З історії дослідження фізичних полів Землі

Людина здавна хотіла вивчити, а то й підкорити могутні сили природи, які панували на нашій планеті. Багато спостережуваних явищ вчені не могли пояснити на протязі століть.

Одна з основних взаємодій – гравітаційна була відкрита англійським вченим І.Ньютоном в ХVIІ столітті. Вона є однією з важливих особливостей Землі. В основу теорії гравітації покладено закон всесвітнього тяжіння, відповідно до якого всі тіла притягуються з силою, що прямо пропорційна добутку мас взаємодіючих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Цей закон був відкритий І.Ньютоном у ХУІІ столітті. Формула закону всесвітнього тяжіння має такий вигляд:

де F – сила гравітаційної взаємодії між тілами; 

G – гравітаційна стала; m1,  m2 – маси тіл;

R – відстань між центрами тіл 1 і 2.

 Багато вчених цікавилися силами тяжіння. Свого часу ще Галілей намагався дослідити падіння тіл з похилої Пізанської вежі. На півтора століття раніше до Ньютона польський  вчений Коперник писав про тяжіння: «Важкість є не що інше, як природне прагнення, яким батько Всесвіту обдарував усі частинки, а саме з’єднуватися в одне загальне ціле, утворюючи тіла кулястої форми». Подібні роздуми були і в інших вчених. Формули, відкриті Ньютоном, дозволили достатньо точно обчислити траєкторії руху планет і побудувати одну з перших математичних моделей Всесвіту.

Колись в науці вважалося, що планета Земля є нерухомою, а рух інших небесних об’єктів є надзвичайно складним. Галілео Галілей одним з перших висловив припущення, що Земля рухається навколо Сонця. Не зразу науковці сприйняли цю теорію. Вчений Тихо Браге вирішив перевірити це припущення, зробивши вимірювання координат космічних об’єктів на небесній сфері. Трохи пізніше безпосередні вимірювання Браге потрапили до Кеплера, який зумів пояснити траєкторії руху планет і Землі навколо Сонця, сформулювавши три закони руху.

Хоч закони Кеплера добре описували спостережуваний рух планет, проте вони не розкривали причин, що привели до такого руху. Тому саме теорія гравітації, відкрита Ньютоном, дозволила назвати ті причини, що зумовили рух космічних тіл за законами Кеплера, пояснила особливості їхнього руху в більш складних випадках. Згідно теорії Ньютона можна було описати явища як земного, так і космічного масштабів («знамените» падіння яблука на Землю і рух зірок  у галактичному скупченні).

На Землі діють невидимі процеси, які людьми майже не відчуваються. Перш за все – це земний магнетизм. Явище магнетизму відоме людям досить давно.

В 1600 р. англійський вчений Уільям Гілберт в своїй книзі «Про магніт, магнітні тіла і великий магніт – Землю» представив Землю, як гігантський постійний магніт, вісь якого не збігалася з віссю обертання Землі. Гілберт підтвердив своє припущення на досліді: він виточив з природного магніту велику кулю і, наближаючи до поверхні кулі магнітну стрілку показав, що вона встановлюється так, як стрілка компаса на Землі. Графічно магнітне поле Землі подібне на магнітне поле постійного магніту.

В 1702 році вчений Галлей створив перші магнітні карти Землі.

Наша планета Земля є гігантським  сферичним магнітом. В природі магнітного поля нашої планети ще багато залишається невідомим. Магнітне поле Землі – область, де діють магнітні сили.  

Постійними магнітами можуть бути тільки певні метали: залізо і нікель. Їх називають феромагнітними матеріалами. Ці речовини, якщо їх нагріти вище точки Кюрі (770°С для заліза і 358°С для нікелю) втрачають свої магнітні властивості. Зрозуміло, якщо в надрах Землі температура значно вища за дані температури, то земне ядро, яке складається в переважно із заліза не може бути феромагнітним і створювати магнітне поле Землі. 

Ще в 1635 році вчений Геллібранд встановив, що магнітне поле Землі змінюється. Пізніше було встановлено, що існують постійні і короткочасні зміни магнітного поля. Причиною постійних змін є наявність корисних копалин. На Землі є такі території, де її власне магнітне поле сильно спотворюється наявністю покладів залізної руди.

 Цікавим і повчальним є життєвий та творчий шлях видатних фізиків-дослідників Майкла Фарадея та Марії Склодовської Кюрі. 

МАГНІТНЕ І ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Історія вивчення магнітного поля Землі.

На Землі діють невидимі процеси, які людьми майже не відчуваються. Перш за все – це земний магнетизм. Явище магнетизму відоме людям досить давно.

В 1600 р. англійський вчений Уільям Гілберт в своїй книзі «Про магніт, магнітні тіла і великий магніт – Землю» представив Землю, як гігантський постійний магніт, вісь якого не збігалася з віссю обертання Землі. Гілберт підтвердив своє припущення на досліді: він виточив з природного магніту велику кулю і, наближаючи до поверхні кулі магнітну стрілку показав, що вона встановлюється так, як стрілка компаса на Землі. Графічно магнітне поле Землі подібне на магнітне поле постійного магніту.

В 1702 році вчений Галлей створив перші магнітні карти Землі.

Наша планета Земля є гігантським  сферичним магнітом. В природі магнітного поля нашої планети ще багато залишається невідомим. Магнітне поле Землі – область, де діють магнітні сили.  

