Sila Zeme |
|
Čo by sa vlastne stalo so Zemou, keby sa zmenila na kvapalinu? Vediac z každodennej skúsenosti, že tuhé látky strácajú svoj tvar, keď sa topia, by sme mohli očakávať, že sa to stane aj so Zemou. Ale v skutočnosti sa to nestane. V tých objektoch, s ktorými máme do činenia v praktickom živote, je schopnosť udržiavať tvar spôsobená silami pôsobiacimi medzi blízkymi atómami. Ale také „Nadváha“ teleso, podobne ako Zem, začína hrať podstatnú úlohu aj gravitačná sila, pomocou ktorej celá hmota Zeme priťahuje každú zo svojich častíc. V zásade by to zabezpečilo zachovanie súčasného tvaru Zeme, aj keby sa naša planéta stala tekutým telesom. V dôsledku toho je potrebné pri výpočte deformácií Zeme a hodnotení jej sily ako celku (a nie jednotlivých vzoriek hornín) brať do úvahy jednak elastické vlastnosti zemskej hmoty, jednak vplyv gravitácie na ňu. Laboratóriá skúmajú mechanické vlastnosti hornín odobratých z vonkajšej vrstvy Zeme hrubej iba niekoľko kilometrov. Táto vrstva ovplyvňuje pevnosť Zeme ako celku o niečo viac ako tenká vrstva farby nanesenej na jej povrch ovplyvňuje pevnosť kovovej gule. Informácie o hlbších vrstvách Zeme nám poskytuje hlavne štúdium šírenia seizmických vĺn. Niet divu, že akademik B. B. Golitsyn označil zemetrasenie za lampión, ktorý nám na chvíľu blikaním umožní vidieť vnútro Zeme. Ale pri vývoji tohto porovnania musíme povedať, že svetlo takého lampióna sa tlmí v hĺbke 2 900 km od zemského povrchu. Dole je jadro Zeme, ktorým prechádzajú iba pozdĺžne seizmické vlny. Aby bolo možné odhadnúť pevnosť Zeme ako celku, je potrebné vziať do úvahy problém deformácií a napätí gravitačnej gule pozostávajúcej z nehomogénnej elastickej škrupiny a jadra. Ako hustotu a elastické vlastnosti plášťa s hĺbkou možno považovať za známe. Pokiaľ ide o jadro, je potrebné začať s hypotézami. Je teda prirodzené predpokladať, že jadro, možno s výnimkou jeho centrálnej časti, je v kvapalnom stave, pretože priečne seizmické vlny ním neprechádzajú. (Všimnite si, že s hypotézou tekutého jadra Zeme sa počítalo ešte pred vznikom seizmológie. Ale potom to bolo vyvrátené, pretože sa verilo, že zemská škrupina je hrubá iba niekoľko kilometrov alebo desiatok kilometrov, a taká škrupina s W. Thomson ukázal, že príliv v jadre by bol rozbitý.)
Na Zem neustále pôsobia slapové sily, ktoré sa tiahnu pozdĺž priamych línií spájajúcich stred Zeme s centrami Mesiaca a Slnka. Povrch Zeme sa ohýba pod zaťažením vzdušných hmôt v oblastiach s vysokým atmosférickým tlakom. Na všetky častice Zeme pôsobí odstredivá sila smerujúca kolmo na os rotácie Zeme.Je zrejmé, že smer tejto sily sa zmení, ak sa zmení poloha osi otáčania v telese Zeme. Skutočnosť, že sa to skutočne deje, sa zistila na konci minulého storočia. Je možné vypočítať veľkosti a smery vyššie uvedených síl. Ak potom vezmeme akýkoľvek model Zeme, potom teoreticky môžeme nájsť aj deformáciu Zeme, keď na ňu pôsobia tieto sily, napríklad vypočítať, ako sa budú meniť vzdialenosti rôznych bodov na zemskom povrchu od jej stredu. Vezmime si napríklad slapovú silu, ktorá, ako už bolo povedané, tiahne Zem pozdĺž priamky spájajúcej jej stred O so stredom L rušivého svietidla: Mesiac alebo Slnko. Pod jeho vplyvom by povrch Zeme, ak by to bola pravidelná guľa s polomerom R, mal formu rotačného elipsoidu s polohlavnou osou a smerovanou k L. Predpokladajme, že sa nám podarilo vypočítať, aký je rozdiel a - R sa rovná pre tento model. Potom môžeme nájsť zmenu dĺžky, polomer vektora p ktoréhokoľvek bodu na zemskom povrchu. Tieto zmeny sú malé. Pre žiadny z teoreticky uvažovaných modelov Zeme nedosahujú maximálne výkyvy dĺžky p pod kombinovaným vplyvom Mesiaca a Slnka jeden meter. Je zrejmé, že takéto zmeny nie je možné merať priamo. Prečo sme museli vymyslieť „beztiažový“ oceán? Áno, pretože príliv a odliv v skutočnom oceáne trochu komplikuje tento jav: vedie k zmenám v gravitačnom potenciáli samotnej Zeme. Podobný efekt majú aj elastické deformácie Zeme. Pomer zmeny gravitačného potenciálu Zeme k vonkajšiemu potenciálu, táto zmena, ktorá ju spôsobuje, je označený symbolom k. Parametre h a k sa nazývajú čísla lásky, podľa anglického geofyzika, ktorý ako prvý uviedol tieto parametre na charakterizáciu mechanických vlastností Zeme ako celku. Práve tieto parametre sa teoreticky počítajú pre rôzne modely Zeme; snažia sa ich určiť z analýzy pozorovaní rôznych javov. Čo sú to za fenomény? Uveďme najdôležitejšie z nich:
