câmpul gravitațional însuși este determinat, după cum sa menționat deja, de masa Pământului. Se calculează că masa totală a Pământului (F) este de 5,976 x zece douăzeci și șapte g. Este imposibil să măsori această masă direct, dar este relativ ușor să o calculezi folosind formula atracției gravitaționale:
Unde k e- constantă gravitațională egală cu 6,67 +10 +8; m1, m2- mase de corpuri implicate, g d- distanta intre centrele corpurilor, cm.
Volumul Pământului sferic este, de asemenea, ușor de calculat aproximativ, deoarece raza măsurătorilor arcelor cercului său este cunoscută. Volumul planetei noastre găsit în acest fel este de 1,083 zece doi +7 cm3.
Cunoscând masa și volumul Pământului, puteți găsi densitatea medie a acestuia. Este de 5,52 g / cm 3, adică de două ori densitatea granitului "
S-a stabilit că scoarța terestră are o densitate medie de 2,7 g/cm 3. Astfel, pentru ca densitatea medie a Pământului să fie de 5,52 g/cm 3, partea interioară a Pământului trebuie să fie mai densă decât cea exterioară. Creșterea densității cu adâncimea poate fi explicată prin diferențele de compoziție chimică și forța enormă cu care părțile exterioare ale Pământului presează pe interior. Se presupune că miezul interior are o densitate de aproximativ 13 g/cm3.
Magnetismul terestru
Pământul este un imens magnet sferic. Deși oamenii știu despre prezența magnetismului pe planetă de mult timp, iar oamenii de știință din diferite țări ale lumii studiază proprietățile acestuia, multe rămân neclare în natura câmpului său magnetic. Se știe că printre metale doar fierul și nichelul pot fi magneți permanenți. Aceste materiale se numesc feromagnetice. Dar substanțele feromagnetice încetează să mai fie magnet dacă sunt încălzite deasupra punctului Curie (770°C pentru fier și 358°C pentru nichel). Deoarece temperatura din interiorul Pământului este mult mai mare decât aceste valori, miezul pământului, care este format în principal din fier și nichel, nu poate fi feromagnetic din cauza lipsei condițiilor adecvate pentru aceasta.
Dintre multele teorii care au fost prezentate pentru a explica originea câmpului magnetic al Pământului, cea mai populară în prezent este teoria dinamului. Potrivit ei, Pământul este mai mult un electromagnet decât un magnet permanent: curentul electric, în ce fel datorită convecției turbulente din miezul lichid, formează în jurul său un câmp de magnetizare uniformă, sau un câmp constant. Întrebarea sursei de energie care provoacă convecția în miezul pământului, unde există foarte puține elemente radioactive sau deloc, rămâne neclară. Sunt permise trei opțiuni: 1) cristalizarea treptată a fierului are loc la limita dintre miezul interior și exterior cu eliberarea de căldură; 2) datorită coborârii fierului din manta în jos, se eliberează energie gravitațională; 3) căldura este eliberată în timpul schimbărilor de fază ale substanțelor care apar ca urmare a expansiunii ipotetice a Pământului.
Câmpul magnetic al Pământului atinge o înălțime de 80-90 mii km de suprafața sa. Până la o înălțime de 44 mii km, câmpul magnetic este constant, magnitudinea sa scade treptat odată cu distanța de la suprafața pământului. La o altitudine de 44 până la 90 de mii de km, câmpul magnetic este variabil, în funcție de semn, captează și deține electroni sau protoni. Sfera spațiului din apropierea Pământului, în care există părți încărcate captate de câmpul magnetic al Pământului, se numește magnetosferă.
Structura magnetosferei Pământului, adică spațiul înconjurător, ale cărui proprietăți fizice sunt determinate de câmpul magnetic al Pământului și de interacțiunea acestuia cu fluxul de particule încărcate ale vântului solar, părea destul de simplă în trecut. Se credea că magnetosfera formează un dipol simetric. Dar nici primele măsurători directe ale câmpurilor magnetice, care au fost făcute direct în spațiu, nu au confirmat această ipoteză. S-a dovedit că magnetosfera Pământului este extrem de asimetrică: pe partea Soarelui, câmpul magnetic este puternic comprimat, iar pe partea opusă, dimpotrivă, este foarte alungită și formează un lung, de până la 1 milion de km, coadă magnetosferică (fig. 5). Aceasta este o consecință a vântului solar care curge în jurul magnetosferei. Aici, în funcție de presiunea vântului solar, granița magnetosferei din partea Soarelui - magnetopauza - fie se apropie de Pământ (cu creșterea presiunii), fie se îndepărtează (când este slăbită). Plasma vântului solar curge în jurul magnetosferei Pământului cu viteză supersonică, în urma căreia se formează o undă de șoc în fața magnetosferei, care este separată de magnetopauză printr-o regiune de tranziție.
