Студент университета Макгилла (Канада) Александр Клотц (Alexander Klotz) уточнил вычислил время падения тела до центра Земли в сквозном туннеле. Обычно в этой классической задаче плотность Земли принимают однородной, а Клотц взял реальную плотность, которая меняется от поверхности к ядру, и вместо обычных 42 минут получил 38 минут. Решение задачи студент опубликовал в журнале the American Journal of Physics, а ее популярное изложение приводит Science.
Представим себе туннель, прорытый сквозь Землю, через ее центр. Мы стоим на поверхности Земли у края туннеля и бросаем туда тело. Оно свободно падает вниз. Вопрос: сколько времени займет полет тела до центра Земли? Такую задачу обычно студенты решают на экзаменах. Решение требует знания законов Ньютона и колебательных уравнений. В процессе решения нужно вычислить, как изменяется сила гравитации (и ускорение свободного падения) для объекта, который падает через тоннель.
В самом простом случае Землю рассматривают как бильярдный шар, имеющий однородную плотность, примерно 5500 кг/м3.
этом случае по мере приближения тела к центру Земли изменяется и сила гравитации, которая на него действует. Это происходит потому, что количество массы Земли ниже и выше положения тела в туннеле различаются. Здесь используют теорему Ньютона об отсутствии гравитации внутри, получившую название от того, что в центре планеты гравитация будет нулевая. Пролетев центр Земли, тело падает дальше — к другой стороне туннеля, и, достигнув его противоположного конца, падает обратно. Так оно совершает колебания по туннелю, как маятник.
Александр Клотц сделал простую вещь — он взял реальную плотность планеты, которая, вообще говоря, не одинакова в разных ее частях и слоях. Земная кора и мантия — менее плотные, чем ядро. Реальное распределение массы он взял из Preliminary Reference Earth model, построенной на сейсмических данных. Эта модель дает у поверхности Земли плотность менее 1000 кг/м3 и примерно 13000 кг/м3 — в центре ядра. Расстояние от поверхности до центра Земли равно 6371 км. Приняв эти условия, Клотц вычислил, что тело будет падать по туннелю до центра Земли 38 минут 11 секунд. Для сравнения, время падения в задаче с Землей однородной плотности составляет 42 минуты 12 секунд.
Источник: scientificrussia.ru
Для понятия движений земной коры и вулканизма, образования минералов, пород и процессов, происходящих на поверхности Земли (выветривание, влияние климатических факторов, круговорот веществ в природе, образования почвы и др.), необходимо иметь представление о размерах, строении и физическом состоянии Земли.
Земля, третья от Солнца планета Солнечной системы, вращающаяся вокруг нее по эллиптической орбите (близкой к круговой) со средней скоростью 29,765 км/с, на среднем расстоянии 149,6 млн. км за период, равный 365,24 средних солнечных суток, имеет спутник — Луну, вращающуюся вокруг Земли на среднем расстоянии 384 000 км.
Измерения различными методами показали, что Земля имеет не совсем круглую форму — она немного сплюснута в направлении полюсов. Форма Земли — геоид, приближенно — трехосный эллипсоид, сфероид.
Экваториальный радиус Земли (расстояние от центра Земли до экватора) равняется 6378,160 км, а полярный радиус (расстояние от центра Земли до полюса) — 6356,777 км. За средний радиус Земли принимают 6371,032 км. Разница между этими радиусами составляет 21,383 км. Площадь поверхности Земли составляет 510,2 млн. км2, объем — 1,083-1012 км2, плотность — 5518 кг/см3, масса —5976-1021 кг.
Земля обладает магнитным и тесно связанными с ним электрическими полями. Гравитационное поле Земли обусловливает сферическую форму Земли, существование атмосферы.
В составе Земли преобладают железо (34,6 %), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура; давление в центре Земли составляет 3,6-10й Н/м2, плотность — около 12,5-103 кг/м3, температура — 4000—5000 °С. Основные типы земной коры — материковый и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного строения.
