Гравитационное поле земли аномалии силы тяжести. Введение в геофизику

Гравитационное поле Земли - поле силы тяжести, обусловленное тяготением Земли и центробежной силой , вызванной её суточным вращением. Характеризуется пространственным распределением силы тяжести и гравитационного потенциала .

Для решения практических задач потенциал земного притяжения (без учёта центробежной силы и влияния других небесных тел) выражается в виде ряда

V (r , ϕ , λ) = G M r [ 1 + ∑ n = 1 ∞ (a r) n ∑ m = 0 n P n m sin ⁡ ϕ (C n m cos ⁡ m λ + S n m sin ⁡ m λ) ] , {\displaystyle V(r,\phi ,\lambda)={\frac {GM}{r}}\left,} где r , ϕ , λ {\displaystyle r,\phi ,\lambda } - полярные координаты, G {\displaystyle G} - гравитационная постоянная, M {\displaystyle M} - масса Земли, G M {\displaystyle GM} = 398 603⋅10 9 м 3 ·с −2 , a {\displaystyle a} - большая полуось Земли.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Интерпретация g как величины гравитационного поля Земли(видео 20)|Кинематика. Прямолинейное движение

✪ Визуализация гравитации

✪ ЧТО БУДЕТ ЕСЛИ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ ИСЧЕЗНЕТ

✪ сила тяжести внутри Земли

✪ Урок 60. Закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная

Субтитры

В этом видеоуроке мне хотелось бы поразмышлять о двух различных способах интерпретации величины g, поскольку мы говорили об этом раньше. Во многих учебниках приводится ее значение 9,81 м/с2 вниз или к центру Земли. Или иногда приводится отрицательная величина, которая указывает направление вниз: -9,81 м/с2. Возможно, наиболее типичным способом интерпретировать эту величину будет ускорение вследствие притяжения вблизи поверхности Земли тела в свободном падении. Это и будет в центре нашего внимания сегодня: тело в состоянии свободного падения. Причина, по которой я подчеркиваю эту последнюю часть, состоит в том, что, как нам известно, многие объекты, которые расположены близко к поверхности Земли, не находятся в состоянии свободного падения. Например, я сейчас вблизи поверхности Земли, и я не нахожусь в свободном падении. Я сейчас сижу на стуле. Итак, это стул. А это я. Скажем, стул поддерживает весь мой вес. Ноги болтаются в воздухе. Итак, это я. Так что происходит сейчас? Если бы я находился в свободном падении, я бы ускорялся к центру Земли с ускорением 9,8 м/c2. На меня действует сила притяжения, которая полностью компенсируется вертикально направленной силой от поверхности стула, на котором я сижу. Это вертикально направленная сила. Я обозначу их как векторы. Результирующая сила в моём случае равна 0, особенно в этом вертикальном направлении. Так как результирующая сила равна 0, я не ускоряюсь к центру Земли. Я не нахожусь в состоянии свободного падения. И, тем не менее, эти 9,81 м/с2 по-прежнему имеют отношение к моей ситуации. Я вам об этом еще расскажу, но я не являюсь телом в состоянии свободного падения. Другой способ интерпретировать эту величину состоит в том, чтобы не рассматривать её как ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли для любого свободно падающего тела. Хотя она таковой является. Возможно, более общий способ - интерпретировать её как гравитационное поле Земли или фактически как среднее ускорение, так как она действительно слегка меняется на поверхности Земли. Ещё один способ - рассматривать её как среднее гравитационное поле у поверхности Земли. Я сейчас расскажу о том, в чём состоит физический смысл поля. Поле. Среднее гравитационное поле на поверхности Земли. Это более абстрактное понятие. Мы сейчас поговорим об этом. Это поможет нам понять то, как величина g связана с той интерпретацией, где я не являюсь телом в свободном падении. Поле. Когда вы думаете о нём в контексте физики... Это более абстрактное понятие, чем в математике... В контексте физики поле - это то, что связывает некоторую физическую величину с каждой точкой в пространстве. Так что это просто величина в каждой точке пространства. Это может быть и скалярной величиной. В таком случае мы называем это скалярным полем. Там просто значение. Или это может быть векторной величиной со значением и направлением, связанной с каждой точкой в пространстве. В этом случае