Orez. 5.
Liniile de forță ale câmpului geomagnetic, se deplasează înapoi sub influența vântului solar, formează o coadă sau „coada” magnetosferei. Este împărțit de un strat neutru magnetic în două sectoare - nordic și sudic. Liniile magnetice de forță ale sectoarelor asociate cu regiunile polare ale Pământului. În stratul neutru din punct de vedere magnetic este concentrată o plasmă densă și fierbinte, cu o temperatură de aproximativ un milion de grade, care, prin presiunea sa, împiedică anihilarea liniilor de forță de direcții opuse în sectoarele „cozii”.
Centurile de radiații sunt situate în interiorul magnetosferei. Ele constau din particule încărcate de protoni și electroni captate de câmpul magnetic al Pământului din fluxul vântului solar. Centurile de radiații formează un strat al ionosferei în atmosferă și sunt considerate o zonă de radiații prinse; ar fi capcane magnetice pentru particulele încărcate ale spațiului.
Câmpul magnetic se manifestă clar atunci când se lucrează cu o busolă: un ac magnetic în orice punct de pe suprafața pământului este setat într-o anumită direcție. Unghiul format de meridianele magnetice și geografice se numește declinație magnetică. Este calculată de capătul de nord al acului busolei și poate fi la vest sau la est (Fig. 6).
Orez. 6.
Liniile care leagă punctele cu aceeași declinație se numesc izogoni. Zero izogon este o linie care leagă punctele în care acul busolei este îndreptat simultan către polii magnetic și geografic. Împarte globul în două părți. Acum linia declinației zero trece prin părțile de mijloc ale Americii de Nord și de Sud, iar în Eurasia face o cale foarte șerpuitoare din Scandinavia prin Europa Centrală până în Egipt, apoi până în Somalia și prin Himalaya intră în Marea Laptev, de unde se întoarce din nou spre sud (vezi Fig. 7). ). Pentru a caracteriza magnetismul terestru se determină și înclinația magnetică, adică unghiul format de acul magnetic și planul orizontal. Un ac magnetic suspendat liber menține o poziție orizontală doar pe linia ecuatorului magnetic, care nu coincide cu cea geografică. La nord și la sud de ecuatorul magnetic, săgeata se înclină spre suprafața pământului și, cu cât mai mult, cu atât latitudinea este mai mare. Liniile care leagă puncte de aceeași înclinare se numesc izocline. Deoarece polii magnetici nu se aliniaza cu cei geografici, nici izoclinii nu se aliniaza cu paralelele.
Orez. 7.
Polii magnetici își schimbă poziția de la an la an. Acum polul magnetic nordic este situat printre insulele Canadei și are coordonatele de 77 ° N. SH. și aplicația o sută secundă. iar polul magnetic sudic este situat în Antarctica la aproximativ 65°S. SH. și 139° E. e. Se consideră dovedit că acum 300 de milioane de ani polii magnetici se aflau în regiunea ecuatorială modernă.
Câmpul magnetic de lângă suprafața Pământului este caracterizat și de mărimea tensiunii magnetismului pământului. Este determinată de numărul de oscilații ale unui ac magnetic pe unitatea de timp sau de perioada de oscilație a acestuia, la fel cum forța gravitației este determinată de perioada de oscilație a pendulului. Tensiunea magnetismului la poli este mai mare decât la ecuator. Locurile în care câmpul magnetic este cel mai puternic se numesc poli de tensiune.
După cum arată rezultatele măsurătorilor, anomaliile magnetice sunt adesea observate pe suprafața planetei. Ele se manifestă prin abaterea valorilor elementelor magnetismului terestru de la valorile lor medii pentru un loc dat. Există anomalii magnetice regionale și locale. Cele regionale acoperă suprafețe mari, sunt cauzate de procese profunde. Un exemplu de anomalie regională este anomalia din Siberia de Est, unde există o declinație vestică în loc de una estică. Anomaliile magnetice locale sunt asociate cu caracteristicile locale ale structurii scoarței terestre (de exemplu, cu zăcăminte de minereu de fier), ca, de exemplu, în Kursk, Harkov.
Câmpul magnetic suferă oscilații periodice și neperiodice. Cele mai puternice oscilații magnetice periodice se numesc furtuni magnetice. Sunt cauzate de modificări ale curenților electrici din atmosferă sub influența vântului solar.
