Гравитационное поле земли реферат

Обновлено: 06.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выполнил: студент заочного отделения 1 курса

специальность метеорология Бондарчук А.В.

Третья планета в галактике.

Орбитальные характеристики планет.

Внутренне строение Земли.

Земная кора и её строение.

Газовая оболочка Земли.

Закон всемирного тяготения.

Форма Земли и гравитация.

Аномалии силы тяжести.

Система Земля – Луна.

Физические основы гравитационных аномалий.

Первая в мире гравикарта.

Список использованной литературы.

Третья планета в галактике. Солнечная система включает девять крупных планет, которые со своими 57 спутниками обращаются вокруг массивной звезды по эллиптическим орбитам (рис. 1). По своим размерам и массе планеты можно разделить на две группы – планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, – Меркурий, Венера, Земля и Марс и планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, находящиеся на значительно более удаленных орбитах от центральной звезды. Последняя из известных планет Плутон своей орбитой с радиусом около 6 млрд. км очерчивает границы Солнечной системы. Плутон не относится к планетам-гигантам, его масса почти в десять раз меньше массы Земли. Аномальные характеристики этой крошечной планеты позволяют рассматривать ее как бывший спутник Нептуна.

Кроме больших планет между орбитами Марса и Юпитера вращается более 2300 малых планет – астероидов, множество более мелких тел – метеоритов и метеорной пыли, а также несколько десятков тысяч комет, двигающихся по сильно вытянутым орбитам, некоторые из которых далеко выходят за границы Солнечной системы.

Рис. 1. Солнечная система

Рис. II.2. Элементы планетной орбиты:

АП - большая полуось орбиты,

ось апсид; П - перегилий; А - афелий;

Все планеты и астероиды обращаются вокруг Солнца в направлении движения Земли – с запада на восток. Это так называемое прямое движение. Основные закономерности движения планет полностью определяются законами Кеплера. Рассмотрим эти законы и охарактеризуем основные элементы эллиптических орбит. Согласно первому закону, все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. На рис. 2 показаны элементы планетных орбит с Солнцем (С) в фокусе. Линия АП называется линией апсид, крайние точки которой афелий (А) и перигелий (П) характеризуют наибольшее и наименьшее удаление от Солнца.Расстояние планет( Р ) на орбите от Солнца (гелиоцентрическое расстояние) определяется радиусом-вектором r = СР. Отношение полуфокального расстояния (с) к большой полуоси (а) называется эксцентриситетом орбиты:.

Если обозначить через q перигельное расстояние, а через Q афелийное расстояние, то их значения легко определить из выражений:;

Содержание

Введение
1. Сила тяжести и её составляющие
2. Измерение силы тяжести
3. Аномалии силы тяжести
4. Сила тяжести и фигура Земли
5. Поле силы тяжести и его значение для географической оболочки
Список литературы

Прикрепленные файлы: 1 файл

реферат.docx

Сила тяжести и её составляющие
Измерение силы тяжести
Аномалии силы тяжести
Сила тяжести и фигура Земли
Поле силы тяжести и его значение для географической оболочки

Гравитационное поле Земли - силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; незначительно зависит также от притяжения Луны и Солнца и других небесных тел и масс земной атмосферы. Гравитационное поле Земли характеризуется силой тяжести, потенциалом силы тяжести и различными его производными. Потенциал имеет размерность м2•с-2, за единицу измерения первых производных потенциала (в т.ч. силы тяжести) в гравиметрии принят миллигал (мГал), равный 10-5 м•с-2, а для вторых производных — этвеш (Э, Е), равный 10-9•с-2.

Обычно гравитационное поле Земли представляют состоящим из 2 частей: нормальной и аномальной. Основная — нормальная часть поля соответствует схематизированной модели Земли в виде эллипсоида вращения (нормальная Земля). Она согласуется с реальной Землёй (совпадают центры масс, величины масс, угловые скорости и оси суточного вращения). Поверхность нормальной Земли считают уровненной, т.е. потенциал силы тяжести во всех её точках имеет одинаковое значение (см. геоид); сила тяжести направлена к ней по нормали и изменяется по простому закону.

На основании гравитационного поля Земли определяется геоид, характеризующий гравиметрическую фигуру Земли, относительно которой задаются высоты физической поверхности Земли. Гравитационное поле Земли в совокупности с другими геофизическими данными используется для изучения модели радиального распределения плотности Земли. По нему делаются выводы о гидростатическом равновесном состоянии Земли и о связанных с этим напряжениях в её недрах. По наблюдениям приливных вариаций силы тяжести изучают упругие свойства Земли.