Постійними магнітами можуть бути тільки певні метали: залізо і нікель. Їх називають феромагнітними матеріалами. Ці речовини, якщо їх нагріти вище точки Кюрі (770°С для заліза і 358°С для нікелю) втрачають свої магнітні властивості. Зрозуміло, якщо в надрах Землі температура значно вища за дані температури, то земне ядро, яке складається в переважно із заліза не може бути феромагнітним і створювати магнітне поле Землі. 

Причини виникнення магнітного поля Землі.

Причини походження магнітного поля Землі намагалися пояснити вчені з різних країн. З багатьох теорій, які розглядалися для пояснення виникнення магнітного поля Землі, найбільш поширеною є теорія динамо. Згідно з нею Земля є швидше електромагнітом, ніж постійним магнітом: електричний струм, що генерується внаслідок конвекції в рідкому ядрі, утворює навколо себе постійне магнітне поле . Залишається нез’ясованим питання про саме джерело енергії, яке  викликає різницю температур в земному ядрі. Фізики пропонують такі варіанти: 1) відбувається поступова кристалізація заліза з виділенням певної кількості тепла на межі між внутрішнім і зовнішнім ядром; 2) внаслідок опускання заліза з мантії вниз вивільняється гравітаційна енергія.

Землю можна розглядати як магнітний диполь. Його південний полюс знаходиться на географічному Північному полюсі, а північний, відповідно, на Південному. Насправді, географічний і магнітний полюси Землі не збігаються не тільки «по напрямі». Вісь магнітного поля нахилена по відношенню до осі обертання Землі на 11,6◦. Через те, що різниця не дуже велика, ми можемо користуватися компасом.

Область навколоземного простору, в межах якої виявляється земне магнітне поле, називається магнітосферою. Магнітосфера простягається на 70-80 тис. км в напрямі Сонця. Вона екранує поверхню Землі, захищає від шкідливого впливу заряджених частинок, високих енергій і космічних променів, визначає характер погоди. Вчених і звичайних громадян тепер хвилюють можливі наслідки такого явища як поступове послаблення  магнітного поля Землі.

 Зміни магнітного поля

Справді, з часів Карла Гауса, який вперше виміряв напруженість магнітного поля Землі, тобто на протязі 170 років магнітне поле Землі постійно послаблюється. А магнітне поле є своєрідним щитом, який захищає Землю і все живе на ній від згубного радіаційного впливу так званого сонячного вітру, тобто випромінюваних Сонцем електронів, протонів і інших частинок. Магнітосфера Землі відхиляє потік цих частинок, що летять з космосу до полюсів, забираючи їхню початкову енергію. На полюсах Землі потоки цих космічних частинок затримуються у верхніх шарах атмосфери, перетворюючись у фантастично красиві полярні сяйва.

Якщо магнітного поля не буде, або воно дуже ослабне, то все живе на Землі може опинитися під прямою дією сонячного і космічного випромінювання. А це, як можна передбачити, призведе до радіаційного опромінення всіх живих організмів. Вченим-палеомагнітологам, тобто тим, хто займається вивченням давніх магнітних полів, вдалося встановити з певною точністю, що магнітне поле Землі постійно відчуває коливання з різними періодами. Коли вчені склали всі криві коливань, то отримана результуюча крива по формі подібна до синусоїди з періодом у 8 тисяч років. Відрізок цієї кривої, який відповідає нашому часу, знаходиться на спадній частині цієї кривої. І це спадання буде продовжуватися ще приблизно дві тисячі років. Після цього магнітне поле знову почне підсилюватися. Це підсилення поля буде продовжуватися чотири тисячі років, а потім настане черговий спад. Попередній максимум був на початку нашої ери. 

Звичайно, не можна повністю розглянути всі методики, які привели до таких висновків. Про причини коливань напруженості магнітного поля є багато думок, але певної обґрунтованої теорії з цього питання на існує. Можна згадати, що фізики довели наявність такого явища як інверсія, тобто періодична зміна магнітних полюсів Землі: північний полюс переміщується на місце південного, південний – на місце північного. Такі переміщення тривають від 5 до 10 тисяч років.  Останнє таке переміщення пройшло приблизно 700тис. років тому. Якоїсь періодичності чи регулярності цього явища не виявлено. Причини цього перемагнічування полягають в складних взаємодіях рідкої частини ядра з космосом. Існує гіпотеза, що при зміні полюсів магнітне поле Землі зникає, і планета залишається на якийсь час без свого захисту. Але ця гіпотеза не знаходить надійного наукового обґрунтування, і залишається не більше, ніж гіпотезою. Під час такого перехідного періоду на Землю може проникати більше космічних частинок, шкідливих для живих організмів.

 У магнітному полі планети було помічено небезпечні зміни. Тривожна зона знаходиться в південній частині Атлантичного океану. Товщина магнітного поля в цьому районі не перевищує третини від нормальної. Вчені давно звернули увагу на цю дірку в магнітному полі Землі. Зібрані за 150 років дані показали, що за цей період поле послабилося там на 10%. Важко сказати, чим це загрожує людству. 

Ще в 1635 році вчений Геллібранд встановив, що магнітне поле Землі змінюється. Пізніше було встановлено, що існують постійні і короткочасні зміни магнітного поля. Причиною постійних змін є наявність корисних копалин. На Землі є такі території, де її власне магнітне поле сильно спотворюється наявністю покладів залізної руди.