мы имеем дело с векторным полем. Причина, почему это называется полем, состоит в том, что оно вблизи поверхности Земли. Давайте возьмём массу. Например, моя масса может быть выражена в килограммах. Если мы вблизи поверхности Земли возьмём массу 10 кг, то можно использовать g, чтобы вычислить фактическую силу, действующую на это тело - силу гравитационного притяжения в данной точке пространства. Например, если тело имеет массу 10 кг... Это поверхность Земли. Вот здесь центр Земли. Величина g фактически характеризует вектор силы, который направлен к центру Земли, и значение этого вектора будет равно массе, умноженной на g. Направление здесь уже указанно. Вы можете сказать 9,8 м/с2 к центру Земли. В данной ситуации это будет 10 кг, умноженные на 9,81 м/с2, что приблизительно равно 98,1 кг м/с2, что представляет собой единицу силы, поэтому 98,1 Н. Это тело может не находиться в свободном падении. Вот почему g имеет смысл даже в ситуации, когда тело не находится в свободном падении. Из g рассчитывается сила тяжести, действующая на тело вблизи поверхности Земли, в расчёте на единицу массы. Поговорим об этом. Итак, g - это среднее гравитационное поле, которое даёт силу на единицу массы. Если мы возьмём массу вблизи поверхности Земли (будет ли это тело в свободном падении или нет) и умножим эту массу на g (потому что это даёт силу на единицу массы), то получим силу тяжести, действующую на это тело вблизи поверхности Земли, независимо от того находится ли оно в свободном падении или нет. Я хотел бы выделить небольшое различие. Как правило,g рассматривается таким образом вот здесь. Но когда-нибудь вы, возможно, столкнетёсь с этим и скажете: «Нет». Но g имеет смысл, даже когда речь не идёт о свободном падении. Вы, очевидно, не можете сказать, что моё ускорение, когда я сижу на стуле, равно 9,81 м/с2 и направлено к центру Земли. Я не ускоряюсь к центру Земли. Поэтому кто-то скажет: «Нет, Вы не можете назвать это ускорением». Оно является ускорением, когда тело находится в состоянии свободного падения вблизи поверхности Земли. Если нет сопротивления воздуха, и если результирующая сила - это сила тяжести, тогда это действительно было бы ускорением тела. Но оно становится актуальным. Мы знаем, что многие объекты находятся не в свободном падении. И тело, находящееся в свободном падении, не остаётся в этом состоянии надолго, так как в результате оно куда-то упадёт. Но мы теперь знаем, что величина g актуальна для всех тел. Она показывает нам силу на единицу массы. Соблазнительно называть её всегда ускорением, потому что у нёе единицы ускорения. Но даже когда вы рассуждаете в терминах гравитационного поля, это всё та же величина. Это некоторая величина, которую нужно умножить на массу, чтобы вычислить силу гравитации.

Ускорение свободного падения

В неинерциальных системах отсчёта ускорение свободного падения численно равно силе тяжести , воздействующей на объект единичной массы.

Ускорение свободного падения на поверхности Земли g (обычно произносится как «Же» ) варьируется от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах . Стандартное («нормальное») значение, принятое при построении систем единиц , составляет g = 9,80665 м/с² . Стандартное значение (англ.) русск. g было определено как «среднее» в каком-то смысле на всей Земле, оно примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря . В приблизительных расчётах его обычно принимают равным 9,81; 9,8 или 10 м/с².

В СМИ и научно-популярной литературе g нередко используется как внесистемная единица силы тяжести, применяемая, например, для оценки величины перегрузок при тренировках лётчиков и космонавтов , а также силы тяготения на других небесных телах (см. раздел Сравнение силы тяготения на Земле с другими небесными телами ).

Получение значения g из закона всемирного тяготения

Согласно закону всемирного тяготения , сила земной гравитации, действующая на тело, определяется формулой

F = G m 1 m 2 r 2 = (G m 1 r 2) m 2 {\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}=\left(G{\frac {m_{1}}{r^{2}}}\right)m_{2}} ,

где r - расстояние между центром Земли и телом (см. ниже), m 1 - масса Земли и m 2 - масса тела.