Гравитационное поле Земли используется при расчёте орбит искусственных спутников Земли и траекторий движения ракет. По аномалиям гравитационного поля Земли изучают распределение плотностных неоднородностей в земной коре и верхней мантии, проводят тектоническое районирование, поиски месторождений полезных ископаемых (см. гравиметрическ ая разведка). Гравитационное поле Земли используется для вывода ряда фундаментальных постоянных геодезии, астрономии и геофизики.

Сила тяжести и её составляющие

Среди многих причин, обусловливающих строение Земли и ее поверхности, одно из главных мест принадлежит силе тяжести. Под влиянием силы тяжести опускаются и поднимаются громадные участки земной коры, разрушаются горы, текут реки, движутся ледники, образуются слои осадочных пород и т. д. Сила тяжести оказывает огромное влияние на развитие органической жизни и на деятельность человека.

Сила тяжести является равнодействующей силы притяжения Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения нашей планеты вокруг своей оси. Некоторое влияние на величину силы тяжести оказывает также притяжение Солнца, Луны и других небесных тел. Однако это влияние столь незначительно, что его можно совершенно не принимать в расчет.

Величина силы тяжести обычно измеряется ускорением свободно падающего тела или, как часто говорят, ускорением силы тяжести (g). Единицей измерения ускорения силы тяжести служит гал (1 гал = = 1 см/сек2). Среднее ускорение силы тяжести равно 981 галу2. Направление силы тяжести (направление вектора) определяет положение отвесной линии (вертикали) и астрономического зенита в данном пункте.

Распределение силы тяжести на земной поверхности. Если бы Земля имела форму правильного шара, состояла из совершенно одинаковых пород и не вращалась вокруг своей оси, то сила тяжести во всех точках земной поверхности была бы одинакова. Как мы уже говорили, сила тяжести является равнодействующей силы притяжения и центробежной силы вращения Земли. Понятно, что центробежная сила, уменьшающая силу тяжести, будет наибольшей на экваторе и совершенно отсутствовать на полюсах. Хотя величина центробежной силы очень невелика по сравнению с силой земного притяжения (даже на экваторе она составляет лишь 7288 часть силы тяжести), тем не менее вызывает уменьшение силы тяжести на экваторе по отношению к полюсам.

В то же время нам известно, что Земля представляет собой не правильный шар, а геоид, полярный радиус которого на 21,4 км меньше экваториального. Эта особенность формы Земли еще в большей степени, чем ее вращение, приводит к тому, что сила тяжести увеличивается по направлению от экватора к полюсам. В целом сила тяжести в основном зависит от формы и размеров земной поверхности и распределения плотностей внутри Земли. Как правило, сила тяжести возрастает при движении от экватора к полюсам и уменьшается с нарастанием абсолютной высоты местности. Однако эта общая закономерность часто нарушается в связи с особенностями строения того или иного участка Земли.

Измерение силы тяжести

Сила тяжести на поверхности Земли есть равнодействующая двух сил: силы притяжения, направленной к центру массы Земли, и центробежной силы, направленной перпендикулярно к оси вращения Земли. Так как Земля сплюснута вдоль оси вращения, то сила притяжения у полюсов больше, чем в других местах, и уменьшается к экватору.

Кроме того, центробежная сила действует против силы притяжения. Поэтому сила тяжести на поверхности Земли уменьшается при переходе от полюсов к экватору. Разница в ускорении силы тяжести между полюсами и экватором составляет g90 - g0 = 983,2 - 978,0 = 5,2 см/сек2. Около 2/3 этой разности возникает за счет центробежного ускорения на земном экваторе и около 1/3 - за счет сплюснутости Земли. Среднее значение ускорения силы земной тяжести принимается равным g = 981см/сек2.

Результаты измерений ускорения силы тяжести в различных точках земной поверхности показали отклонения (возмущения) силы тяжести по сравнению с ее нормальным ходом, соответствующим эллипсоиду. Эти отклонения называются аномалиями силы тяжести и объясняются тем, что строение земной коры неоднородно как в отношении видимых наружных масс (горных массивов и т.п.), так и в отношении плотностей горных пород, составляющих земную кору.

Ряд мелких неоднородностей в строении верхних слоев земной коры вызывают местные аномалии силы тяжести, охватывающие небольшие районы. Местные аномалии свидетельствуют о наличии залежей ископаемых, обладающих либо очень большой плотностью (например, руды металлов) либо очень маленькой плотностью (например, залежи нефти, каменной соли).