Причиною короткочасних змін магнітного поля Землі є дія сонячного вітру, тобто дія потоку заряджених частинок, які викидаються Сонцем. Магнітне поле цього потоку взаємодіє з магнітним полем Землі, виникають «магнітні бурі». На частоту і силу магнітних бур впливає сонячна активність. В роки найбільшої сонячної активності (1 раз в кожні 11,5 років) виникають такі магнітні бурі, що порушують радіозв’язок, а стрілки компасів починають незрозуміло обертатися. Результатом взаємодії заряджених частинок «сонячного вітру» з атмосферою Землі в північних широтах є таке явище, як північне сяйво.

Вплив магнітного поля на живі організми.

Магнітне поле захищає жителів Землі і штучні супутники від згубного впливу космічних частинок. До таких частинок належать, наприклад, іонізовані заряджені частинки сонячного вітру. Магнітне поле змінює траєкторію їх руху, направляючи частинки вздовж ліній магнітного поля.

Магнітне поле Землі допомагає багатьом живим організмам орієнтуватися в просторі. Деякі морські бактерії розміщені в придонному мулі під певним кутом до силових ліній магнітного поля Землі, що пояснюється наявністю в них маленьких феромагнітних частинок.

 Недавно вчені виявили, що в птахів в ділянці очей розміщується маленький магнітний «компас», крихітне тканинне поле, в якому розміщуються кристали магнетиту, який може намагнічуватися в магнітному полі.  

Оскільки на виробництві і в побуті людина може піддаватися взаємодії магнітних полів, були розроблені допустимі рівні напруженості магнітного поля. Згідно різних оцінок для людини вважається безпечним магнітне поле напруженістю 300-700 ерстед. Якщо говорити точніше, то на виробництві і в побуті на людину діють не магнітні, а електромагнітні поля. Справа в тому, що при роботі будь-якого електричного пристрою і магнітне, і електричне поля можуть проявлятися у вигляді єдиного цілого, яке називається електромагнітним полем. Це пояснюється єдиною природою магнітних і електричних явищ.

  Властивості електричного поля Землі

Електричне поле Землі, як планети, спостерігається в корі Землі, в морях, в океанах, атмосфері і магнітосфері. Розподіл потенціалу поля несе в собі певну інформацію про будову Землі, про процеси, які проходять в нижніх шарах атмосфери, в іоносфері, магнітосфері, а також в міжпланетному просторі і на Сонці.

Вимірювання електрометром показали, що біля поверхні Землі існує електричне поле, навіть якщо поблизу нема заряджених тіл. Це означає, що наша планета володіє певним електричним зарядом, тобто є зарядженою кулею великого радіуса. Дослідження електричного поля показали, що в середньому модуль його напруженості Е=130 В/м, а силові лінії вертикальні і направлені до Землі. Найбільше значення напруженість електричного поля має в середніх широтах, а до полюсів і екватора вона зменшується. Вважають, що наша планета має негативний заряд, а атмосфера заряджена позитивно.

Методика вимірювання електричного поля Землі визначається тим середовищем, в якому спостерігається поле. Найбільш універсальний спосіб –визначення різниці потенціалів за допомогою роз’єднаних в просторі електродів. Цей спосіб використовується при реєстрації земних струмів при вимірюваннях з літальних апаратів електричного поля атмосфери, а з космічних апаратів електричного поля магнітосфери і космічного простору.

Існування електричного поля в атмосфері Землі зв’язане з процесами іонізації повітря і просторовим розподілом, що виникає при іонізації позитивних і негативних електричних зарядів. Іонізація повітря проходить під дією космічних променів ультрафіолетового випромінювання Сонця, випромінювання радіоактивних речовин, які знаходяться на поверхні Землі і в повітрі, електричних розрядів в атмосфері. Деякі атмосферні процеси приводять до часткового розділення різнойменних зарядів і виникнення атмосферних електричних полів.

Існування електричного поля атмосфери приводить до виникнення струмів, які розряджають електричний «конденсатор» атмосфера – Земля. В процесі обміну зарядами між поверхнею Землі і атмосферою значну роль відіграють опади. В середньому опади приносять позитивних зарядів в 1,1 – 1,4 рази більше, ніж негативних. Зменшення зарядів з атмосфери поповнюється за рахунок  струмів, пов’язаних з блискавками і стіканням зарядів з гострих предметів. 

Електричні поля в атмосфері обумовлені процесами, які протікають як в атмосфері, так і в магнітосфері. Припливні рухи повітряних мас, вітри, турбулентність – все це є джерелом генерації електричного поля в іоносфері.  Величина напруженості електричного поля в іоносфері залежить від розміщення точки спостереження, години доби, загального стану магнітосфери та іоносфери, від активності Сонця.

ТЕПЛОВЕ І РАДІАЦІЙНЕ ПОЛЯ ЗЕМЛІ

             Загальна характеристика теплового поля Землі.

Теорія теплового поля побудована на основі спостережень і встановлення зв’язків з іншими фізичними полями Землі.

Джерелами теплового поля Землі є процеси, що протікають в її надрах, і теплова енергія Сонця. Одним з головних джерел сучасної теплової енергії в надрах Землі вчені вважають радіоактивний розпад ізотопів хімічних елементів. Температура в надрах Землі збільшується із зростанням глибини. При цьому вплив сонячної енергії практично вже відсутній, а енергія надр Землі зростає. Можна згадати про велику кількість підземних печер, в яких температура залишається сталою і не залежить ні від пори року, ні від інших чинників.

