Сведения о формах, размерах и движении Земли

      Содержание.

1. Дано: Сведения о формах, размерах и движении Земли
2. Порядок выполнения работы

1. Форма и размеры Земли………………………………………………………. 2

2. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение……………………….. 4
3. Геофизические следствия формы, размеров и движения Земли……….. 6
4. Устройство поверхности (основные понятия)……………………………….... 8
5. Внешние оболочки (основные понятия)……………………………………….. 9
6. Внутренние оболочки (основные понятия)…………………………………... 10
7. Современные представления о происхождении геосфер (основные понятия)………………………………………………………………………....... 11

3. Анализ полученных результатов………………………………………………... 12

Литература…………………………………………………………………............. 12

2.1. Форма и размеры  Земли

        С древнейших  времен ученых интересовала форма   Земли,  и представление о ней эволюционировало вместе с развитием взглядов человечества  на  пространство.   Сначало   считалось, что она плоская,  дискообразная,   окружена     мифической     рекой     Океан.

В дальнейшем, в VI в. до н. э.  были высказаны предположения о шарообразности Земли, а спустя три века Архимед ввел понятие о сфероиде — поверхности, близкой по форме к сфере. В конце III — начале II в. до н. э. Эратосфен, который впервые вычислил разность географических широт Асуана и Александрии, определил размеры Земли, учитывая ее шарообразность. Зная расстояние между указанными пунктами, он рассчитал, что радиус земного шара равен 6311000 м. Вплоть до XVII в. господствовало представление о Земле как о шаре с таким радиусом. С появлением более совершенных технических средств и методов триангуляционных работ  начали  проводиться  уточнения  размеров  и формы Земли. Так, в 1669—1670гг. французский астроном Пикар по измерениям длины дуги меридиана в 1°22'55¢¢ вычислил, что радиус Земли составляет 6371692 м.                                          
Данные Пикэра и работа Коперника «Об обращении небесных сфер» (1543 г.)   послужили основой для разработки Ньютоном в 1687 г. теории фигуры Земли. Рассматривая суточное вращение Земли, Ньютон заключает, что «фигура планеты при не  очень быстром вращении должна принять форму эллипсоида вращения».

Земной  эллипсоид вращения отличается от шара тем, что он сплюснут у полюсов, меридианы его представляют собой эллипсы,  полярная   и   экваториальная   полуоси   имеют различную длину. Это означает, что кривизна дуги меридиана у полюсов меньше, чем у экватора. Данные фактических измерений объективно подтверждают указанное различие длины дуг меридиана.

Таблица 2.3

Длина дуги 1° меридиана

Эллипсоид вращения характеризуется большой  экваториальной (а_э) и малой полярной (b) полуосями, а также полярным сжатием а:

       .                                (2.1)

      Сжатие  земного эллипсоида можно также  выразить через силы вращения Земли и ускорение свободного падения:

       ,                                         (2.2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от плотности Земли; w — угловая скорость вращения Земли; d — радиус вращений;   g_э  — ускорение свободного падения на экваторе.

      Плотность всех геосфер по вертикали не остается постоянной, она неодинакова и в разных точках на одной и той же глубине (высоте). Неравномерное распределение суши и моря на земном шаре усиливает неравномерность пространственного распределения плотности Земли. Все это свидетельствует о том, что на величину а влияют не только скорость осевого вращения Земли и ее размеры, но и характер внутреннего строения планеты (степень се однородности). Изменение одной из компонент правых частей формул (2.1) и (2.2) вызывает изменение величины а. 
 

      Рис. 2.4. Трехосный эллипсоид вращения. 

     Значения  коэффициента k в формуле (2.2) заключены в некотором интервале. Первое крайнее значение этого интервала (k=1,25) принято Ньютоном па основе предположения о равенстве плотности во всех точках твердого тела Земли, второе (k =0,50) — Гюйгенсом при допущении, что вся масса Земли сосредоточена в ее центре. В соответствии с указанными допущениями, .

     В результате этих работ ученых на протяжении XVIII—XIX вв. и первых десятилетий XX, было установлено, что Земля не является ни шаром, ни двухосным эллипсоидом вращения, а больше всего по форме приближается к трехосному эллипсоиду вращения. Этот эллипсоид отличается от обычного тем, что у него не только меридианы, но и экватор является эллипсом. В 1940 г. А.А.Изотовым под руководством Красовского были вычислены элементы земного трехосного эллипсоида. Его размеры таковы (рис. 2.4): а_э=6378,245 км, малая экваториальная полуось а₁= 6378,032 км, b = 6356,863 км, a_э—b=21,382 км, a=1:288,3. 

      Объем земного трехосного эллипсоида и  площадь его поверхности соответственно равны 1,083×10²¹ м³ и 5,1×10¹⁴ м², длина окружности меридиана составляет 40008,548 км, радиус шара такого же объема равен 6371,200 км. Экваториальное сжатие . Этот эллипсоид носит название эллипсоида Красовского.

     В последнее время на основе анализа  движений ИСЗ, запущенных по полярным орбитам, найдено, что коэффициент k в формуле (2.2) равен 0,966. В соответствии с этим полярное сжатие Земли равно 1/298,25. Этим значением и предпочитают теперь пользоваться.