Аномалии силы тяжести

Как известно, Земля, а в особенности ее верхняя оболочка (земная кора), слагается разнообразными породами, имеющими различную плотность и удельный вес. Сила тяжести над участками, сложенными более плотными породами, будет несколько большей, а над участками менее плотных пород — несколько меньшей, чем она должна была бы быть, если бы Земля слагалась однородными породами. Всякая разница между измеренной силой тяжести, приведенной к уровню моря при помощи специальных расчетов, и теоретически вычисленным значением силы тяжести в той же точке Земли носит название аномалии силы тяжести. В том случае, когда измеренное значение силы тяжести превышает теоретическое, говорят о положительной аномалии, в обратном — отрицательной.

Исследование аномалий силы тяжести играет громадную роль в геологии и разведке полезных ископаемых. Изучение распределения аномалий позволяет получить представление о строении и равновесии глубоких слоев земной коры. Сравнение карты аномалий с геологической картой позволяет судить о характере пород, перекрытых более молодыми отложениями. Например, известно, что Уральский хребет сложен несколькими меридионально вытянутыми полосами пород. Каждая из этих полос характеризуется своей аномалией силы тяжести. Как показали специальные исследования, в пределах Западно-Сибирской низменности наблюдается сходное чередование положительных и отрицательных аномалий. Эти аномалии показывают, что здесь мы имеем продолжение горных систем Урала, скрытых под толщей более молодых осадков.

Изучение изменения силы тяжести на отдельных небольших участках позволяет обнаружить месторождение полезных ископаемых и изучить их условия залегания. Особенно широко применяется этот метод при исследовании нефтяных и некоторых рудных месторождений.

В последние годы было установлено, что аномалии силы тяжести отмечаются также в районах, форма поверхности которых отличается от формы теоретически вычисленного геоида. Это позволяет применить метод изучения силы тяжести для более точного определения фигуры Земли. Советским ученым М. С. Молоденским разработан практический метод использования аномалий силы тяжести для целей геодезии и картографии.

Сила тяжести и фигура Земли

Фигура Земли понятие или представление о форме Земли, как планете в целом, изменявшееся в ходе историческогоразвития знаний и определяемое по соглашению.

Ещё в древности было осознано, что Ф. З. имеет вид шара. Это явилось первым приближением впредставлении о Ф. З. Задача изучения, Ф. З. сводилась к определению радиуса земного шара (Эратосфе н,Бируни). И. Ньютон, исходя из открытого им закона всемирного тяготения, высказал предположение, что Ф. З. вследствие её вращения около оси и взаимного притяжения составляющих её масс должна быть слабосплюснута в направлении оси вращения и иметь вид сфероида, близкого к эллипсоиду вращения (см.Земной сфероид, Земной эллипсоид). Результаты градусных измерений (См. Градусные измерения) в 1йполовине 18 в. подтвердили обоснованность этого предположения, а также и закона всемирного тяготения. Предположение, что Ф. З. имеет вид эллипсоида вращения, явилось вторым приближением впредставлениях о ней. Задача изучения Ф. З. в этом приближении сводилась к определениюэкваториального радиуса и сжатия Земли (См. Сж атие земли).

Работа А. Клеро по теории фигур равновесия вращающейся жидкой массы развивала исследования И.Ньютона и заложила основы теории Ф. З. Развитие теории Ф. З. в 19 в. Дж. Стоксом и др. учёными привело квведению понятия Геои д, отождествление с которым Ф. З. явилось следующим приближением впредставлениях о ней. Ф. З. в этом понимании имеет довольно сложный вид и зависит от внутреннего строения Земли.

Созданная М. С. Молоденским ( См. Молоденский) теория определения Ф. З. в её современномпонимании как фигуры реально существующей физической поверхности Земли, образованной на морях иокеанах невозмущённой поверхностью воды, а на материках и островах – рельефом, свободна от каких быто ни было гипотез о внутреннем строении Земли. В качестве вспомогательной поверхности им введёнквазигеоид, строгое математическое определение которого позволило изучать Ф. З. без привлечения такихгипотез. Задача изучения Ф. З. состоит в определении истинных координат точек земной поверхности, атакже в изучении внешнего гравитационного поля (См. Грав итационное поле)Земли в системе координат,общей для всей Земли. Это составляет предмет и основную научную проблему геодезии, которая решаетсяна основании астрономо-геодезических и гравиметрических измерений и наблюдений за движениемискусственных спутников Земли. Практически фигуру геоида заменяют наиболее близкой к нейповерхностью земного эллипсоида. В СССР в геодезических и картографических работах принят Красовского эллипсоид.