Кроме того, согласно второму закону Ньютона , F = ma , где m - масса и a - ускорение,

F = m 2 g {\displaystyle F=m_{2}g}

Из сопоставления двух формул видно, что

g = G m 1 r 2 {\displaystyle g=G{\frac {m_{1}}{r^{2}}}}

Таким образом, чтобы найти получить значение ускорения силы тяжести g на уровне моря, необходимо в формулу подставить значения гравитационной постоянной G , массы Земли (в килограммах) m 1 и радиуса Земли (в метрах) r :

g = G m 1 r 2 = (6.67384 × 10 − 11) 5.9722 × 10 24 (6.371 × 10 6) 2 = 9.8196 m ⋅ s − 2 {\displaystyle g=G{\frac {m_{1}}{r^{2}}}=(6.67384\times 10^{-11}){\frac {5.9722\times 10^{24}}{(6.371\times 10^{6})^{2}}}=9.8196{\mbox{m}}\cdot {\mbox{s}}^{-2}}

Следует отметить, что эта формула правомерна для сферического тела при допущении, что вся его масса сосредоточена в его центре. Это позволяет нам использовать величину радиуса Земли для r .

Существуют значительные неопределенности значений r и m 1 , а также значения гравитационной постоянной G , которую трудно точно измерить.

Если G ,g и r известны, то решение обратной задачи позволит получить величину массы Земли.

Гравитационные аномалии

Гравитационные аномалии применительно к геофизике - отклонения величины гравитационного поля от расчётной, вычисленной на основе той или иной математической модели. Гравитационный потенциал земной поверхности, или геоида , обычно описывается на основании математических теорий с использованием гармонических функций . Эти отклонения могут быть вызваны различными факторами, в том числе:

Земля не является однородной , её плотность различна на разных участках;
Земля не является идеальной сферой , и в формуле используется среднее значение величины её радиуса;
Расчётное значение g учитывает только силу тяжести и не учитывает центробежную силу, возникающую за счёт вращения Земли;
При подъёме тела над поверхностью Земли значение g уменьшается («высотная поправка» (см. ниже), аномалия Бугера);
На Землю воздействуют гравитационные поля других космических тел, в частности, приливные силы Солнца и Луны.

Высотная поправка

Первая поправка для стандартных математических моделей, так называемая высотная аномалия (англ.) русск. , позволяет учесть изменение величины g в зависимости от высоты над уровнем моря . Используем значения массы и радиуса Земли:

r E a r t h = 6.371 × 10 6 m {\displaystyle r_{\mathrm {Earth} }=6.371\times 10^{6}\,\mathrm {m} } m E a r t h = 5.9722 × 10 24 k g {\displaystyle m_{\mathrm {Earth} }=5.9722\times 10^{24}\,\mathrm {kg} }

Поправочный коэффициент (Δg) может быть получены из соотношения между ускорением силы тяжести g и гравитационной постоянной G :

g 0 = G m E a r t h / r E a r t h 2 = 9.8196 m s 2 {\displaystyle g_{0}=G\,m_{\mathrm {Earth} }/r_{\mathrm {Earth} }^{2}=9.8196\,{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}} , где: G = 6.67384 × 10 − 11 m 3 k g ⋅ s 2 . {\displaystyle G=6.67384\times 10^{-11}\,{\frac {\mathrm {m} ^{3}}{\mathrm {kg} \cdot \mathrm {s} ^{2}}}.} .

На высоте h над поверхностью Земли g h рассчитывается по формуле:

g h = G m E a r t h / (r E a r t h + h) 2 {\displaystyle g_{h}=G\,m_{\mathrm {Earth} }/\left(r_{\mathrm {Earth} }+h\right)^{2}}

Так, высотная поправка для высоты h может быть выражена:

Δ g h = [ G m E a r t h / (r E a r t h + h) 2 ] − [ G m E a r t h / r E a r t h 2 ] {\displaystyle \Delta g_{h}=\left-\left} .

Это выражение может быть легко использовано для программирования или включения в таблицу. Упрощая и пренебрегая малыми величинами (h <<r Earth), получаем хорошее приближение:

Δ g h ≈ − G m E a r t h r E a r t h 2 × 2 h r E a r t h {\displaystyle \Delta g_{h}\approx -\,{\dfrac {G\,m_{\mathrm {Earth} }}{r_{\mathrm {Earth} }^{2}}}\times {\dfrac {2\,h}{r_{\mathrm {Earth} }}}} .

Используя приведённые выше численные значения выше, и высоту h в метрах, получим:

Δ g h ≈ − 3.083 × 10 − 6 h {\displaystyle \Delta g_{h}\approx -3.083\times 10^{-6}\,h}

Учитывая широту местности и высотную поправку, получаем:

g ϕ , h = 9.780327 (1 + 0.0053024 sin 2 ⁡ ϕ − 0.0000058 sin 2 ⁡ 2 ϕ) − 3.086 × 10 − 6 h {\displaystyle g_{\phi ,h}=9.780327\left(1+0.0053024\sin ^{2}\phi -0.0000058\sin ^{2}2\phi \right)-3.086\times 10^{-6}h} ,

где g ϕ , h {\displaystyle \ g_{\phi ,h}} - ускорение свободного падения на широте ϕ {\displaystyle \ \phi } и высоте h . Это выражение можно также представить в следующем виде.

Гравитационное поле Земли - это поле силы тяжести. Сила тяжести действует повсюду на Земле и направлена по отвесу к поверхности геоида, уменьшаясь по величине от полюсов к экватору.

У Земли было бы нормальное гравитационное поле при условии наличия у нее фигуры эллипсоида вращения и равномерного распределения в нем масс. Однако Земля таким телом не является. Разницу между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического (нормального) поля называют аномалией силы тяжести. Эти аномалии бывают вызваны как различным вещественным составом и плотностью горных пород, так и видимыми неровностями земной поверхности (рельефом). Однако далеко не всегда горы вызывают увеличение силы тяжести (положительную аномалию), а океанические впадины - их недостаток (отрицательную аномалию). Такое положение объясняется изо-стазией (от греч. isostasios - равный по

весу) - уравновешиванием твердых и относительно легких верхних горизонтов Земли на более тяжелой верхней мантии, находящейся в пластичном состоянии в слое астеносферы. По современным геофизическим представлениям, в недрах Земли на определенной глубине (глубине компенсации) происходит горизонтальное растекание подкоровых масс вещества из мест их избытка на поверхности (в виде гор и т. д.) к периферии и выравнивание давления вышележащих слоев. Существование астеносферных течений - необходимое условие изостатического равновесия земной коры.

При появлении или исчезновении ледниковой нагрузки в областях древних и современных ледников тоже нарушается изостатичес-кое равновесие. При нарастании массы льда покровных ледников земная кора прогибается, при стаивании льда происходит ее поднятие. Такие вертикальные движения земной коры называются гляц иоизостазией (от лат.

glacies - лед). Гляциоизостатические опускания наиболее резко выражены под центральными частями современных ледниковых щитов - Антарктиды и Гренландии, где ложе ледников местами прогнуто ниже уровня моря. Поднятия особенно интенсивны в областях, недавно освободившихся от материковых льдов (например, в Скандинавии, Канаде), где их суммарные значения за послеледниковое время достигают нескольких десятков метров. Современные скорости поднятия по инструментальным измерениям местами доходят до 1 м в столетие, например на шведском побережье Ботнического залива.

Значение силы тяжести исключительно велико. Она определяет истинную фигуру Земли – геоид. Подкоровые течения в астеносфере вызывают тектонические деформации и движения литосферных плит, создавая крупные формы рельефа Земли. Сила тяжести обусловливает гравитационные рельефообразующие процессы: эрозию, оползни, осыпи, обвалы, селевые потоки, движение ледников в горах и т. д. Сила тяжести определяет максимальную высоту гор на Земле. Она удерживает атмосферу и гидросферу, ей подчиняется перемещение воздуха и водных масс. Сила тяжести помогает людям и многим животным удерживать вертикальное положение. Геотропизм - ростовые движения органов растений под влиянием силы земного тяготения - обусловливает вертикальное направление стеблей и первичного корня. Недаром гравитационная биология, возникшая в эпоху, когда человек начал обживать мир без тяжести - Космос, включает растения в число своих экспериментальных объектов. Силу тяжести необходимо учитывать при рассмотрении буквально всех процессов в географической оболочке. Без учета силы тяжести нельзя рассчитать исходные данные для запусков ракет и космических кораблей, невозможна гравиметрическая разведка рудных полезных ископаемых и нефтегазоносных структур.

Изучение гравитационного поля Земли имеет не только научное, но и большое практическое значение для многих отраслей народного хозяйства России. Являясь самостоятельным научным направлением, гравиметрия одновременно входит составной частью в другие комплексные науки о Земле, такие, как физика Земли, геология, геодезия и космонавтика, океанография и навигация, сейсмология и прогноз .

Все исходные понятия гравиметрии основываются на положениях классической ньютоновой механики. Под действием силы тяжести все испытывают ускорение g Обычно имеют дело не с силой тяжести, а с её ускорением, численно равным напряженности поля в данной точке. Изменения силы тяжести зависят от распределения масс в Земле. Под действием этой силы создалась современная форма (фигура) Земли и продолжается ее дифференциация на разные по составу и плотности геосферы. Это явление используется в гравиметрии для изучения геологического . Изменения силы тяжести, связанные с неоднородностями земной коры, не имеющие явной, видимой закономерности и обусловливающие отклонение значений силы тяжести от нормального, называются аномалиями силы тяжести. Аномалии эти не велики. Их значения колеблются в пределах нескольких единиц 10-3 м/с 2 что составляет 0,05% полного значения силы тяжести и на порядок меньше нормального изменения её. Однако именно эти изменения представляют интерес для изучения земной коры и для поиска .

Гравитационные аномалии вызываются как выступающими на поверхность массами (горами), так и различием плотностей масс внутри Земли. Влияние внешних видимых масс рассчитывается исключением из полученных аномалий поправок на . Изменение плотностей может происходить как за счёт поднятия и опускания слоёв, так и за счёт изменения плотностей внутри самих слоёв. Поэтому в аномалиях силы тяжести отражаются как структурные формы, так и петрографический состав пород различных слоёв земной коры. Дифференциация плотностей в коре идёт как по вертикали, так и по горизонтали. Плотность с глубиной увеличивается от 1,9–2,3 г/см 3 на поверхности до 2,7–2,8 г/см 3 на уровне нижней границы коры и достигает 3,0–3,3 г/см 3 в области верхней мантии.

Особо важную роль приобретает интерпретация аномалий силы тяжести в геологии. Прямо или косвенно сила тяжести участвует во всех . Наконец, аномалии силы тяжести, ввиду их физической природы и применяемых способов их вычисления, позволяют одновременно изучать любые плотностные неоднородности Земли, где бы и на какой глубине они ни находились. Это обусловливает возможность использования гравитационных данных для решения весьма разнообразных по масштабам и глубинности геологических задач. Гравиметрическая съёмка широко применяется при поисках и разведке рудных месторождений и нефтегазоносных структур.

Роль и значение гравитационных данных в изучении глубинных особенно возросли за последние годы, когда не только Кольская, но и другие глубокие и сверхглубокие скважины, в том числе зарубежные (Оберпфальц в , Гравберг в и др.) не подтвердили результаты геологической интерпретации данных глубинной сейсмики, положенные в основу проектирования этих скважин.

Для геологического истолкования гравитационных аномалий геоморфологически резко различных регионов особую роль приобретает выбор наиболее обоснованной редукции силы тяжести так как, например, в горных областях аномалии Фая и Буге резко различаются не только по интенсивности, но даже и по знаку. Для континентальных территорий наиболее признанной является редукция Буге с плотностью промежуточного слоя 2,67 г/см 3 и с поправкой на влияние рельефа поверхности в радиусе 200 км

Превышения земной поверхности, а также глубины дна морей и океанов измеряются от поверхности квазигеоида (уровня моря). Поэтому для полного учета гравитационного влияния формы Земли необходимо вводить две поправки: поправку Брунса за отклонения фигуры Земли от нормального земного эллипсоида либо сфероида вращения, а также топографическую и гидротопографическую поправки за отклонения твердой земной поверхности от уровня моря.

