загрузка...
загрузка...
На головну

Механічні взаємодії в географічній оболонці

  1. II. Технологія індивідуального виховного взаємодії з дитиною
  2. III. Технологія педагогічної взаємодії з батьками школярів
  3. Interaction diagram (діаграма взаємодії)
  4. IV. Визначте, яке завдання взаємодії з практичним психологом поставив перед собою клієнт.
  5. А ось інший тип взаємодії мов. У російській мові жителів міст і Мови йдуть один одному назустріч
  6. АТ. Механічні характеристики АД при різних режимах роботи
  7. Аналіз взаємодії різних ринків на основі теорії загальної рівноваги

Механічні взаємодії в планетарних фізико-географічних процесах, що мають матеріальну основу, підпорядковані закону всесвітнього тяжіння, згідно з яким, дві будь-які матеріальні частинки з масами М1 и М2 притягуються по відношенню один до одного з силою Р, пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані R між ними:

де G - Коефіцієнт пропорційності (гравітаційна стала), рівний 6,6725 ? 10-11 Н ? м2/ кг2. Згідно з цим законом, сила тяжіння залежить тільки від положення частинок в даний момент часу, тобто гравітаційна взаємодія поширюється миттєво. Звідси - вираз для сили тяжіння:

Р = mg,

де g - Прискорення вільно падаючої точки, що дорівнює 9,7805 х т- маса матеріальної точки; ? - географічна широта; h - Висота точки над рівнем моря.

У світі макротел, якими є небесні тіла, закон всесвітнього тяжіння відіграє основну роль, визначаючи їх взаємодія і еволюцію. На Землі проявами цього закону є:

- Гравітаційне поле Землі (поле сили тяжіння);

- Гравітаційна диференціація земного речовини, що призводить до утворення геосфер, ізостатичним врівноважування літосфери, теплової конвекції в ядрі і мантії, океані та атмосфері;

- Руху земних мас і їх переміщення всередині планети і на її поверхні;

- Освіту припливів.

Гравітаційне поле Земліявляє собою поле сили тяжіння - рівнодіюча сили тяжіння і відцентрової сили обертання Землі (рис. 4.2). Так як сила тяжіння залежить від радіуса Землі, який найменший на полюсах, то вона найбільша на полюсах. Відцентрова сила, що залежить (при однаковій швидкості обертання) від радіуса орбіти, найбільша на екваторі. Результуюча цих сил зростає від екватора до полюсів відповідно від 978 до 983 галів. Сила тяжіння убуває від земної поверхні вгору і дещо зростає в глиб Землі в межах літосфери.

Гравітаційне поле - потенційне. Точки з однаковим потенціалом сили тяжіння утворюють ізопотенціальної (або Еквіпотенціальна) поверхні. На кожній такій поверхні неможливе довільне переміщення маси, так як горизонтальна складова сили тяжіння дорівнює нулю. Найбільш важливою ізопотенціальної поверхнею Землі є поверхню геоїда. Перетину ізопотенціальної поверхнями рельєфу утворює горизонталі (Ізогіпс суші або ізобати морського дна).

Мал. 4.2. Сила тяжіння о) - рівнодіюча сил тяжіння (PN) і відцентрової ?)

Рухи тіл, що мають масу, відбуваються в полі сили тяжіння відповідно до напрямку градієнта цього поля, тобто по нормалі до ізопотенціальної поверхонь. При наявності перешкод (наприклад, рельєф) рух відбувається таким чином, щоб потенційна енергія зменшувалася. Наприклад, за законом сполучених судин рівень води в сполучених резервуарах відповідає однією потенційною поверхні.

Значення поля сили тяжіння Землі відображаються ізогони (Лініями рівних значень сили тяжіння). На карті ізогал екватора відповідає улоговина, а полюсів - опуклості. Поряд з цією загальною тенденцією спостерігаються регіональні і локальні особливості, пов'язані з неоднорідністю Землі. Вони називаються гравітаційними аномаліями і спеціально вивчаються геофизикой.

Гравітаційна диференціація.За існуючими уявленнями, сила тяжіння була однією з головних при утворенні Землі з протопланетної хмари. Відповідно до різними гіпотезами, Земля виникла як гетерогенне тіло (ядро Землі утворилося на більш ранній стадії, мантія - на більш пізній) або як гомогенна маса. В останньому випадку вважається, що головним в історії планети з геофізичної точки зору є процес гравітаційної диференціації речовини - розшарування відповідно до щільності речовини в полі сили тяжіння. В результаті такого розшарування виникли геосфери, кожна з яких складена речовиною одного агрегатного стану і подібної щільності. Підрахунки показують, що кількості тепла, яке виділилося в процесі гравітаційного розшарування Землі на ядро ??і мантію, вистачило б для того, щоб розплавити спочатку тверда речовина нашої планети.