На основе многочисленных измерений Международный  астрономический союз в 1964 году принял следующие значения элементов двухосного земного эллипсоида: экваториальная полуось 6378,160 км, полярная полуось 6356,780 км и сжатие 1: 298,25.

Данные  ИСЗ и наземные измерения показывают также, что Южное полушарие Земли более сжато, чем Северное. При этом земной трехосный эллипсоид по форме ближе подходит к сердцевидной фигуре — кардиоиду — с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью на Северном.

     Форма Земли не остается постоянной. Она  изменяется под влиянием внешних и внутренних факторов. Основными из них являются изменения геометрических размеров, массы и скорости вращения Земли, а также внутреннего ее строения.

Под влиянием приливного торможения Земли в системах Земля—Луна и Земля—Солнце полярное сжатие земного сфероида a убывает. На это, так называемое вековое, уменьшение a накладываются пульсационные колебания, обусловленные неустойчивостью внутренних слоев нашей планеты. Характерно, что скорость изменения a в Северном и Южном полушариях неодинакова: в ходе векового уменьшения a Северное полушарие опережает Южное. Причиной этого является асимметричность сил вращения Земли, возникающая вследствие несимметричности Северного и Южного полушарий.

     Несимметричность  полушарий выражается в том, что  в Северном полушарии по площади преобладают материки, в Южном — океаны, на Южном полюсе находится материк, на Северном — океан. Также различны геологическая история и состав вещества верхних слоев твердого тела Земли обоих полушарий. Указанная несимметричность тормозит сжатие Северного полушария и ускоряет сжатие Южного. 

     Если  бы весь земной шар был покрыт неглубоким морем, то форма поверхности Земли полностью определялась бы гидростатическим равновесием воды под действием силы тяжести и сил, возникающих из-за вращения Земли, Получающаяся при этом эквипотенциальная поверхность (эквипотенциальная поверхность — поверхность, во всех точках которой гравитационный потенциал постоянен) носит название геоида (рис. 2.5). Под такой поверхностью понимается уровенная  поверхность, совпадающая со средним уровнем Мирового океана и мысленно продолженная под материки. Поверхность геоида всюду перпендикулярна к направлению силы тяжести.

     Рельеф  поверхности материков (горные хребты, котловины и т. д.), как и сами материки, создает заметное отклонение реальной земной поверхности от геоида. Не в меньшей мере этому способствует неравномерное распределение твердых масс в теле Земли. В итоге форма геоида отличается от эллипсоида вращения,  обычно  принимаемого  в    геофизике    за    истинную    форму Земли.

Поверхность геоида достаточно сложная и обычно всюду выпуклая в соответствии с выпуклостью поверхности Мирового океана. Она редко выступает над поверхностью сфероида. Так, на экваторе отклонения геоида от сфероида обычно составляют не более ±100 м и лишь в отдельных случаях +125 и —140 м.

      Рис. 2.5. Поверхность геоида и эллипсоида вращения.

    Действительная поверхность Земли имеет весьма неправильную форму. Поэтому в последнее время делаются попытки определить размеры общего земного эллипсоида, т. е. такого, центр которого совпадает с центром инерции Земли, ось — с осью вращения, а сумма квадратов отклонений точек поверхности от геоида минимальна. В этом смысле важнейшая роль принадлежит измерениям с помощью ИСЗ.

2.2. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение

    Скорость вращения Галактики вокруг своей оси неодинакова – она возрастает  по мере удаления от ядра системы к ее периферии. Полный оборот на расстоянии Солнца от ядра Галактика совершает как минимум за 180 млн лет, вращаясь со скоростью около 25×10⁴ м/с. Галактика постоянно поступательно движется в направлении созвездия Единорога со скоростью около 21×10⁴ м/с. В этих движениях вместе с Солнцем участвует Земля как составная часть Солнечной системы.

    Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с запада на восток (орбитальное движение). Эксцентриситет орбиты равен 0,017. Наиболее близкая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, наиболее удаленная— афелием. Полный оборот вокруг Солнца наша планета совершает за 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд. Характерно, что на отдельных участках орбиты движение Земли происходит быстрее, чем на других. Первую половину своей орбиты планета проходит примерно за 186 суток (с 21 марта по 23 сентября), вторую — за 179 суток (с 23 сентября по 21 марта). Наибольших значений скорость орбитального движения достигает в перигелии, наименьших — в афелии. При средней, или так называемой круговой, скорости Земли, равной 29780 м/с, различие скоростей в перигелии и афелии составляет около 950 м/с.

    Наряду  с орбитальным движением Земля постоянно совершает вращательное движение вокруг своей оси. Такое вращение происходит также с запада на восток, полный оборот вокруг своей оси планета совершает за одни сутки (23 часа 56 минут 4 секунды) с угловой скоростью около 7,292116 ×10^-5 c^-1 ,  или со средней линейной скоростью 465 м/с.

    Продолжительность такого оборота (продолжительность  суток t) и угловая скорость w меняются в течение года. Наибольших значений t достигает в марте (t_III), наименьших — в августе (t_viii). Разность t_III-t_VIII приблизительно равна 25×10^-4 с. Относительное изменение угловой скорости между мартом и августом составляет около 2,8×10^-8. По Н. Н. Павлову, значение t зависит от солнечной активности: при ее максимуме t на 0,7 секунд  больше, чем в период ее минимума.