Аномалии силы тяжести широко используются при решении разнообразных геологических задач. Представления о глубинной геологической природе гравитационных аномалий столь большой и разнородной по территории России будут во многом меняться в зависимости от того, какие теоретические концепции образования и тектонической эволюции Земли были положены в их основу. Отчетливая связь гравитационных аномалий в редукциях Буге и гидротопографической с дневным рельефом и с глубинами моря, когда горным сооружениям соответствуют интенсивные минимумы, а морям - максимумы силы тяжести, давно уже отмечалась исследователями и широко применялась для изучения изостазии, корреляции гравитационных аномалий с данными глубинного сейсмического зондирования и использования ее для вычисления “мощности” земной коры на сейсмически не изученных территориях. Редукции Буге и гидротопографическая позволяют убрать влияние известных плотностных неоднородностей Земли и тем самым выделить более глубинные составляющие поля. Наблюдаемая корреляционная связь с дневным рельефом аномалий силы тяжести подчеркивает, что именно изостазия как физическое явление и служит причиной того, что не только рельеф, но и все плотностные неоднородности Земли взаимно уравновешены в виде зон относительно повышенной и пониженной плотности, часто неоднократно чере-дующихся с глубиной и взаимно компенсирующих друг друга. Современные данные о реологических свойствах Земли с ее лито- и астеносферой, резко различных по своей упругости и, соответственно, подвижности, а также тектоническая расслоенность зем-ной коры, с возможным наличием в ней многоярусной конвекции глубинного вещества Земли, свидетельствуют о геологически мгновенной релаксации нагрузок. Поэтому в Земле как сейчас, так и раньше все аномальные массы любых размеров и глубины залегания были и продолжают оставаться изостатически скомпенсированными, независимо от того, где бы они ни находились и в какой бы форме ни проявлялись. И если раньше амплитуды и знаки гравитационных аномалий пытались объяснить лишь изменениями общей мощности земной коры и вычисляли для этой цели коэффициенты ее корреляционной связи с дневным рельефом либо с гравитационными аномалиями, то последующее все более детальное сейсмическое изучение земной коры и верхней мантии, применение методов сейсмической томографии показали, что латеральные сейсмические, а следовательно, и плотностные неоднородности свойственны всем уровням дифференциации глубинных масс Земли, т. е. не только земной коре, но и верхней, и нижней мантии, и даже ядру Земли.

Поле аномалий силы тяжести изменяется на громадную величину - свыше 500 мГал - от –245 до +265 мГал, образуя систему разных по размерам и интенсивности глобальных, региональных и более локальных гравитационных аномалий, характеризующих собой коровые, коро-мантийные и собственно мантийные уровни латеральных плотностных неоднородностей Земли. Аномальное гравитационное поле отражает суммарное действие гравитирующих масс, расположенных на различных глубинах и верхней мантии. Так, строение осадочных бассейнов лучше проявляется в аномальном гравитационном поле при наличии достаточной плотностной дифференциации в областях, где породы кристаллического фундамента залегают на больших глубинах. Гравитационный эффект осадочных пород в районах с неглубоким залеганием фундамента наблюдать значительно труднее, поскольку его затушёвывают влияния особенностей фундамента. Участки с большой мощностью «гранитного слоя» выделяются отрицательными аномалиями силы тяжести. Выходы гранитных массивов на поверхность характеризуются минимумами силы тяжести. В аномальном гравитационном поле зонами больших градиентов и полосовыми максимумами силы тяжести чётко вырисовываются границы отдельных блоков. В пределах платформ и складчатых областей выделяются более мелкие структуры, валы, краевые прогибы.

Наиболее глобальные аномалии силы тяжести, характеризующие неоднородности собственно мантийного (астеносферного) уровня, столь велики, что лишь своими краевыми частями заходят в пределы рассматриваемой территории России, прослеживаясь далеко за ее пределы, где их интенсивность существенно возрастает. Единая зона Средиземноморского максимума силы тяжести совпадает с бассейном и ограничена с севера небольшим Альпийским минимумом силы тяжести, а на востоке - единым очень интенсивным и громадным по площади Азиатским минимумом силы тяжести, соответствующим в целом Азиатскому мегавздутию Земли, охватывающему горные сооружения Средней и Высокой Азии от до и, соответственно, от Тянь-Шаня до северо-восточной системы впадин внутреннего (Ордосской, Сычуанской и др.). Этот глобальный Азиатский минимум силы тяжести уменьшается в своей интенсивности и прослеживается далее на территорию Северо-Востока России (горные сооружения , Забайкалья, Верхояно-Чукотской области), а его ответвление охватывает практически всю область активизированной в новейшее время Сибирской докембрийской платформы в виде в целом незначительно приподнятого (до 500–1000 м) Сибирского плоскогорья.

Находят логическое объяснение и разные знаки этих аномалий, если учесть, что зонная плавка, по мере подъема к поверхности астенолита, оставляет за собой на каждом уровне переплавленные породы, относительно более плотные, чем вмещающие их по латерали толщи. Поэтому в гравитационном поле вся сумма таких переплавленных пород создаёт единый суммарный максимум силы тяжести, и даже наличие в нем расплавленных “слоев” (зон инверсии скорости и плотности) не изменит общей его характеристики, как это и наблюдается в попадающих в пределы карты краевых частях Арктическо-Атлантического и Тихоокеанского глобальных максимумов силы тяжести.

Аномальные массы, создающие Среднеазиатский глобальный минимум, вероятно, находятся на еще большой глубине, в результате чего образовавшаяся зона расплава привела к увеличению объема лишь глубинных масс и, соответственно, к образованию на поверхности единого гигантского Азиатского мегавздутия Земли, а наличие расплавленной линзы на глубине, видимо, обусловило небольшой по объемам и рассеянный по всей этой территории базальтоидный магматизм, мезозойские трубки взрыва в , потухшие четвертичные вулканы в Алтае-Саянской области, наконец, более интенсивный базальтоидный магматизм Байкало-Патомского нагорья, далеко уходящий за пределы самого Байкальского рифта.

Большая глубинность глобальных максимумов и минимумов силы тяжести, попадающих в пределы территории России, находит свое подтверждение и при интерпретации высот геоида.

Гравитационное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики , гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2 , разделёнными расстоянием R , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть

Здесь G - гравитационная постоянная , равная примерно м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, то есть гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений (см. например, Давление света), и являющимся прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух тел в пустом пространстве. Эта задача решается аналитически до конца; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера .

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении, достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе , эта неустойчивость не позволяет предсказать движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений , и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы , аттракторы , хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - нетривиальная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса .

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности :

отклонение закона тяготения от ньютоновского;
запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений ; появление гравитационных волн;
эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
изменение геометрии пространства-времени;
возникновение черных дыр ;

Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение , наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако, имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 - пульсаром Халса-Тейлора - хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами , этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного l -польного источника пропорциональна (v / c ) 2l + 2 , если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c ) 2l + 4 - если мультиполь магнитного типа , где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c - скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где Q i j - тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)) и до настоящего времени (февраль 2007) предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора республики Татарстан .

Тонкие эффекты гравитации

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но его полные результаты пока не опубликованы.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация - единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория . Впрочем, при низких энергиях, в духе квантовой теории поля , гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами - калибровочными бозонами со спином 2.

Стандартные теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой (см. статью Альтернативные теории гравитации). Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Гравитация есть не геометрическое поле, а реальное физическое силовое поле, описываемое тензором.

Гравитационные явления следует рассматривать в рамках плоского пространства Минковского, в котором однозначно выполняются законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Тогда движение тел в пространстве Минковского эквивалентно движению этих тел в эффективном римановом пространстве.

В тензорных уравнениях для определения метрики следует учитывать массу гравитона, а также использовать калибровочные условия, связанные с метрикой пространства Минковского. Это не позволяет уничтожить гравитационное поле даже локально выбором какой-то подходящей системы отсчёта.