З гравітаційної диференціацією пов'язано безліч процесів, в тому числі вертикальні тектонічні рухи блоків літосфери. В атмосфері гравітаційна диференціація призводить до нестійкості повітряного стовпа внаслідок різних температур і вологості. У тропосфері повітря нагрівається від земної поверхні і відчуває імпульс руху, спрямований вгору ( «спливає»). Гравітаційна нестійкість атмосфери звичайна, тому в метеорології зменшення температури від земної поверхні вгору вважають нормою, тоді як збільшення температури називається інверсією. У гідросфері гравітаційна диференціація залежить як від температури, так і від солоності водних мас, що також призводить до їх переміщення і розміщення відповідно до щільності (процес підйому вод називається апвелінг, опускання - даунвеллінг).

Ізостазія.Процеси плотностной диференціації виявляють себе також у вигляді ізостатичного врівноваження літосфери. Це добре ілюструють моделі ізостатичного врівноваження тел, що плавають на водній поверхні (рис. 4.3). На рис. 4.3, б показані кубики різної щільності при їх однаковому розмірі, внаслідок чого вони занурюються в воду пропорційно відношенню власної щільності води. На рис. 4.3, а показані кубики однаковою щільності, але різних розмірів, тому кожен кубик занурений у воду на величину, рівну відношенню мас (як в попередньому випадку), помноженому на перетин кубика. Стрілками показані пари сил тяжкості і Архимедовой. Кожен кубик знаходиться в стані ізостатичного рівноваги відповідно до щільності речовини і товщиною (потужністю) тіла.

Зазвичай поняття ізостатичного рівноваги вживається по відношенню до літосфері, але ефект проявляється в будь-яких середовищах. Так, з принципової схеми (рис. 4.4) ізостатичного врівноваження блоків літосфери видно, що материкова кора спливає разом з частиною верхньої мантії, оскільки складена речовиною менш щільним, ніж океанічна, і має велику потужність. Океанічна кора занурюється щодо материкової з тих же причин, бо щільність її вище, а потужність менше. Завдяки ізостазії підтримується закономірне співвідношення висот суші і глибин океану, яке відображає гипсографическая крива.

Мал. 4.3. Моделі ізостазії (по Ф. Стейсі): а - Урівноваження на субстраті блоків по потужності літосфери; б - урівноваження на субстраті блоків по щільності речовини (цифри дані в одиницях умовної щільності)

Мал. 4.4. Ізостатичне рівновагу літосфери

Ізостатичне урівноваження літосфери є важливим системоутворюючим властивістю географічної оболонки. Воно визначає конфігурацію континентів і океанів, розподіл висот і глибин, а через них - надходження і перерозподіл тепла, циркуляцію водних і повітряних мас і інші закономірності просторової диференціації географічної оболонки.

Рухи земних мас.Взаємодії гравітаційних та інших сил всередині планети і вплив космічного оточення призводять до руху земних мас, що намагаються зайняти найбільш стійке положення в просторі. Безпосереднім вираженням цих зсувів є вулканічні процеси - Викиди в географічну оболонку глибинних мас речовини, сейсмічні явища - різкі зміщення внутріземних мас, супроводжувані зазвичай підземними поштовхами і розривами суцільності земної кори, тектонічні рухи - переміщення земних мас усередині планети або виявляються на земній поверхні (неотектонические). Всі вони активно впливають на функціонування географічної оболонки. Основна причина їх прояви полягає в необхідності врівноваження результатів взаємодій всередині Землі і на її поверхні. Рухи земних мас є важливою характеристикою планети, так як свідчать про активність її надр і здатності до розвитку і вдосконалення.

Припливи.Океанські припливи залежать головним чином від взаємодії Землі, Місяця і Сонця. Провідну роль при цьому відіграє прилегла Місяць, тяжіння якої в 2,17 рази перевершує сонячне. Весь приливоотливной цикл за тривалістю відповідає місячним діб (24 год 51 хв), які не збігаються з сонячними, за рахунок чого утворюються приливні нерівності. Однак насправді спостерігаються добові, півдобові і змішані припливи.

Місяць обертається навколо Землі по еліптичній орбіті із середнім радіусом 384 тис. Км. Система Земля-Місяць має загальний центр мас, розташований в тілі Землі на відстані 2/3 від її центру, так як маси взаємодіючих сил сильно розрізняються (земна в 81 разів більше, ніж місячна). Обидва небесних тіла переміщуються таким чином, що будь-яка точка одного з них описує однакову орбіту. У кожній такій точці виникає однакова відцентрова сила, яка не залежить від широти місця.