До внутрішніх джерел теплового поля можна віднести радіоактивне тепло, яке утворюється внаслідок розпаду розсіяних в гірських породах ізотопів урану, торію і інших радіоактивних елементів і тепло, обумовлене різними процесами, які протікають в Землі (плавленням, хімічними реакціями з виділенням і поглинанням тепла, деформацією за рахунок припливів під дією Місяця і Сонця і деякими іншими). Теплова енергія цих джерел, яка звільняється із земної поверхні, значно більша за енергії тектонічних, сейсмічних процесів.

Всі живі організми на Землі відчувають теплове поле: люди, тварини, рослинний світ. Спостерігати дію теплового поля можна під час вулканічних вивержень. Гейзери з високими температурами води також ілюструють  дане поле. Людство ще не вирішило завдання використання енергії земних надр, адже це є дуже перспективний шлях отримання величезної енергії, прихованої в Землі. В даний час це тепло могло би розв’язати проблему нестачі енергії і могло би стати одним з напрямів розвитку енергетики багатьох країн.

Внутрішнє теплове поле характеризується певною стабільністю. Воно не впливає на температуру поблизу земної поверхні або клімат, оскільки енергія, що потрапляє на земну поверхню від Сонця, в 1000 разів більша, ніж з земних надр.

                 Зовнішні і внутрішні джерела тепла.

Тепловий стан земної поверхні формується за рахунок зовнішніх і внутрішніх джерел тепла. Наявність цих двох різних за походженням потоків енергії складає важливу рису географічної оболонки Землі. На поверхні планети екзогенний (зовнішній) потік енергії приблизно в 5000 разів перевищує ендогенний (внутрішній). На його рахунок можна віднести 99,5% всього тепла, яке поступає в поверхневий шар Землі.

Екзогенний потік енергії складається в основному з електромагнітного випромінювання Сонця – сонячної радіації. Потрапляючи на Землю, сонячна радіація майже повністю перетворюється в тепло. Певну кількість теплової енергії земна поверхня отримує від зір і планет (за рахунок космічних променів високих енергій). Але ця частка енергії приблизно в 30 млн. разів є менша від енергії, що надходить від Сонця.

Загальна кількість енергії, що випромінюється Сонцем, величезна. За підрахунками вчених вона становить 3,83*10^26 Вт. З цієї кількості тільки 1,74*10^17 Вт потрапляє на Землю. Потік сонячної радіації на верхній межі атмосфери, тобто перед тим, як радіація піддасться частковому поглинанню і розсіянню в атмосфері, називають сонячною сталою. Згідно з сучасними вимірюваннями, з використанням ракетних і супутникових пристроїв, сонячна постійна І=1,352кВт/м² . Це означає, що на верхній межі атмосфери кожен квадратний метр поверхні кожної секунди отримує 1352 Дж  енергії Сонця.

Сонячне випромінювання, перш ніж дійти до земної поверхні, зазнає в атмосфері ряд змін. Частина випромінювання розсіюється молекулами повітря і аерозолями, що містяться в повітрі.

В середньому на кожний квадратний метр земної поверхні припадає за рік 4,27*10^16  Дж, що дорівнює спалюванню 400 тис. т. кам’яного вугілля. Всі існуючі на Землі запаси вугілля еквівалентні 30-річній кількості сонячної енергії, що потрапляє на Землю. Менше ніж за 1,5 доби Сонце віддає Землі стільки ж енергії, скільки всі електростанції світу за рік.

Кількість сонячної радіації, яка попадає на земну поверхню, залежить від географічної широти місцевості, пори року, хмарності і прозорості атмосфери.

Земною поверхнею поглинається тільки частина сонячного випромінювання. Друга її частина відбивається. Частина поглинутого випромінювання залежить від відбивної здатності поверхні.  

До внутрішньоземних джерел теплового поля відносять тепло, яке утворюється за рахунок гравітаційної енергії, яка виділяється при переміщенні глибинної речовини в земне ядро, в процесі розпаду радіоактивних елементів, адіабатичного стиску Землі і хімічних реакцій в гірських породах. Важливим джерелом тепла є енергія земних припливів, тобто деформацій Землі, що проходять в більшості випадків вздовж розломів під дією притягання Місяця і Сонця. Зі всіх перерахованих джерел до головних відносять тепло гравітаційної енергії розшарування глибинної речовини (за рахунок зростання частки Fe в ядрі) і радіоактивне тепло. Згідно з сучасними дослідженнями, процеси гравітаційного розшарування глибинної речовини і дають основну кількість тепла, яка визначає теплове поле нашої планети. 

Кількість тепла, яке виділяється при розпаді радіоактивних елементів досить велика. Так, 1 грам урану генерує на протязі року 3,1 Дж тепла, 1 грам торію – 0,84 Дж. Значно менше тепла виділяється при розпаді радіоактивного калію. І хоч калій виділяє мало тепла при природному розпаді, він досить розповсюджений в верхніх шарах Землі, тому його радіоактивність відіграє важливу роль в «підігріві» земної кори.

Всі гірські породи Землі містять радіоактивні елементи, але розміщені вони так, що головні (уран, торій і калій) дають найбільш вагомий термічний ефект дуже нерівномірно. Дослідження показали, що в період ранньої історії Землі основні радіоактивні елементи розміщувалися в верхніх шарах земної кулі.

Порівняння вмісту радіоактивних елементів на різних глибинах свідчить про те, що найбільших значень їхня концентрація досягає в земній корі, де уран, торій і калій містяться в верхніх шарах, і з глибиною кількість їх зменшується.

Зі всіх видів теплопередачі (випромінювання, конвекції, переносу тепла водою) найбільшу роль в земній корі відіграє молекулярна теплопровідність. Молекулярна теплопровідність здійснюється шляхом передачі тепла від одної твердої частинки до іншої в місцях їх контактів.

