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