Поле силы тяжести и его значение для географической оболочки

Сила тяжести — равнодействующая притяжения массы Земли и центробежной силы от вращения планеты. В экваториальных широтах она равна в среднем 978 галл, а в полярных возрастает до 983 галл, что связано как с фигурой Земли, так и с уменьшением с широтой центробежной силы.

О значении силы тяжести для географической оболочки выше говорилось в разных аспектах. Обобщим это, поскольку гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение.

Название работы: Гравитация. Гравитационное поле

Предметная область: Физика

Описание: Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты как структура галактик черные дыры и расширение Вселенной и за элементарные астрономические явления орбиты планет и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Дата добавления: 2015-03-06

Размер файла: 162.95 KB

Работу скачали: 144 чел.

1 А) Гравитация___________________________________________ 3

1 В) Гравитационное поле__________________________________ 3

2 - Классические теории гравитации

2-А) Гравитационное поле в общей теории относительности______6

2-Б) Теория Эйнштейна Картана___________________________7

2-В) Теория Бранса -Дикке__________________________________8

3 - Гравитационное поле

3-А) Гравитационное поле, поле тяготения_____________________9

3-Б) Гравитационное поле земли _____________________________10

Список используемой литературы_____________________________ 14

Гравитацио́нное по́ле, или по́ле тяготе́ния физическое поле , через которое осуществляется гравитационное взаимодействие .

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния то есть:

Здесь гравитационная постоянная , равная примерно 6,6725×10 −11 м³/(кг·с²).

Для расчёта поля в более сложных случаях, когда тяготеющие массы нельзя считать материальными точками, можно воспользоваться тем фактом, что поле ньютоновского тяготения потенциально. Если обозначить плотность вещества ρ, то потенциал поля φ удовлетворяет уравнению Пуассона :

Закон всемирного тяготения одно из приложений закона обратных квадратов , встречающегося также и при изучении излучений , и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести, потенциально . Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности , более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

2 - Классические теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных 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. 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.

2 - А) Гравитационное поле в общей теории относительности.

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.

Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения). Считается, что существуют определённые проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости (проблема гравитационных сингулярностей).

Другие существенные отличия гравитационного поля ОТО от ньютоновского: возможность нетривиальной топологии пространства, особых точек, гравитационные волны.

Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2012 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.

2 - Б) Теория Эйнштейна Картана

Теория Эйнштейна Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.

2 - В) Теория Бранса Дикке

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Бранса Дикке (или Йордана Бранса Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум группам уравнений для компонент гравитационного поля: одна для метрики, вторая для скалярного поля. Теория Бранса Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.

Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского [7] . Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана Бранса Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана Бранса Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.

3 - Гравитационное поле

3 - А)Гравитационное поле, поле тяготения

Каждое тело (например, Земля) создает вокруг себя силовое поле поле тяготения. Напряженность этого поля в любой его точке характеризует силу, которая действует на находящееся в этой точке другое тело.

Если:
g напряженность гравитационного поля,
F гравитационная сила действующая на тело массой m,
m масса тела в гравитационном поле,
то

Напряженность поля g представляет собой векторную величину, направление которой определяется направлением гравитационной силы F, а численное значение формулой ускорения свободного падения.

Напряженность гравитационного поля совпадает по величине, направлению и единицам измерения с ускорением свободного падения, хотя по своему физическому смыслу, это совершенно разные физические величины. В то время, как напряженность поля характеризует состояние пространства в данной точке, сила и ускорение появляются только тогда, когда в данной точке находится пробное тело.

Гравитационные поля небесных тел перекрываются. Если двигаться вдоль прямой, соединяющей центры Земли и Луны, то, начиная с определенного места, будет преобладать напряженность гравитационного поля Луны.

3 - Б) Гравитационное поле земли

Гравитационное поле земли силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; незначительно зависит также от притяжения Луны и Солнца и других небесных тел и масс земной атмосферы. Гравитационное поле Земли характеризуется силой тяжести, потенциалом силы тяжести и различными его производными. Потенциал имеет размерность м 2 •с -2 , за единицу измерения первых производных потенциала (в т.ч. силы тяжести) в гравиметрии принят миллигал (мГал), равный 10 -5 м•с -2 , а для вторых производных этвеш (Э, Е), равный 10 -9 •с -2 .