 Космічна радіація

Радіаційний фон від космічних променів дає половину всього опромінення, яке отримує населення від природних джерел радіації. Космічні промені – це високоенергетичні потоки (90%), альфа-частинки (9%), нейтрони, фотони, електрони і ядра легких елементів (1%). Однак, планета Земля, яка входить в Сонячну систему, має свої захисні механізми від радіаційних впливів, інакше життя на Землі було б неможливе.

На відстані від одного до восьми земних радіусів космічні частинки відхиляються магнітним полем Землі. Магнітне поле Землі створює потужний захист для людства від космічної радіації, хоч деяка кількість високоенергетичних частинок проходить крізь магнітне поле і досягає верхніх шарів атмосфери. Деякі з них проникають через всю атмосферу і досягають поверхні Землі. Більшість зазнають зіткнення з атомами азоту, кисню, взаємодіють з ядрами цих атомів, розбивають їх, народжуючи багато нових частинок, які утворюють вторинне космічне випромінювання.

Захиститися від цього випромінювання неможливо. Але одні ділянки земної поверхні відчувають більший вплив космічної радіації, ніж інші. Південний і Північний полюси отримують більше опромінення, ніж екваторіальні області, тому що вплив магнітного поля Землі тут менший. Рівень опромінення зростає з висотою, оскільки тоншим стає шар повітря, який відіграє захисну роль.

Заряджені частинки, потрапляючи в магнітне поле Землі, утворюють радіаційні пояси. Виходу заряджених частинок з радіаційних поясів Землі заважає особлива конфігурація напряму ліній магнітної напруженості. Радіаційні пояси Землі є серйозною небезпекою для екіпажів космічних кораблів при польотах у навколоземному просторі, якщо їх орбіта проходить через ділянку радіаційних поясів. Довготривале перебування космічних кораблів в радіаційному поясі приводить до опромінення екіпажів, виходу з ладу оптичних приладів і сонячних батарей, які знаходяться на кораблі. В зв’язку з цим проводяться дослідження за допомогою супутників, спеціальних зондів з визначення координат радіаційних поясів Землі, а також розраховуються орбіти космічних кораблів.

Земна радіація

В основному земна радіація створюється сімейством радіоактивних елементів – урану, торію і актинію. Ці радіоактивні елементи нестабільні і в результаті фізичних перетворень їхній перехід в стабільний стан супроводжується виділенням енергії або іонізуючим випромінюванням.

Головними джерелами земної радіації є радіоактивні елементи, що містяться в гірських породах, які утворилися в результаті геофізичних процесів. Найбільша концентрація радіоактивних елементів міститься в гранітних породах і вулканічних утвореннях. Середня концентрація радіоактивних ізотопів К-40, Ra-226, Th-232 коливається в них від 102 до 103 Бк/кг. На протязі еволюційних процесів радіоізотопи мігрують, беручи участь в геохімічних процесах навколишнього середовища. В результаті з’єднання зі стабільними елементами вони потрапляють в живі організми, створюючи природну радіоактивність мешканців Землі. Рівні земної радіації неоднакові і залежать від концентрації радіонуклідів в тій чи іншій ділянці земної кори. Природні джерела радіоактивності в малих кількостях містяться в будь-якому ґрунті. Більша їхня кількість є в гранітних породах і глиноземах.

Половину річної індивідуальної дози опромінення від земних джерел радіації людина отримує від невидимого важкого газу радону. В природі радон зустрічається в двох основних формах: радон-222, член радіоактивного ряду, утвореного продуктами розпаду U-238, і радон-220, член радіоактивного ряду Th-232.

Основну частину дози опромінення від радону людина може отримати, коли знаходиться в закритому, не провітрюваному приміщенні, де наявна його підвищена концентрація. Радон може проникати крізь тріщини в фундаменті, через підлоги з поверхні Землі і назбирується в підвалах, на нижніх поверхах будівель, створюючи там підвищену радіацію. Тому важливе значення мають заходи зі зменшення концентрації радону: штукатурка швів, тріщин в фундаментах будівель, відмова від будівельних матеріалів, які містять радон, провітрювання приміщень нижніх поверхів і ванних кімнат.

         

ГРАВІТАЦІЙНЕ І СЕЙСМІЧНЕ ПОЛЯ ЗЕМЛІ

                   

Розвиток теорії гравітаційного поля Землі

Людина здавна хотіла вивчити, а то й підкорити могутні сили природи, які панували на нашій планеті. Багато спостережуваних явищ вчені не могли пояснити на протязі століть.

Одна з основних взаємодій – гравітаційна була відкрита англійським вченим І.Ньютоном в ХVІІ столітті. Вона є однією з важливих особливостей Землі. В основу теорії гравітації покладено закон всесвітнього тяжіння, відповідно до якого всі тіла притягуються з силою, що прямо пропорційна добутку мас взаємодіючих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Цей закон був відкритий І.Ньютоном у ХVІІ столітті. Формула закону всесвітнього тяжіння має такий вигляд:

                               
            де F – сила гравітаційної взаємодії між тілами; G – гравітаційна стала; m1,  m2 – маси тіл; R – відстань між центрами тіл 1 і 2.

 Багато вчених цікавилися силами тяжіння. Свого часу ще Галілей намагався дослідити падіння тіл з похилої Пізанської вежі. На півтора століття раніше до Ньютона польський  вчений Коперник писав про тяжіння: «Важкість є не що інше, як природне прагнення, яким батько Всесвіту обдарував усі частинки, а саме з’єднуватися в одне загальне ціле, утворюючи тіла кулястої форми». Подібні роздуми були і в інших вчених. Формули, відкриті Ньютоном, дозволили достатньо точно обчислити траєкторії руху планет і побудувати одну з перших математичних моделей Всесвіту.

Колись в науці вважалося, що планета Земля є нерухомою, а рух інших небесних об’єктів є надзвичайно складним. Галілео Галілей одним з перших висловив припущення, що Земля рухається навколо Сонця. Не зразу науковці сприйняли цю теорію. Вчений Тихо Браге вирішив перевірити це припущення, зробивши вимірювання координат космічних об’єктів на небесній сфері. Трохи пізніше безпосередні вимірювання Браге потрапили до Кеплера, який зумів пояснити траєкторії руху планет і Землі навколо Сонця, сформулювавши три закони руху.

Хоч закони Кеплера добре описували спостережуваний рух планет, проте вони не розкривали причин, що привели до такого руху. Тому саме теорія гравітації, відкрита Ньютоном, дозволила назвати ті причини, що зумовили рух космічних тіл за законами Кеплера, пояснила особливості їхнього руху в більш складних випадках. Згідно теорії Ньютона можна було описати явища як земного, так і космічного масштабів («знамените» падіння яблука на Землю і рух зірок  у галактичному скупченні).

                     Особливості гравітаційної взаємодії

Навколо нашої планети існує сила тяжіння. Поле сили тяжіння було назване гравітаційним. Поле тяжіння Землі зумовлюється її масою. 

Чим більша маса тіла, тим потужніше її гравітаційне поле. Біля поверхні Землі прискорення вільного падіння становить близько 9,81 м/с^2. Зі збільшенням висоти над поверхнею Землі  зменшується g і зменшується сила тяжіння, а над екватором на висоті 40тис. км вона дорівнює нулю.

Значення g залежить від середньої густини Землі. При цьому в певній точці планети прискорення вільного падіння g змінюється залежно від густини порід, що залягають саме в цьому місці. 

Розподіл величини сили тяжіння на поверхні Землі залежить від географічної широти: зі збільшенням широти вона зростає. Зменшення сили тяжіння в напрямі до екватора пояснюється двома причинами: збільшенням у цьому випадку відцентрової сили і збільшенням відстані від центра  планети, а також особливостями її внутрішньої будови. Якби Земля була правильною   нерухомою кулею за складом однорідною від поверхні до центру, то її сила тяжіння була б скрізь однаковою і направленою до центру планети.

Вплив гравітаційного поля на розвиток планети та її географічну оболонку величезний. Сила тяжіння визначає справжню форму земної поверхні – геоїд, зумовлює рухи земної кори. Під її впливом відбувається переміщення нещільних гірських порід, води, льоду, повітря. Гравітаційне поле Землі є однією з причин кругообігів у літосфері, атмосфері, гідросфері.

У гідросфері сила тяжіння рухає воду в струмках, потічках, ріках, дає можливість воді стікати у моря, океани та проходити глибоко в землю. Ця сама сила змушує  величезні маси води, які падають з греблі гідроелектростанцій обертати їхні турбіни і дозволяє отримувати людству мільярди кіловат дешевої електроенергії.

Якщо ж згадати роль сили тяжіння в атмосфері, то вона, безумовно, зберігає і підтримує саму можливість існування життя на нашій планеті, утримуючи унікальну газову оболонку, придатну для дихання, біля поверхні Землі.

Людство постійно на протязі свого розвитку відчуває дію гравітаційного поля у всіх сферах Землі. Сила тяжіння створила форму нашої планети, ущільнила внутрішню речовину. Фактично літосфера, мантія та ядро Землі виникли та розвивалися внаслідок дії сил всесвітнього тяжіння, окремим випадком яких є сила тяжіння. Саме ці гравітаційні сили і визначають тиск у земних глибинах, тектонічні рухи, зміни у потужності земної кори. Без гравітаційного поля Земля не мала б сучасного вигляду.

                                Характеристики  сейсмічного поля.

Активні процеси руху речовини в надрах Землі проявляються  у величезній кількості землетрусів різної сили, які реєструються по всій поверхні Землі. Але відчутної сили вони досягають лише в окремих регіонах (зони активного гороутворення, узбережжя океанів тощо). Відлуння грізної стихії відчувається на великі відстані.

Від сильних землетрусів особливо страждають приморські та острівні країни (Італія, Японія, Індонезія) Надзвичайна руйнівна сила океанських землетрусів обумовлена «народженими» ними цунамі. Наприкінці 2004 року саме від цього постраждало більше, ніж 320 тисяч чоловік. 

Вчені-сейсмологи досліджують стихію,  проводячи автоматичні записи на спеціальній апаратурі. Так вони здійснюють моніторинг, невпинно пильнуючи       пружні хвилі. Дані, одержані під час обробки сейсмограм, характеризують «здригання» планети Земля.

Енергія сейсмічного поля розповсюджується пружними хвилями, які виникають внаслідок низькочастотних механічних коливань речовини в земних надрах. Інтенсивність цих хвиль зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від джерела до точки спостережень. На своєму шляху енергія хвилі  частково поглинається оточуючими породами, підвищуючи внутрішню енергію. Це є одним з джерел теплового поля нашої планети. 