Большая часть поверхности Земли занята Мировым океаном (361,1 млн. км2, или 70,8%). Средняя глубина океана — около 3800 м, наибольшая — 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане), объем воды— 1370 млн. км3, средняя соленость — 35 г/л.
Суша составляет 149,1 млн. км2 (29,2 %) и образует 6 материков и острова. Она поднимается над уровнем Мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м — гора Джомолунгма (Эверест); горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают около 20 % поверхности суши, саванны и редколесья — около 20, леса — около 30, ледники — свыше 10%. Свыше 10 % суши занято сельскохозяйственными угодьями.
В течение длительного времени на Земле происходили процессы превращения и перемещения материи, в результате чего она расчленилась на ряд оболочек, или геосфер, последовательно сменяющих одна другую. Различают следующие геосферы Земли: атмосферу, гидросферу и литосферу, за которой находятся промежуточная оболочка и ядро. Помимо перечисленных сфер выделяют еще биосферу.
Геосферы Земли очень различаются между собой по химическому составу и физическим свойствам (температура, плотность, давление).
Атмосфера окружает Землю мощной газовой оболочкой высотой до 3 тыс. км, которую в зависимости от химического состава и плотности химических элементов разделяют на тропосферу, стратосферу, ионосферу.
Тропосфера размещена над поверхностью Земли на высоте 10—15 км. В состав воздуха тропосферы входят азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,03%), аргон, неон, ксенон и др. Тропосфера характеризуется тем, что давление воздуха в ней с увеличением высоты уменьшается, а температура понижается и на расстоянии 10—12 км от Земли достигает 55 °С. Воздух в тропосфере очень насыщен, здесь происходит наибольшее перемещение воздушных масс.
Стратосфера размещается на высоте 50—100 км. Она характеризуется разреженным воздухом.
Ионосфера расположена выше стратосферы. В ней очень разрежен воздух и под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца происходит образование ионов, которые рассеиваются в космосе.
Гидросфера — это моря, океаны, озера, реки, подземные воды, ледники и снежные покровы. Она занимает до 71 % поверхности Земли. В состав гидросферы входит свыше 40 химических элементов, среди которых 85,45% кислорода, 10,63 % водорода, 2,06% хлора, 1,14% натрия и 0,72% других элементов. Гидросфера наиболее активно действует на перераспределение химических соединений в природе.
Биосфера — это пространство, занятое живыми организмами (в воздухе — до высоты 10 км, в океанах — до глубины 11 км), населяющими литосферу, гидросферу и атмосферу. По В. И. Вернадскому, биосфера — это зона жизни.
На протяжении всех геологических периодов биосфера развивалась и изменялась. Живая субстанция биосферы содержит до 75 % воды, почти 25 % сухого вещества и в нем 2 % зольных (несжигаемых, или минеральных) веществ. В органической субстанции содержится 50 % углерода, ассимилированного с воздуха и воды.
Новый фактор, оказывающий мощное влияние на биосферу,— производственная деятельность человека, появившегося на Земле не менее 3 млн. лет назад.
Значительное влияние на биосферу оказывают климатические условия различных зон Земли. Максимальная температура поверхности суши в тропических пустынях Африки и Северной Африки— 57—58 °С, а минимальная в центральных районах Антарктиды — около 90 °С. Распределение по широте и высоте над уровнем моря солнечной энергии, поступающей на Землю, вызвало в пределах географической оболочки закономерную смену климата, растительности, почв, животного мира, в результате чего образовались физико-географические пояса, физико-географические зоны, высотная поясность.
Образование Земли и начальный этап ее развития относятся к догеологической истории. Абсолютный возраст наиболее древних пород составляет свыше 3,5 млрд. лет. Геологическая история Земли делится на два неравных этапа: докембрий, занимающий около 5/6 всего геологического летоисчисления (около 3 млрд. лет), и фанерозой, охватывающий последние 570 млн. лет.
Из геосфер наиболее интересным для почвоведения являются зона осадочных пород, биосфера, кора выветривания и значительная часть атмосферы (тропосфера) со средней толщиной 8— 18 км в зависимости от географической широты.
Тропосфера, биосфера и кора выветривания имеют прямое и побочное влияние на круговорот веществ в природе, на почвообразующие породы, почвы, которые покрывают значительную часть континентов Земли, на развитие растений, животных и деятельность человека.
Литосфера — внешняя сфера «твердой» Земли, включающая, земную кору и часть верхней мантии,— имеет толщину по Ферсману до 1200 км. Наиболее глубокая ее часть — передотитовая оболочка — состоит преимущественно из минералов оливина и роговой обманки. Удельная масса ее достигает 3,6—4, а температура — 1200—1500 °С. Из химических элементов в ней преобладает кислород, кремний, железо, магний, кальций, хром, алюминий, ванадий.
Промежуточная оболочка, или мантия, находится между литосферой и ядром и распространяется до глубины 2900 км. Эта оболочка подразделяется на две части — верхнюю, в составе которой преобладают кислород, кремний и, очевидно, магний, и нижнюю, в состав которой входят, главным образом, кислород, кремний, железо, магний и никель. Граница между этими двумя слоями проходит на глубине 900 км.
Ядро Земли располагается с глубины 2900 км от поверхности Земли и до ее центра. Мнения ученых относительно состава ядра расходятся. Одни считают, что ядро состоит, главным образом, из железа и никеля, другие — что состав ядра немного отличается от состава нижней мантии, но вещество там находится в сильно уплотненном, так называемом металлизированном состоянии.
- Теории происхождения земли
- Понятие о геологии и минералогии
- Борьба с эрозией почв
- Эрозия почв
Источник: mse-online.ru
Внутреннее строение Земли: Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных) , возникающих при сейсмических событиях — при естественных землетрясениях и в результате взрывов.
основании этих исследований Землю условно разделяют на три области: кору, мантию и ядро (в центре) . Внешний слой — кора — имеет среднюю толщину порядка 35 км. Основные типы земной коры — континентальный (материковый) и океанический; в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного типа. Толщина коры меняется в довольно широких пределах: океаническая кора (с учетом слоя воды) имеет толщину порядка 10 км, тогда как толщина материковой коры в десятки раз больше. Поверхностные отложения занимают слой толщиной около 2 км. Под ними находится гранитный слой (на континентах его толщина 20 км) , а ниже — примерно 14-километровый (и на континентах, и в океанах) базальтовый слой (нижняя кора) . Средние плотности составляют: 2,6 г/см3 — у поверхности Земли, 2,67 г/см3 — у гранита, 2,85 г/см3 — у базальта. На глубину примерно от 35 до 2885 км простирается мантия Земли, которую называют также силикатной оболочкой. Она отделяется от коры резкой границей (так называемая граница Мохоровича, или «Мохо») , глубже которой скорости как продольных, так и поперечных упругих сейсмических волн, а также механическая плотность скачкообразно возрастают. Плотности в мантии увеличиваются по мере возрастания глубины примерно от 3,3 до 9,7 г/см3.
коре и (частично) в мантии располагаются обширные литосферные плиты. Их вековые перемещения не только определяют дрейф континентов, заметно влияющий на облик Земли, но имеют отношение и к расположению сейсмических зон на планете. Еще одна обнаруженная сейсмическими методами граница (граница Гутенберга) —между мантией и внешним ядром — располагается на глубине 2775 км. На ней скорость продольных волн падает от 13,6 км/с (в мантии) до 8,1 км/с (в ядре) , а скорость поперечных волн уменьшается от 7,3 км/с до нуля. Последнее означает, что внешнее ядро является жидким. По современным представлениям внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). Наконец, на глубинах свыше 5120 км сейсмические методы обнаруживают наличие твердого внутреннего ядра, на долю которого приходится 1,7% массы Земли. Предположительно, это железо-никелевый сплав (80% Fe, 20% Ni).
Источник: touch.otvet.mail.ru