Крім відцентрової на кожну точку Землі діє спрямована до Місяця сила тяжіння, яка залежить від відстані до обурює маси (рис. 4.5). Якщо відстань від центру маси Місяця до центру маси Землі становить 60 земних радіусів (R), то до найближчої до Місяця точці Z (Вища точка) воно дорівнює лише 59R, а до найдальшої точки N (Надир) - 61R. Згідно із законом всесвітнього тяжіння, величина сили тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані між центрами мас. Отже, в точці Z сила тяжіння більше, ніж в точці О3, А в точці N - менше, ніж в будь-який з точок тіла Землі. Таким чином, в центрі маси Землі має місце рівність сил тяжіння і відцентрової, а в точках Z і N рівності немає: в точці Z сила тяжіння більше відцентрової, а в точці N - більше відцентрова сила. Це призводить до утворення приливних деформацій - опуклостей або стоячих хвиль.

Розрахунки показують, що в центрі маси Землі абсолютне значення сили тяжіння, обумовлене впливом Місяця, складає 3,38 мг на 1 кг маси, в точці Z сила тяжіння дорівнює вже 3,49 мг / кг, а в точці N - тільки 3,27 мг / кг. Підсумовуючи ці значення в кожній точці земної поверхні з векторними значеннями відцентрової сили, отримаємо рівнодіюча, яка спрямована в точці Z до Місяця, а в точці N від Місяця. Цю силу називають приливоутворюючої. Її величина в обох випадках становить 0,11 мг / кг маси, але протилежна за знаком. В інших точках, які не лежать на осі системи Земля - ??Місяць, сили виявляться Неспіввісність і утворюють паралелограми, в яких рівнодіюча спрямована по діагоналі паралелограма.

Мал. 4.5. Освіта приливоутворюючої сили під впливом Місяця в різних точках поверхні Землі (пояснення в тексті)

Рис 4.6. Припливи, що утворюються при взаємодії Землі з Місяцем (Л) і Сонцем (С): а - сізігійний; б-квадратура

Внаслідок обертання Землі приливні виступи утворюються в кожен наступний момент вже в нових місцях земної поверхні, тому за проміжок часу між двома послідовними верхніми і нижніми кульмінаціями Місяця приливні виступи обійдуть навколо Земної кулі і за цей час в кожному місці відбудуться два припливи і два відливи.

Аналогічна взаємодія відбувається між Землею і Сонцем (а також іншими небесними тілами), але воно незначне. Маса Сонця незрівнянно велика в порівнянні з масою Місяця і відстань від Землі до Сонця також значно більше, ніж до Місяця, тому величина сонячного припливу приблизно в 2,2 рази менше, ніж місячного. Так як взаємне положення Землі, Місяця і Сонця постійно змінюється, то змінюються і величини сонячних і місячних припливів. Сонячні припливи змінюють величину місячних припливів. Якщо приливні хвилі місячного і сонячного походження підсумовуються, а три світила розташовуються по одній прямій, то приплив називається сізігійний, якщо віднімаються, а Сонце і Місяць відносно Землі утворюють прямий кут - квадратурних (Рис. 4.6). Висота сізігійного припливу в океані приблизно в 1,5 рази вище місячного, а квадратурного вполовину менше.

Припливи впливають на всі оболонки Землі незалежно від середовища або стану речовини. Приливна сила однакова і на суші, і на морі. Однак здатність опору цій силі (в'язкість, пружність) і деформація різних середовищ неоднакові. Не тільки океан, але і поверхня літосфери, а також надра відчувають періодичні деформації за рахунок проходження приливних хвиль. На суші немає точки відліку, якою в океані є берегова лінія, тому літосферних прилив непомітний.

Прілівоотлівних руху мають для Землі важливе географічне слідство. У деформується припливом тілі Землі (у всіх середовищах - твердої, рідкої, газоподібної) відбувається внутрішнє тертя, що приводить до перетворення енергії добового обертання Землі в механічну, а потім до дисипації енергії добового обертання Землі. Добове обертання Землі з цієї причини сповільнюється на 1/40 000 з на рік, т. Е. Добу подовжуються на 1 з за 40 000 років, що в масштабах геологічного часу досить помітно. Уповільнення добового обертання Землі зменшує силу Коріоліса, впливає на фігуру еліпсоїда обертання (чим повільніше осьове обертання, тим менше полярна декомпозиція Землі і тим ближче її модель до форми сфери) і на становище геоїда. Згідно з розрахунками, уповільнення осьового обертання, що приводить до подовження доби на 0,5 години, має вивільнити енергію, достатню для утворення Альпійської гірської системи.