Виділяють поверхневі та об’ємні хвилі. Об’ємні, у свою чергу, поділяють на поздовжні та поперечні. Поздовжні хвилі поширюються у твердих тілах, рідинах та газах. Їх швидкість залежить від властивості об’ємного стискання, густини речовини та її пружних характеристик. Швидкості поздовжних та поперечних хвиль приблизно визначені для корисних копалин, з врахуванням геологічної будови регіону, віку порід. Хвилі на шляху від глибин до поверхні відбиваються  та заломлюються  на  границях різних шарів земних надр.

Реєстрація моменту досягнення хвилею певної точки земної поверхні здійснюється за допомогою сейсмоприймача, ввімкненого в електричне коло разом зі спеціальною апаратурою – сейсмічними станціями або сейсмографами. Визначити горизонтальні та вертикальні зміщення гірських порід можна на основі взаємозв’язку між механічною напругою та деформацією. Закон Гука встановлює прямо пропорційний зв'язок між виникаючою механічною напругою та малою деформацією. В умовах земної поверхні вимірюють деформації порід за змінами електричного струму в котушці, осердя якої рухається разом з ґрунтом. Струм, що виникає в електричному колі (за законом електромагнітної індукції), фіксується апаратурою. Після цього потрібна ретельна обробка отриманих даних  з метою виявлення потрібної інформації (в сейсмології – про епіцентр, силу та напрям землетрусу, про глибинну будову Землі; в сейсморозвідці – про наявність певних корисних копалин: під час сейсмічних досліджень в свердловинах – про властивості певного шару гірських порід). При цьому обов’язково використовуються  дані та результати інших методів та геофізики. 

Презентація з теми           

Особливості фізичних полів Землі

Геофізичні поля Землі – це особлива форма матерії, яка забезпечує зв'язок земних масивів гірських порід в єдині системи, здійснює передачу дії одних тіл на інші, втримує гідросферу та атмосферу, підтримує процеси перенесення енергії, які необхідні для існування життя на Землі.

До фізичних полів Землі належать: гравітаційне, магнітне, теплове, електромагнітне, сейсмічне, радіаційне. Через фізичні поля здійснюється взаємодія Землі як планети з Сонцем і з усім космічним простором. В межах Землі і навколоземного фізичного простору природні фізичні поля прийнято називати геофізичними, що підкреслює їх безпосередній зв'язок з нашою планетою.

Життя на Землі з’явилося і розвивалося в умовах переважного впливу гравітаційного, геомагнітного, радіаційного і теплового полів. Гравітаційне поле, якщо і змінювалося на протязі історії існування планети, то, вочевидь, не дуже швидко. Це дозволяє припустити, що Земля існувала при відносно стабільному гравітаційному полі.

Магнітне поле зазнало більших змін, що носили стрибкоподібний характер. Про це свідчать дрейф магнітних полюсів, зміни магнітної полярності. Це підтверджують дані палеомагнітних досліджень.

Загальна гравітаційна, магнітна і температурна ситуація на Землі в процесі еволюції біосфери забезпечила стабільне існування і пристосування живих організмів. В цей же час невпинно зростає техногенний енергетичний вплив на все живе на Землі. Цей вплив обумовлений зростаючим рівнем електромагнітного забруднення середовища. Наявність електромагнітного забруднення середовища в широкому частотному діапазоні,  в ділянці радіо- і більш високих частот, здійснює непередбачуваний вплив на біосферу і особливо на людину. Це забруднення стає дуже небезпечним у випадку управління людиною літаками, атомними електричними станціями, космічними кораблями.

Існують певні зв’язки між різними фізичними полями. Кожне поле відрізняється від іншого умовами виникнення та дією на навколишнє середовище. В існуванні полів є багато спільного, враховуючи те, що у них одні і ті ж середовища розповсюдження, є можливим одночасне існування декількох фізичних полів.

Пов’язані між собою зміни сейсмічного, гравітаційного поля. Можна продемонструвати експерименти, що підтверджують зв'язок гравітаційного і магнітного полів. Не існують відособлено між собою магнітне і електричне поля. Вони є компонентами єдиного електромагнітного поля. Магнітне поле має також певні складові: магнітне поле, яке утворене  в надрах Землі; зовнішнє магнітне поле; магнітні поля природних і штучних об’єктів. Електричні поля рухомих зарядів є джерелами магнітного поля. Не тільки електричне поле частинки, що рухається генерує магнітне поле, а й змінне магнітне поле індукує вихрове електричне поле.

Є певні зв’язки між тепловим і радіаційним полем Землі. Енергія розпаду радіоактивних елементів вносить великий вклад у формування теплового потоку. До джерел цих полів можна віднести і енергію Сонця, і внутрішню енергію земних надр. Зміни в енергії сонячної активності впливають як на теплове, так і на радіаційні поля.

Процес поширення в просторі електромагнітного поля – електромагнітна хвиля. Саме такими хвилями є і видиме світло, і радіохвилі, і теплове інфрачервоне випромінювання. Отже, поширення теплового поля при випромінюванні також пов’язане з електромагнітним полем. Енергія електромагнітного поля може переходити і в теплову енергію.

Всі закономірності фізичних полів не залежать від їх походження, природного або штучного. Серед природних фізичних полів окремі складові досить тісно пов’язані. Саме така взаємодія визначає стан сучасної геобіосфери та саме існування життя на Землі. Перевищення якогось допустимого рівня в котромусь з відомих фізичних полів може нести загрозу для життя людини і всього живого на Землі.

Якщо проаналізувати техногенний вплив на фізичні поля, то найбільш стійким до впливу людини є гравітаційне поле, оскільки воно пов’язане із масою планети. Хоч за роки діяльності людей відбулися зміни, пов’язані з перерозподілом маси в приповерхневому шарі Землі: десь люди ці маси забирають, будуючи кар’єри, шахти, а десь їх збільшують, створюючи терикони, водосховища і т.п. В результаті перебудовується структура гравітаційного поля Землі. Люди, переводячи великі кількості вугілля, нафти, газу, торфу та інших корисних копалин в тепло, все-таки зменшують загальну масу Землі.

Теплове поле Землі менше захищене від впливу людини. Штучне опалення планети з допомогою потужних ТЕС і АЕС, створення штучних водосховищ, розорювання степів, знищення лісів спотворило теплове поле Землі. На тепловий режим Землі впливає також викид в атмосферу великих кількостей вуглекислого газу, що поступово приводить до парникового ефекту.

На магнітне і електричне поля основний вплив виявляє велика кількість комунікацій зв’язку і потужні ліній електропередач, які охоплюють всю планету. Важливе місце при цьому займають великі генератори електромагнітних сигналів космічного і земного призначення, системи кабельного зв’язку.

Радіаційні поля Землі дуже змінилися після відкриття людьми явища радіоактивності, побудови АЕС і також в зв’язку з ліквідацією великих аварій на АЕС, випробуваннями  зброї на ядерних полігонах.

У ХХ столітті діяльність людини зробила більший вплив на Землю, ніж окремі фізичні поля. Тому для безпечного існування на нашій планеті необхідністю повинно стати дбайливе господарське ставлення до природи.

Навчання в Інтел

Навчання розпочалось!

Модуль 1-2

Сьогоднішній день пройшов надзвичайно цікаво. Модуль 2 допоміг мені засвоїти метод проектів, вимоги до нього. Особливо захоплююче пройшов наступний крок - створення буклета.

Модуль 3-4
Я ознайомилася з різними видами оцінювання, які застосовують для визначення того, що учні вже знають і уміють на початку виконання проекту. Навчилися створювати презентацію вчителя.
Розглянули шляхи ефективного пошуку  інтернет - ресурсів,  які допоможуть при вивченні обраної теми.

Модуль 5
Модуль пройшов надзвичайно цікаво. Я розглянула шляхи ефективного пошуку та оцінювання інтернет - ресурсів для проведення досліджень та навчилися правильно використовувати ці ресурси.

Модуль 6

Що дав мені цей модуль?

• Вчилась створювати мережевий опитувальник

•  обговорили проблеми безпеки роботи учнів в Інтернеті;

• переглянули план вивчення теми та внесла до нього зміни, 

• працювали з питаннями педради про безпечну роботу в Інтернеті
• вчилися редагувати записи, користуючись таблицею.

Необхідно встановити правила користування Інтернетом:

- письмова угода, яка описує положення та умови користування Інтернетом і підписується учнями, їхніми батьками та вчителями.

- правила проведення пошуку в Інтернеті, розміщення на сайтах імен учнів, а також зображень (картинок, фото чи відео) та аудіокліпів з учнями в Інтернеті.

Учителю НЕОБХІДНО постійно відслідковувати їх дотримання та бути впевненими, що учні діють відповідально при користуванні Інтернетом.

Модуль 7

В цьому навчальному блоці ми розглянули та вирішили такі проблеми та задачі:
-  Що вимагає планування та робота над прикладом учнівської роботи?
-  Які ключові та основні питання потрібно змінити і як це зробити?
-  Які проблеми виникають в учнів під час роботи над проектом?

Крім того, було створено учнівську презентацію. Я поділилась ідеями про використання Інтернету в процесі навчання учнів, внесла зміни до свого Плану вивчення теми.

Модуль 8

Цей модуль допоміг мені обдумати, що означає «оцінювання, зосереджене на потребах учнів», а саме:
 - обговорили ідеї із залучення учнів до процесу оцінювання;
-  проаналізували з колегами, як самі проводимо оцінювання;

- поділилися прикладами учнівських робіт ;

-обговорили ідеї з залученням учнів до процесу оцінювання;

-  доопрацювали плани оцінювання;

- розібрали як можна ефективно використовувати інформаційно-комунікаційні технології для підтримки та оцінювання процесу навчання учнів. 

Модуль 9

Цей модуль допоміг мені зробити висновки щодо того, як учні можуть самі спрямовувати себе у навчанні та про роль і місце диференційованого навчання . Ця методика  будується навколо потреб учнів. Це непросто, бо вимагає величезних зусиль з боку вчителів. Але це почесно і корисно, бо вчителі працюватимуть з учнями, щоб допомогти їм розвинути навички самоспрямованості, впевненості, самодостатності та колективізму .
Учні мають бути активним у власному навчанні.

Модуль 10

У цьому модулі ми:

•  ознайомилися з необхідними педагогічними технологіями та прийомами навчання задля досягнення навчальних цілей;
• обговорили, як керувати навчальним процесом у класі, де навчання здійснюється за методом проектів, 
• як використовувати комп’ютерні технології задля підвищення ефективності уроку та для підтримки навчання учнів. 

Потім створювали або текстовий документ, або презентацію (за бажанням) для фасилітації навчання учнів, які виконуватимуть проекти. Треба при цьому наперед спланувати, як буде вивчатися обрана тема в класі, створити інструктивні матеріали, які допомагатимуть учням з використанням комп’ютерних технологій при виконанні навчальних проектів. 
Роботи багато, але сподіваюсь, що це дасть свої вагомі результати.