Значения основных характеристик гравитационного поля Земли: потенциал силы тяжести на уровне моря 62636830 м 2 •с -2 ; средняя сила тяжести на Земле 979,8 Гал; уменьшение средней силы тяжести от полюса к экватору 5200 мГал (в т.ч. за счёт суточного вращения Земли 3400 мГал); максимальная аномалия силы тяжести на Земле 660 мГал; нормальный вертикальный градиент силы тяжести 0,3086 мГал/м; максимальное уклонение отвеса на Земле 120"; диапазон периодических лунно-солнечных вариаций силы тяжести 0,4 мГал; возможная величина векового изменения силы тяжести
Обычно гравитационное поле Земли представляют состоящим из 2 частей: нормальной и аномальной. Основная нормальная часть поля соответствует схематизированной модели Земли в виде эллипсоида вращения (нормальная Земля). Она согласуется с реальной Землёй (совпадают центры масс, величины масс, угловые скорости и оси суточного вращения). Поверхность нормальной Земли считают уровенной, т.е. потенциал силы тяжести во всех её точках имеет одинаковое значение (см. геоид); сила тяжести направлена к ней по нормали и изменяется по простому закону. В гравиметрии широко используется международная формула нормальной силы тяжести:

g(р) = 978049(1 + 0,0052884 sin 2 р 0,0000059 sin 2 2р), мГал.

В CCCP и других социалистических странах в основном применяется формула Ф. Р. Гельмерта:

g(р) = 978030(1 + 0,005302 sin 2 р 0,000007 sin 2 2р), мГал.

Из правых частей обеих формул вычитают 14 мГал для учёта ошибки в абсолютной силе тяжести, которая была установлена в результате многократных измерений абсолютной силы тяжести в разных местах. Выведены другие аналогичные формулы, в которых учитываются изменения нормальной силы тяжести вследствие трёхосности Земли, асимметричности её северного и южного полушарий и пр. Разность измеренной силы тяжести и нормальной называют аномалией силы тяжести (см. геофизическая аномалия). Аномальная часть гравитационного поля Земли по величине меньше, чем нормальная, и изменяется сложным образом. Поскольку положения Луны и Солнца относительно Земли изменяются, то происходит периодическая вариация гравитационного поля Земли. Это вызывает приливные деформации Земли, в т.ч. морские приливы. Существуют также неприливные изменения гравитационного поля Земли во времени, которые возникают из-за перераспределения масс в земных недрах, тектонических движений, землетрясений, извержения вулканов, перемещения водных и атмосферных масс, изменения угловой скорости и мгновенной оси суточного вращения Земли. Многие величины неприливных изменений гравитационного поля Земли не наблюдаются и оценены только теоретически.

Гравитационное поле Земли используется при расчёте орбит искусственных спутников Земли и траекторий движения ракет. По аномалиям гравитационного поля Земли изучают распределение плотностных неоднородностей в земной коре и верхней мантии, проводят тектоническое районирование, поиски месторождений полезных ископаемых (см. гравиметрическая разведка). Гравитационное поле Земли используется для вывода ряда фундаментальных постоянных геодезии, астрономии и геофизики .

[pic] в которой постоянные нужно считать известными. Эти данные определяются из наблюдений и зависят от методики их вычислений, от объема и качества наблюдательных данных. Построение "нормальной" формулы для вычисления силы тяжести требует привлечения экспериментальных данных, полученных в разных странах, в разных экспедициях. В последние 3-4 десятилетия широко используются и спутниковые наблюдения, которые резко увеличили надежность результатов. Для того, чтобы карты гравитационных аномалий, полученных разными авторами, можно было сравнивать и анализировать, необходимо, чтобы гравитационные аномалии вычисляли по одинаковым методикам. По этой причине
Международный Геофизический и Геодезический союз на своей Генеральной
Ассамблее в августе 1971 года утвердил следующую формулу для нормальной силы тяжести