Прілівоотлівних явища (коливання рівня моря і приливні течії) як результат поширення приливних хвиль (очей спостерігача фіксує сумарний приплив, в дійсності він складається приблизно з 40 гармонік) призводять до періодичного затоплення і осушення берегової зони на кордоні континенту і океану. Вони грають важливу роль у формуванні специфічних природних ситуацій (підводних ландшафтів) на досить великих низинних узбережжях континентів. При виході до мілководдя прилив може істотно порушувати гідрологічний режим в естуаріях річок, що впадають в море або океан і навіть повертати їх вгору за течією. Таке явище отримало назву приливної бору. Природні умови в багатьох районах Світового океану в значній мірі визначаються приливоотливной мінливістю рівня і течій, які суттєво впливають на гідрологічний режим (особливо проток), структуру вод, інтенсивність і характер переносу вод.

Інтенсивність приливних процесів тісно пов'язана з конкретними астрономічними умовами, головним чином зі змінами фаз і відмін Місяця. Однак приливна хвиля не строго слід астрономічним чинникам. Швидкість її руху залежить від багатьох географічних чинників - глибини моря (чим воно глибше, тим менше опір тертя води об дно), конфігурації суші і морського басейну та ін. У відкритому океані висота припливу невелика, але в міру наближення до берега приливна хвиля збільшується.

Приливоутворюючої сила представляє приклад утворення складних причинно-наслідкових зв'язків в географічній оболонці і самоусіленія незначних вихідних змін. Здатність системи мимовільно посилювати зовнішній вплив властива нерівновагим системам, до яких відноситься географічна оболонка, і називається синергізмом.

Механічні рухи, пов'язані з обертанням Землі.Основу цих рухів становить одна з сил інерції - сила Коріоліса, обумовлена ??обертанням Землі навколо своєї осі. Вона дорівнює добутку маси точки т на її поворотний прискорення ак і спрямована протилежно цьому прискоренню:

де FK - сила Коріоліса; т - маса тіла, що рухається; vотн - відносна швидкість руху точки; ? - кутова швидкість обертання Землі; ? - географічна широта.

На Землі сила Коріоліса проявляється в тому, що вільно падаючі тіла відхиляються по вертикалі на схід, а тіла, що рухаються уздовж земної поверхні, відхиляються від напрямку їх руху в Північній півкулі вправо, а в Південному - вліво. Внаслідок повільного обертання Землі такі відхилення дуже малі і помітно позначаються або при дуже великих швидкостях руху, або коли рух триває дуже довго (наприклад, підмив відповідних берегів річок - праві береги річок Північної півкулі круті, ліві - пологі, а в Південному - навпаки).

Дії сили Коріоліса поширюються на багато явищ в географічної оболонці. В атмосфері під впливом сили обертання Землі вітри помірних широт обох півкуль приймають переважно західний напрямок, а в тропічних широтах - східне. В океані сила Коріоліса призводить до того, що частинки води рухаються петлеобразно, переважно перпендикулярно початкового імпульсу руху (нахилу рівня води). Однак морські течії не повторюють напрямки розганяють їх вітрів. Під дією сили Коріоліса вони зміщуються від напрямку пануючих вітрів під кутом 30 ° вправо або вліво в залежності від півкулі, що показав Ф. Нансен під час льодового дрейфу на кораблі «Фрам».

Відповідно до теорії дрейфу В. У. Екмана, в океані відбувається зміна напрямку руху вод з глибиною по спіралі: чим глибше, тим більше ухиляється протягом вправо (у Північній півкулі) по відношенню до напрямку викликав його вітру (рис. 4.7). Однак насправді потік з глибиною відхиляється силою Коріоліса від напрямку викликав його вітру на 45 ° в відповідну для кожного півкулі сторону і навіть повертає в протилежний вітрі напрямок. Внаслідок такого перенесення води пасатні вітри стають причиною зсуву потоку, спрямованого на північ і південь від екватора. Для компенсації відтоку тут відбувається підйом холодних глибинних вод. Ось чому температура поверхневої води на екваторі виявляється на 2-3 ° С нижче, ніж в тропіках.

Мал. 4.7. Перспективне уявлення дрейфового течії на різних глибинах в Північній півкулі (спіраль Екмана)



Попередня   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   Наступна

ВСТУП | ГЛАВА 1. РУБЕЖІ землезнавства | ГЛАВА 2. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ У землезнавства | ГЛАВА 3. ЗЕМЛЯ ВО ВСЕСВІТУ | Всесвіт | сонячна система | Взаємодія Землі і Космосу | Поняття про географічну оболонку як об'єкті землезнавства | Електричне поле Землі | Теплове поле Землі |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати