Сведения о формах, размерах и движении Земли

    Скорости  осевого вращения и движения Земли  не остаются постоянными. Изменения скорости осевого вращения могут быть трех типов: вековые, нерегулярные (скачкообразные) и периодические (сезонные). Вековые изменения приводят к увеличению периода вращения Земли вокруг своей оси. В результате продолжительность суток, например, за последние 2000 лет возрастала в среднем на 0,0023 с в столетие. Нерегулярные изменения скорости могут удлинять или сокращать продолжительность суток до 0,004 с. Периодические изменения ведут к тому, что время осевого вращения Земли в течение года может различаться на ±0,001 с.

     Изменения скорости орбитального движения Земли и скорости ее осевого вращения происходят под действием ряда причин. Они условно могут быть объединены в    две    группы — внутренние и внешние. К первым из них относятся те, которые обусловливаются колебанием момента инерции Земли.

     Известно, что момент количества вращения I свободно вращающегося тела есть величина    постоянная    и представляет собой произведение момента инерции I' на угловую скорость w. Для Земли

                                                          (2.4)

где À — коэффициент, зависящий от структуры планеты (распределения плотностей горных пород по ее радиусу) — так называемый структурный коэффициент (для Земли в настоящее время структурный коэффициент принят равным 0,33), М и `R — соответственно масса и средний радиус Земли.

      Значит, если I' будет уменьшаться (например, из-за уменьшения À и `R), то скорость вращения Земли возрастет. По данным В. Мейсрмана, Н. Парийского и Г. Н. Каттерфельда, средняя интенсивность уменьшения земного радиуса составляет около 5 см за 100 лет, достигая в отдельные периоды 12 см. В то же время уменьшение величины R ведет к уплотнению земных недр, т. е. к уменьшению коэффициента À. Это неизбежно способствует росту значений w.

Уменьшение  радиуса Земли происходит неравномерно. Это усиливается неустойчивостью механического    и    физико-химического  состояния земных недр. Так, давление в    центре    Земли Р_з    по П. Н. Тверскому, равно:

  ,                                                             (2.5) 

где f — гравитационная постоянная.

     Из  формулы (2.5) видно, что небольшое  уменьшение радиуса планеты сопровождается резким увеличением давления во всех слоях ее недр. Это приводит к перетоку новых масс планеты в состав ее ядра и его уплотнению. В итоге давление Р_з растет, а объем планеты уменьшается. В целом из-за гравитационного сжатия и уменьшения земного радиуса наблюдается так называемое вековое ускорение вращения планеты, составляющее в относительных единицах 1,4×10^-8  в столетие.

     Наряду  с внутренними причинами значительно  большее влияние на изменения скорости орбитального движения и осевого вращения Земли оказывают внешние причины. В первую очередь к ним следует отнести приливное трение, воздушные течения и взаимодействие сезонной циркуляции атмосферы с поверхностью Земли. Сущность влияния заключается в следующем. В результате влияния на Землю притяжений Луны и Солнца в океанах и морях образуются приливные волны. Они перемещаются в направлении, противоположном вращению планеты. Это приводит к уменьшению энергии вращательного движения Земли и, тем самым, к замедлению ее вращения.

     В земной атмосфере имеются постоянные воздушные течения, размеры которых сопоставимы с размерами материков. Скорости этих течений на высотах (50... 70)×10³ м в среднем составляют зимой около 100 м/с, летом 70 м/с. Причем воздушные потоки в первом случае направлены с запада на восток, во втором — с востока на запад. В более низких слоях на высотах (8. . . 15)×10³ м скорость воздушных течений в среднем равна 40—60 м/с и они направлены с запада на восток. В результате трения воздушного потока о земную (водную) поверхность возникает тангенциальная сила, суммарное значение которой в приземном слое атмосферы может быть большим, тем самым она способствует замедлению вращения твердой оболочки Земли. В связи с тем, что воздушные течения характеризуются не стационарностью по скорости и частично по направлению, действие  этой силы вызывает скачкообразные, непериодические изменения угловой скорости w.

     Большая роль в изменении скорости вращения нашей планеты принадлежит взаимодействию сезонной атмосферной циркуляции с поверхностью Земли. В Северном полушарии над материками обычно летом развиваются области низкого, зимой — высокого атмосферного давления. Это связано с большей нагретостью летом суши, чем моря, а зимой — наоборот. В результате «избыточные массы воздуха» скапливаются над сушей зимой, над морями и океанами летом. Совместно с особенностями пространственного распределения материков в обоих полушариях это вызывает периодические изменения скорости вращения Земли. По мнению американских геофизиков Манка и Макдональда, возможные напряжения от этих избыточных воздушных масс на поверхности Земли могут в сотни раз превосходить напряжения, требуемые для объяснения наблюдаемых сезонных колебаний продолжительности суток. Поэтому, наряду с 11-летними и годовыми колебаниями скорости вращения Земли, связанными с солнечной активностью, могут существовать колебания, соответствующие разнообразным циклам погоды и имеющие период около 3 месяцев.

     Впервые периодические изменения w  были обнаружены в конце 30-х годов XX в. Относительные изменения в течение года значений w и соответствующей ей t заключались в пределах ±1,3×10^-8. Позднее Стойко на основе анализа хода атомных часов установил, что годовая амплитуда w соответствует 0,52×10^-8. Д. Ю. Белоцерковский полагает, что относительное систематическое замедление скорости вращения Земли может составлять 15×10^-9.

  2.3.  Геофизические следствия  формы, размеров  и движения Земли

      Эллипсоидальность и неравномерное распределение масс внутри Земли оказывают влияние на движение ИСЗ и других летательных аппаратов, находящихся на больших расстояниях от земной поверхности. Это связано с тем, что силовая функция нормального поля притяжения к земному эллипсу в первом приближении есть сумма двух слагаемых. Одно из них — силовая функция центрального поля, другое учитывает отличие фактического поля земного  притяжения  от  центрального  из-за    полярного    сжатия.

      При небольших удалениях от земной поверхности  второе слагаемое способствует существенному смещению орбиты летательного аппарата.

      Большую роль форма Земли играет в формировании закономерностей географической зональности и распределении солнечного тепла на земной поверхности. Например, солнечные лучи, падающие на Землю, образуют с ней в один и тот же момент времени  в разных ее точках различные углы, которые зависят от географической широты, высоты Солнца над горизонтом и рельефа местности. Если принять, что при вертикальном падении лучей интенсивность прямой солнечной радиации в полдень равна Q_n, то при встрече с земной  поверхностью под углом b эта интенсивность будет составлять Q_n×sinb.  Причем если бы Земля была идеальным шаром, то углы b_i закономерно уменьшались бы от экватора к полюсам. При эллипсоидальной, а тем более при кардиоидальной ее форме и при различии сжатия Северного и Южного полушарий эта закономерность изменений b_i существенно нарушается. Все это вместе с изменением высоты Солнца над горизонтом во времени (сутки, сезон, год) существенно сказывается на поступлении солнечного тепла в различные точки географического меридиана. Об этом можно судить по данным табл. 2.4.

     Таблица 2.4

     Суммарная   солнечная   радиация   в   Северном   полушарии,   мДж/м²

Велика  геофизическая роль размеров Земли. В первую очередь это относится к ее массе М и радиусу R, которые, по - существу, определяют скорость u, необходимую любому телу для преодоления земного притяжения ( ). Для Земли u= 11,3 км/с.

     Орбитальное движение Земли также имеет целый  ряд следствий. К их числу относятся смена времен года, обусловливающая изменения напряжения лучистого потока солнечного тепла в году и, в конечном итоге, приводящая к так называемому годовому ходу температуры, например, воздуха, воды и горных пород верхних слоев земной поверхности.

     Другим  следствием вращения Земли вокруг Солнца является перемещение географических полюсов. Причина заключается в том, что при таком движении тело нашей планеты смещается относительно оси ее вращения, хотя и не влияет на эту ось. Поэтому географические полюсы Земли в разное время совпадают с различными точками ее поверхности и тем самым совершают периодические небольшие по амплитуде, но сложные по направлению и неравномерные по скорости движения. По данным А. А. Михайлова, за период с 1900 по 1969 г. северный полюс в течение года совершал движение вдоль эллипса с полуосями 242 и 304 см. Параметры эллипса обычно повторялись из года в год.

     Прямым  следствием суточного вращения Земли  является смена дня и ночи. Это сопровождается изменениями в течение суток целого ряда параметров геосфер. Например, температура воздуха обладает ясно выраженным суточным ходом, обычно с максимумом в середине дня и минимумом перед восходом Солнца, В полярных районах, когда смены дня и ночи нет, температура воздуха за сутки почти не изменяется.

Осевое  вращение Земли превращает приливные  выступы в морях и океанах и в твердой оболочке Земли в приливную волну, которая как бы обходит вокруг планеты, перемещается навстречу ее вращения и поэтому замедляет его. Из-за возникающего торможения увеличивается продолжительность суток и это, в исторически большом масштабе времени, ведет к смене климата и других физико-географических условий. Кроме того, в результате замедления вращения уменьшается полярное сжатие Земли. Это сопровождается опусканием и сокращением материков в экваториальной области, поднятием и увеличением их площадей в полярных областях.

   Важнейшими  следствиями рассматриваемых движений Земли являются ритмические явления, которые по С. В. Калеснику, представляют собой комплекс явлений, повторяющихся во времени и развивающихся в одном направлении. Ритмы имеют различную продолжительность: от одних суток (суточный ритм — смена дня и ночи) до сезона (сезонный ритм — смена сезонов года) и нескольких десятков тысяч лет. Бывают ритмы большой продолжительности (21 тыс., 40 тыс. и 92 тыс. лет), они обусловлены изменениями наклона эклиптики (от 24°36' до 21°58'). С ритмом в 40 тыс. лет связаны изменения климата планеты и ее оледенения. Ритмы средней продолжительности (2—3, 5—6, 11, 22 и 80— 90 лет) вызываются изменениями солнечной активности. Суточные и сезонные ритмы характерны для многих природных процессов (таяние ледников, физическое выветривание, суточный и годовой  ход температуры различных сред геосфер и других климатических элементов, ледостав на водных объектах, их водность и др.). 

2.4. Устройство поверхности (основные понятия)

Основные  понятия

   1. Гипсографическая кривая - кривая, показывающая относительное распределение по площади высот суши и глубин океана на поверхности Земли. Находится, если на графике по оси ординат откладывать высоты и глубины, а по оси абсцисс - площади, занятые определенными высотами и глубинами.

  . 2. Литосфера (от греч. lithos - камень, сфера - шар) - каменная оболочка Земли. Иногда рассматривается как синоним понятия «земная кора». Подробнее см. раздел 3.3 этой главы.