[pic]
В качестве "нормальной Земли" принят общий земной эллипсоид с параметрами

[pic]
Сжатие этого эллипсоида, определенное по спутниковым данным, равно [pic].
Известно, что сила тяжести зависит от высоты точки наблюдения. Наблюдения производятся, в крайнем случае, на уровне моря, то есть на высоте, равной нулю. Все сухопутные определения силы тяжести выполняются на разных высотах. Так как поверхность эллипсоида не совпадает с поверхностью уровня, поэтому развита теория приведения гравитационной аномалии (редукции) к одной и той же поверхности. Кроме того, сила тяжести зависит и от масс, лежащих между эллипсоидом и геоидом. Чтобы учесть и эти факторы, развита теория геологических редукций. В таком случае вместе с гравитационными аномалиями обязательно должен указываться и вид редукций, с которыми данная аномалия вычислена. Существуют аномалии в свободном воздухе, аномалии Фая, аномалии Буге, изостатические аномалии и т. п. Гравитационные аномалии на
Земле, как правило, меньше 100 мГал, их среднеквадратическая вариация по
Земле составляет величину около 20 мГал. Следовательно, гравитационное поле
Земли достаточно гладкое. Для экстремальных условий (островные дуги, глубоководные впадины) гравитационные аномалии достигают величины 400 мГал, что в 12,5 раз меньше разницы в значениях силы тяжести на полюсе и экваторе и составляют всего 0,04% от величины силы тяжести. Потому для получения данных, по которым можно судить о внутреннем строении нашей планеты, необходимо изучать аномалии на уровне не только миллигалов, но и микрогалов, чего и добиваются геофизики. Вторая характеристика гравитационного поля -- это отклонение отвесной линии (вертикали) от нормали к эллипсоиду. Это отклонение также невелико и составляет секунды дуги. Геодезические работы в Индии близ горного массива Гималаев показали, что координаты астрономических пунктов из-за отклонений отвесной линии отличаются от геодезических на 5,2", тогда как вычисленное отклонение, связанное с притяжением гор, составляет 27,9". Для объяснения этого явления английский геодезист Пратт высказал мысль, что под горами плотность пород гораздо меньше, чем коренные породы под равнинами. Иными словами, если все породы разбить на блоки, то плотность этих блоков должна зависеть от их толщины: чем толще блок, тем меньше плотность. При этом вес всех блоков на некоторой поверхности, называемой поверхностью компенсации, один и тот же.
Вся земная кора, таким образом, находится в равновесии. Эта гипотеза Пратта получила название изостатической. Конечно, с геологической точки зрения эта гипотеза никуда не годится. Французский геодезист Эри предложил более правдоподобную схему: земные блоки по Эри подобно айсбергами на море плавают на более плотной, но и более пластичной среде -- верхней мантии. В этом случае, так же как и у айсбергов, должна образоваться под горными массивами "подводная часть" с плотностью, меньшей, чем плотность вмещающих пород. Таким образом эффект гравитационной компенсации должны создавать корни гор, существование которых сейсмологи подтверждают. Строение земной коры невозможно изучить, пользуясь только одним методом. Геофизики применяют все доступные им методы, прежде всего сейсмологический и гравиметрический. По современным представлениям земная кора имеет разную толщину в разных регионах. В горах толщина ее достигает 60 и более километров. Состоит она из разных слоев. Большой объем занимает кислые
(гранитные) породы с плотностью 2,67. Равнины покрыты осадочными породами толщиной несколько километров и с плотностью 2,2. Ниже этих слоев лежат основные породы -- базальты с плотностью 2,8. Толщина коры для равнинных регионов полагают равной 30 км. Горные районы и равнины образуют основные морфологические особенности континентов. При переходе к океану, гранитный слой постепенно выклинивается, а осадочные породы покрывают на абиссальных котловинах, в основном, базальтовые породы. При этом толщина коры становится меньше и в среднем составляет 10-15 км. Особенно тонкой кора становится в глубоководных впадинах (4-5 км).

Аномальное гравитационное поле Земли отражает суммарное действие гравитирующих масс, расположенных на различных глубинах в земной коре и верхней мантии. Несмотря на сложную структуру аномального гравитационного поля, наблюдаемого как на суше, так и на море, отдельные участки кривой (g могут быть использованы для определения параметров гравитирующей массы. Иногда, меняя форму и глубину залегания гравитирующей массы, рассчитывают создаваемую при этом аномалию.
Сравнивая ее с наблюденной аномалией, методом подбора определяют основные параметры возмущающей массы в реальных условиях .Существование гравитационных аномалий над океаническими котловинами и над континентами обусловлено плотностными неоднородностями горных пород. Чем значительнее эти неоднородности, тем лучше они отражаются в аномальном гравитационном поле. Большую роль играют также размеры и форма аномалиеобразующего тела.Для оценки параметров геологических объектов и расчетов создаваемого ими аномального поля силы тяжести вводится понятие избыточной плотности горных пород : [pic]