Как и в ОТО, в РТГ под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле), за исключением самого гравитационного поля. Следствия из теории РТГ таковы: чёрных дыр как физических объектов, предсказываемых в ОТО, не существует; Вселенная плоская, однородная, изотропная, неподвижная и евклидовая.

C другой стороны, существуют не менее убедительные аргументы противников РТГ, сводящиеся к следующим положениям:

Подобное имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного подгоночного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке, появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов.

Теории гравитации

Классическая теория тяготения Ньютона	Общая теория относительности	Квантовая гравитация	Альтернативные
	Математическая формулировка общей теории относительности Гравитация с массивным гравитоном Геометродинамика (англ.)		Полуклассическая гравитация (англ.) Биметрические теории Скаляр-тензор-векторная гравитация (англ.) Теория гравитации Уайтхеда (англ.) Модифицированная ньютоновская динамика (англ.) Составная гравитация (англ.)

Источники и примечания

Литература

Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900-1915). М.: Наука, 1981. - 352c.
Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. М.: Наука, 1985. - 304c.

Геология. Литология. Предмет и задачи этих наук.

Геология – наука о земле. Литология – наука, изучающая осадочные горные породы. Петрография – наука, изучающая магматические г.п. Главные задачи литологических исследований: 1) изучение особенностей и закономерностей пространственного распределения на Земле осадочных горных пород; 2) на основе выявленных закономерностей поиски месторождений полезных ископаемых генетически, парагенетически и пространственно связанных с осадочными породами. Задачей геологии является последовательность геологических событий.

Современные взгляды на происхождение Вселенной, Солнечной системы и Земли в ней.

Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 от того вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенной возникла около 20 млрд лет назад.

Теории: 1. «Разбегание» галактик и их скоплений. Доказательство этого явления связано с хорошо известными из физики эффектом Доплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещается в красную сторону, а приближающиеся в голубую. 2. Реликтовое излучение. Арно Пензиас и Роберт Вилсон с помощью рупорной антенны обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению абсолютно черного тела с Т~2,75K. 3. Химический состав Вселенной составляет по массе ¾ водорода и ¼ гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 H 2 и He образовались в самые первые минуты Большого Взрыва.

Форма и размеры Земли (геоид, трехосный эллипсоид).

Земля имеет форму двухосного эллипсоида. 1ое сжатие на полюсах. 2ое сжатие экваториальное. Длина экватора 40 075 км; Радиус 6377 км; Масса 5,9737* . Геоид – это некоторая воображаемая поверхность по отношению к которой сила тяжести направленна перпендекулярно.

Геофизические поля Земли (гравитационное, магнитное, электрическое, тепловое); их происхождение.

Гравитационное поле Земли - поле силы тяжести, обусловленное тяготением Земли и центробежной силой, вызванной её суточным вращением. Характеризуется пространственным распределением силы тяжести и гравитационного потенциала.

Магнитное поле Земли – магнитное поле, генерируемое токами в жидкой части ядра. Магнитные полюса не совпадают с географическими ни по знакам, ни по координатам. Дрейф магнитных полюсов происходит на протяжении всей геологической истории Земли. Магнитное склонение – это угол м/у направлением магнитной стрелки и направлением географического меридиана. Магнитное наклонение – угол, на который отклоняется стрелка под действием магнитного поля Земли в вертикальной плоскости. В северном полушарии указывающий на север конец стрелки отклоняется вниз, в южном - вверх. Типы магнитных полей: нормальное, переменное, аномальное.

Электрическое поле Земли. Ионосфера под действием радиационного поля солнца приобретает положительный заряд. Промежуточные слои м/у литосферой (-) и ионосферой (+) – изолятор. Поэтому возникают грозы и бьют сверху вниз (от + к -).

Тепловое поле земли. Источники: 1) тепло полученное от Солнца; 2) тепло из недр Земли (тепловой поток); 3) радиоактивный распад; 4) приливы и отливы; 5) движение плит. Геотермический градиент – это на сколько повышение температуры при погружении на единицу расстояния (м). Геотермическая ступень – это расстояние, на которое необходимо опуститься, чтобы температура повысилась на . Пояс постоянства температуры - та глубина, на которой температура равна среднегодовой (неизмен).

Помощь по Теле2, тарифы, вопросы