Magnetismul are o mare importanță practică. Cu ajutorul unui ac magnetic se determină direcțiile laturilor orizontului. Metodele magnetometrice de prospectare a mineralelor se bazează pe stabilirea legăturilor dintre elementele magnetice și structurile geologice. Studiul paleomagnetismului Pământului face posibilă recrearea istoriei dezvoltării scoarței terestre. Magnetosfera protejează învelișul geografic al Pământului de impactul direct al vântului solar, de pătrunderea electronilor și protonilor de înaltă energie în straturile inferioare ale atmosferei și, prin urmare, modifică influența spațiului asupra vieții sălbatice.
Interacțiunea gravitațională este una dintre cele patru interacțiuni fundamentale din lumea noastră. În cadrul mecanicii clasice, interacțiunea gravitațională este descrisă de Legea gravitației Newton, care afirmă că forța de atracție gravitațională dintre două puncte materiale de masă m 1 și m 2 separate prin distanță R, este proportional cu ambele mase si invers proportional cu patratul distantei - i.e.
.Aici G- constantă gravitațională, egală cu aproximativ 
m³/(kg s²). Semnul minus înseamnă că forța care acționează asupra corpului este întotdeauna egală în direcție cu vectorul rază îndreptat către corp, adică interacțiunea gravitațională duce întotdeauna la atracția oricăror corpuri.
Legea gravitației universale este una dintre aplicațiile legii inversului pătratului, care se întâlnește și în studiul radiațiilor (vezi, de exemplu, Presiunea luminii), și care este o consecință directă a creșterii pătratice a ariei lui sfera cu rază crescătoare, ceea ce duce la o scădere pătratică a contribuției oricărei unități de suprafață la aria întregii sfere.
Cea mai simplă sarcină a mecanicii cerești este interacțiunea gravitațională a două corpuri în spațiul gol. Această problemă este rezolvată analitic până la capăt; rezultatul soluției sale este adesea formulat sub forma celor trei legi ale lui Kepler.
Pe măsură ce numărul corpurilor care interacționează crește, problema devine mult mai complicată. Deci, deja celebra problemă a trei corpuri (adică mișcarea a trei corpuri cu mase diferite de zero) nu poate fi rezolvată analitic într-o formă generală. Cu o soluție numerică, instabilitatea soluțiilor în raport cu condițiile inițiale se instalează destul de repede. Când este aplicată sistemului solar, această instabilitate face imposibilă prezicerea mișcării planetelor la scari care depășesc o sută de milioane de ani.
În unele cazuri speciale, este posibil să găsiți o soluție aproximativă. Cel mai important este cazul când masa unui corp este semnificativ mai mare decât masa altor corpuri (exemple: sistemul solar și dinamica inelelor lui Saturn). În acest caz, în prima aproximare, putem presupune că corpurile de lumină nu interacționează între ele și se deplasează de-a lungul traiectoriilor kepleriene în jurul unui corp masiv. Interacțiunile dintre ele pot fi luate în considerare în cadrul teoriei perturbațiilor și mediate în timp. În acest caz, pot apărea fenomene non-triviale, cum ar fi rezonanțe, atractori, aleatoriu etc. Un bun exemplu de astfel de fenomene este structura non-trivială a inelelor lui Saturn.
În ciuda încercărilor de a descrie comportamentul unui sistem cu un număr mare de corpuri de atracție de aproximativ aceeași masă, acest lucru nu se poate face din cauza fenomenului de haos dinamic.
Câmpuri gravitaționale puternice
În câmpurile gravitaționale puternice, când se deplasează cu viteze relativiste, încep să apară efectele relativității generale:
- abaterea legii gravitației de la Newtonian;
- întârziere potențială asociată cu viteza de propagare finită a perturbațiilor gravitaționale; apariția undelor gravitaționale;
- efecte neliniare: undele gravitaționale tind să interacționeze între ele, deci principiul suprapunerii undelor în câmpuri puternice nu mai este valabil;
- modificarea geometriei spațiu-timpului;
- apariția găurilor negre;
Radiația gravitațională
Una dintre predicțiile importante ale relativității generale este radiația gravitațională, a cărei prezență nu a fost încă confirmată prin observații directe. Cu toate acestea, există dovezi indirecte de observație în favoarea existenței sale și anume: pierderea de energie în sistemul binar cu pulsarul PSR B1913+16 - pulsarul Hulse-Taylor - este în bună concordanță cu modelul în care această energie este dusă. prin radiație gravitațională.
Radiația gravitațională nu poate fi generată decât de sisteme cu patrupol variabil sau momente multipolare mai mari, acest fapt sugerând că radiația gravitațională a majorității surselor naturale este direcțională, ceea ce complică foarte mult detectarea acesteia. Puterea gravitațională l-sursa poli este proportionala (v / c) 2l + 2 , dacă multipolul este de tip electric și (v / c) 2l + 4 - dacă multipolul este de tip magnetic, unde v este viteza caracteristică a surselor din sistemul radiant și c este viteza luminii. Astfel, momentul dominant va fi momentul cvadrupol de tip electric, iar puterea radiației corespunzătoare este egală cu:
Unde Q ij este tensorul momentului cvadrupolar al distribuției de masă a sistemului radiant. Constant 
(1/W) face posibilă estimarea ordinului de mărime al puterii de radiație.
Din 1969 (experimentele lui Weber (engleză)) și până în prezent (februarie 2007), s-au făcut încercări de a detecta direct radiația gravitațională. În SUA, Europa și Japonia, există în prezent mai multe detectoare la sol în funcțiune (GEO 600), precum și un proiect pentru un detector gravitațional spațial al Republicii Tatarstan.
Efecte subtile ale gravitației
Pe lângă efectele clasice ale atracției gravitaționale și dilatației timpului, teoria generală a relativității prezice existența altor manifestări ale gravitației, care sunt foarte slabe în condiții terestre și de aceea detectarea și verificarea experimentală a acestora sunt deci foarte dificile. Până de curând, depășirea acestor dificultăți părea dincolo de capacitățile experimentatorilor.
Printre ele, în special, se pot numi tragerea cadrelor de referință inerțiale (sau efectul Lense-Thirring) și câmpul gravitomagnetic. În 2005, sonda robotică gravitațională B a NASA a efectuat un experiment cu o precizie fără precedent pentru a măsura aceste efecte în apropierea Pământului, dar rezultatele complete nu au fost încă publicate.
teoria cuantică a gravitației
În ciuda a mai mult de jumătate de secol de încercări, gravitația este singura interacțiune fundamentală pentru care nu a fost încă construită o teorie cuantică renormalizabilă consistentă. Totuși, la energii scăzute, în spiritul teoriei câmpului cuantic, interacțiunea gravitațională poate fi reprezentată ca un schimb de gravitoni - bosoni gauge cu spin 2.
Teorii standard ale gravitației
Datorită faptului că efectele cuantice ale gravitației sunt extrem de mici chiar și în cele mai extreme condiții experimentale și de observație, încă nu există observații fiabile ale acestora. Estimările teoretice arată că în majoritatea covârșitoare a cazurilor ne putem limita la descrierea clasică a interacțiunii gravitaționale.
Există o teorie clasică canonică modernă a gravitației - teoria generală a relativității și multe ipoteze care o rafinează și teorii cu diferite grade de dezvoltare care concurează între ele (vezi articolul Teorii alternative ale gravitației). Toate aceste teorii oferă predicții foarte similare în cadrul aproximării în care se desfășoară în prezent testele experimentale. Următoarele sunt câteva dintre teoriile majore, cele mai bine dezvoltate sau cunoscute ale gravitației.
- Gravitația nu este un câmp geometric, ci un câmp de forță fizic real descris de un tensor.
- Fenomenele gravitaționale ar trebui luate în considerare în cadrul spațiului plat Minkowski, în care legile de conservare a energiei-moment și a momentului unghiular sunt îndeplinite fără ambiguitate. Atunci mișcarea corpurilor în spațiul Minkowski este echivalentă cu mișcarea acestor corpuri în spațiul Riemannian efectiv.
- În ecuațiile tensorale, pentru a determina metrica, ar trebui să se ia în considerare masa gravitonului și, de asemenea, să se utilizeze condițiile de măsurare asociate cu metrica spațiului Minkowski. Acest lucru nu permite distrugerea câmpului gravitațional chiar și local prin alegerea unui cadru de referință adecvat.
Ca și în relativitatea generală, în RTG, materia se referă la toate formele de materie (inclusiv câmpul electromagnetic), cu excepția câmpului gravitațional însuși. Consecințele teoriei RTG sunt următoarele: găurile negre ca obiecte fizice prezise în relativitatea generală nu există; Universul este plat, omogen, izotrop, imobil și euclidian.
Pe de altă parte, există argumente nu mai puțin convingătoare ale adversarilor RTG, care se rezumă la următoarele puncte:
Un lucru similar se întâmplă în RTG, unde a doua ecuație tensorală este introdusă pentru a ține cont de legătura dintre spațiul non-euclidian și spațiul Minkowski. Datorită prezenței unui parametru de potrivire adimensională în teoria Jordan-Brans-Dicke, devine posibilă alegerea acestuia astfel încât rezultatele teoriei să coincidă cu rezultatele experimentelor gravitaționale.
| Teorii ale gravitației | ||||||||
|
Surse și note
Literatură
- Vizgin V.P. Teoria relativistă a gravitației (origini și formare, 1900-1915). M.: Nauka, 1981. - 352c.
- Vizgin V.P. Teorii unificate în prima treime a secolului al XX-lea. M.: Nauka, 1985. - 304c.