Избыточной плотностью называется разность плотности вмещающих пород (1 и плотности аномалеобразуюшего тела (2. Знание плотности важно при геологическом истолковании гравитационных аномалий. Аномалии Буге даже после тщательного исключения эффектов, обусловленных высотой и видимым рельефом, систематически коррелируют с рельефом по обширным областям. В возвышенных районах они почти всегда отрицательны, над океаническими бассейнами характеризуются большими положительными значениями. Над сушей вблизи уровня моря средняя аномалия Буге близка к нулю, но для обширных областей с высоким рельефом эти аномалии достигают подчас нескольких сотен миллигал. Это может означать, что породы, слагающие возвышенные области, имеют плотность ниже средней, а под океанами плотность пород выше средней.
Видимые массы земной поверхности находятся в равновесии. По гипотезе
Пратта, чем выше гора, тем меньше ее средняя плотность. Ниже уровня моря земная кора тянется до некоторой постоянной глубины, а ее плотность меняется с изменением высоты рельефа . В качестве геологического подтверждения Пратт постулировал, что горы формировались посредством удлинения вертикальных блоков земной коры без изменения их массы. Поэтому выше некоторого постоянного уровня все эти блоки имеют одну и туже массу. В модели Пратта высота h рельефа земной коры выше уровня моря связана с плотностью коры ? следующим образом: ?(H+h) = ?nH,

Анализируя геоид Жонгловича для двухосного эллипсоида можно сделать выводы, что аномалии гравитационного поля Земли приурочены к континентальным структурам, причем максимумы аномалий располагаются не в центре континентов, а на границах континент-океан. На рисунке видно, что существует пять максимумов аномалий гравитационного поля (три положительных и две отрицательных). Четыре максимума находятся в восточном полушарии и лишь один в западном. Самая интенсивная положительная аномалия (+136) приурочена к западной границе Южной Америки, а самая интенсивная отрицательная (-160) находится на юге Азии.

На рисунке (трехосный эллипсоид) ситуация несколько иная. Аномалии менее интенсивные. Они в восточном полушарии, также как и в случае с двухосным эллипсоидом тяготеют к континентальным структурам, тогда как в западном полушарии максимумы аномалий приурочены как к континентам, так и к океанам.
В данном случае выделяются уже восемь максимумов (четыре положительных и четыре отрицательных). Четыре из них расположены в западном полушарии и четыре в восточном. Самая интенсивная положительная аномалия (+85) располагается между Азией и Австралией. Самая интенсивная отрицательная (-
77) на юге Азии.

На рисунке показана карта высот геоида. Высоты характеризуют уклонения гравитационного поля
Земли от нормального поля. Карта показывает, что уклонения не связаны с главными топографическими особенностями Земли (океанами и континентами).
Отсюда следует вывод, что континентальные области изостатически скомпенсированы, материки плавают в подкоровом субстрате. Небольшие отклонения гравитационного поля Земли связаны с какими-то изменениями плотности в коре и оболочке.

Максимальное уклонение (73) располагается в районе Индийского океана, минимальные в Тихом.

Система Земля – Луна.

Рассмотрим еще одно интересное явление, возникающее под действием взаимного притяжения планеты и обращающегося вокруг нее спутника. Внешним проявлением на Земле этого явления являются приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды дважды в сутки поднимается и опускается до своих максимальных отметок. Это объясняется притяжением Луны между двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей оси быстрей, чем Луна совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50 мин.

Поясним это на примере . Представим Луну в виде материальной точки, расположенной на расстоянии r от центра Земли. Радиус планеты положим равным единице, т. е. R = 1, и рассмотрим, какое притяжение испытывают точки на поверхности Земли (А) на том же меридиане на противоположной стороне (В) и в центре – в точке (О). Пусть эти точки имеют единичную массу. Положив массу Луны m, для каждой точки в соответствии с законом тяготения можно написать выражения: [pic]; [pic]; [pic].

Найдем разность ускорений силы тяжести материальных точек А и О: [pic].

Поскольку расстояние r и 2r много больше единицы, то последними можно пренебречь. В итоге получим: [pic].
Выражение характеризует приливообразующую силу внутри и на поверхности
Земли, которая, как видим, обратно пропорциональна кубу расстояний между планетой и ее спутником.

Под действием силы (g точка А удаляется от точки О в направлении к Луне, образуя своеобразный горб на поверхности планеты – прилив. Но точка О в свою очередь также притягивается Луной на большую амплитуду, чем точка В, расположенная на обратной стороне Земли. Поэтому и на обратной стороне на поверхности планеты образуется приливное вздутие. Одновременно с двумя областями прилива, в точках квадратур, т. е. районах, отстоящих на 90° по меридиану от точек прилива, будет наблюдаться отлив. В ходе вращения Земли приливные волны дважды в сутки обходят ее поверхность. Высота прилива в океане не превышает 1 – 2 м. Однако, когда приливная волна подходит к шельфовому мелководью, она возрастает до нескольких метров. Волны прилива наблюдаются и в твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения
Луны и Солнца. Приливное трение, возникающее при движении жидкой и в меньшей степени твердой волн, приводит к торможению осевого вращения Земли и ее спутника. По этой причине Луна уже давно прекратила свое вращение вокруг оси и постоянно обращена к планете одной стороной. Уменьшение скорости вращения Земли составляет 2 с за каждые 100 тыс. лет. За последние
450 млн. лет она уменьшилась с 21 часа 53 минут до 24 часов в настоящее время.

Поскольку масса Земли в 81 раз больше массы Луны, то величина приливного ускорения на поверхности спутника будет примерно в 20 раз больше, чем на
Земле, и теоретическая высота твердого прилива может достигать нескольких метров.

В связи с этим возникает интересный вопрос о предельно допустимом расстоянии, на которое могут сблизиться спутник и планета в ходе своей эволюции. Для этого приравняем приливной потенциал Земли к ускорению свободного падения на поверхности Луны:

[pic].
После преобразований получим:[pic]= 1738[pic](9400 км.
Здесь m, r0 – масса и радиус спутника; М – масса планеты; r – расстояние между планетой и спутником. Полученное выражение называется пределом Роша.
Спутник, попавший внутрь предела Роша вследствие многокилометровой приливной волны, будет неизбежно разрушен и превращен в каменное кольцо вокруг планеты. Не менее катастрофичными станут последствия такого сближения и для планеты. Гигантский приливный горб высотой многие сотни метров, прокатившись многократно по мере сближения спутника по поверхности, перемелет в пыль горы и равнины, реки и моря планеты, а приливное трение раскалит поверхность разрушившихся пород. Резко затормозится скорость вращения планеты, что вызовет изменение ее фигуры и сопутствующие этому процессу землетрясения. Поверхность планеты претерпит катастрофические разрушения. В свете сказанного гипотеза об образовании Тихого океана путем отрыва Луны представляется просто наивной. При входе в зону Роша она была бы превращена в пыль, сквозь которую мы до сих пор не могли бы видеть солнечного света, не говоря уже о том, что в геологической истории Земли подобной катастрофы не запечатлено.

Луна, находясь в поле тяготения Земли (и обе планеты – в поле солнечного притяжения), оказывает воздействие на массу самой Земли. Вследствие больших размеров и массы Земли относительно ее спутника (rл/rз = 0,27; mл/mз =
1,2(10-2) различные точки Земли под влиянием поля тяготения Луны будут испытывать неодинаковые возмущения по отношению к центру массы. Величина этих возмущений зависит от положения тел. В зените (z = 0) или в надире (z
= 180() притяжение максимальное: 0,166 см/с2 для Луны и 0,061 см/с2 – для
Солнца; при положении тел в горизонте (z = 90() притяжение тел минимальное:
-0,083 см/с2 для Луны и -0,003 см/с2 для Солнца; нулевые значения достигаются при z = 54(44( и z = 125(16(. Величина статического прилива составляет для Луны от 35,6 до -17,8 см, для Солнца – от 16,4 до -8,2 см.
Следовательно, размах амплитуды лунных приливов равен 53,4 см, солнечных –
24,6 см; суммарное влияние составляет 78 см (Мельхиор, 1975). Полученные значения теоретической высоты статического прилива верны для жидкой модели
Земли. В абсолютно твердой земле никаких деформаций поверхности не происходило бы. Данные непосредственных наблюдений показывают, что высота реального прилива составляет 65 %, или около 51 см от теоретического. Иными словами, земной шар отличается от жидкой модели и от абсолютно твердого тела. Это хорошо согласуется с предыдущими выводами относительно вязкости и жесткости.

в сферической системе координат позволяет разложить его на три лапласовы составляющие, которые получили название зональных, секториальных и тессеральных волн .

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: сочинение татьяна, решебник по русскому класс.

Читайте также:

Гравитационное поле земли реферат

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

реферат.docx

2 - Б) Теория Эйнштейна  Картана

2 - Б) Теория Эйнштейна Картана