To je prípad absolútne pevnej Zeme. Ale ak vezmeme do úvahy, že Zem je deformovaná vplyvom rôznych síl, obraz sa ukáže byť komplikovanejší. Slapové sily deformujú Zem tak, že sa neustále neustále mení jej kompresia. To znamená, že v našom modeli sa zmení hmotnosť prstenca, čo sa zase prejaví slabými periodickými výkyvmi v uhlovej rýchlosti rotácie Zeme. Keď sa jeho kompresia zníži, rýchlosť sa zvýši a Zem začne rovnomerne predbiehať Toto je jedna strana problému. Ale deformácie Zeme ovplyvňujú jej rotáciu iným spôsobom. Aby sme presne vysvetlili, ako na to, urobme nasledujúci mentálny experiment. Predstavme si, že rotácia Zeme sa zastavila a odstredivá sila na ňu už nepôsobí. Navyše, ak by Zem bola absolútne pevným telesom, jej tvar by zostal rovnaký. Keby bola Zem tekutým telesom, získala by tvar bežnej gule. Rovníkový prebytok hmôt a s ním aj prstenec v našom modeli by potom úplne zmizol. Ale na skutočnej Zemi, keď sa jej rotácia zastaví, prichádzajú na rad vnútorné elastické sily. Budú proti gravitačným silám a vďaka tomu zostane Zem stále stlačeným sféroidom, hoci sa jej stlačenie zníži. To znamená, že sa zníži aj hmotnosť krúžku nášho modelu. Koľko? Toto je hlavná otázka, od ktorej riešenia závisí posúdenie tvrdosti Zeme. Poznamenali sme, že perióda voľnej výživy je kratšia, tým väčší je ekvatoriálny prebytok hmôt, to znamená hmotnosť krúžku. Pre absolútne pevnú Zem by sa toto obdobie rovnalo 305 dní. V skutočnosti, ako ukazuje analýza údajov o pohybe zemských pólov za posledných 70 rokov, je to v skutočnosti takmer 430 dní. To sa vysvetľovalo skutočnosťou, že obdobie voľnej výživy nemusí závisieť od celého ekvatoriálneho prebytku hmotností, ale iba od tej jej časti, ktorá by nezmizla, keby prestala pôsobiť odstredivá sila. Je preto ľahké vypočítať, že zastavenie rotácie zníži hmotnosť prstenca nášho modelu o 30%. (Presnejšie, tento krúžok je rozdelený na dva a jeden z nich, ktorý obsahuje asi tretinu celkovej hmotnosti, je vždy nainštalovaný v rovine kolmej na okamžitú os otáčania a neovplyvňuje pohyb tejto osi v Telo Zeme.) Vyššie uvedené číslo ukazuje, za akých podmienok by existovala rovnováha medzi gravitačnými silami usilujúcimi sa o premenu Zeme na guľu a elastickými silami usilujúcimi sa o zachovanie jej nezmeneného tvaru. V priebehu týchto prác boli spresnené niektoré závery teórie rotácie Zeme s kvapalným jadrom. Ukázalo sa teda, že vplyv kvapalného jadra by mal viesť k zmenám v amplitúdach niektorých kmitov zemskej osi v priestore (nútená nutácia). Prejavuje sa to aj tým, že k už známym zložkám pohybu zemských pólov sa pridá ešte jeden slabý kruhový pohyb s obdobím blízkym dňom. Nájsť tieto efekty je výzva, ktorá leží na hranici možností modernej astronómie. Ale stálo to za vyskúšanie. O takýto pokus sa pokúsili ukrajinskí astronómovia. Ukázalo sa to úspešne. Najmä N. A. Popovovi sa podarilo pri dlhodobých pozorovaniach dvoch zenitových hviezd v Poltave zistiť slabé výkyvy zemepisnej šírky s obdobím predpovedaným teóriou M. S. Modenského. Boli teda získané nové argumenty v prospech hypotézy o tekutom jadre Zeme. Teraz môžeme povedať, že Zem ako celok sa javí byť silnejšia ako dutá oceľová guľa s plášťom hrubým asi 3 tisíc km. Proti takémuto hodnoteniu však možno namietať. Všetky naše závery boli vyvodené zo štúdie veľmi slabých deformácií. Môžeme ich použiť, ak musíme vypočítať pôsobenie síl, ktoré spôsobujú oveľa výraznejšie deformácie a dokonca ohrozujú celistvosť našej planéty? Bez výrazných úprav je to zjavne nemožné.Existuje však hrozba vzniku tak mocných síl, že budú potrebné také výpočty? Nestane sa to povedzme preto, že sa výrazne naruší rotačný režim našej planéty? Prirodzené dôvody sú ťažké nájsť. Nebudú však ľudia v priebehu času schopní zmeniť rotáciu Zeme podľa vlastného uváženia? Nie je to prvýkrát, čo bola táto otázka položená.
Vec sa však neskončila ničím. Ukázalo sa, že pri svojich výpočtoch sa inžinieri Arktickej spoločnosti dopustili hrubej chyby: nezohľadnili skutočnosť, že Zem nie je lopta, ale má ďalšiu hmotu v rovníkovom páse. Berúc do úvahy túto hmotnosť jeden francúzsky inžinier urobil nové výpočty a ukázal, že pri pôsobení premietaného záberu by sa póly Zeme pohybovali na jej povrchu iba o 3 mikróny. Zvedavý, že tento príbeh, ako je uvedené v knihe „Rotácia Zeme“ Americkí geofyzici Munk a MacDonald, majú moderné pokračovanie. V. Počas prezidentských volieb v roku 1956 senátor Estes Kefauver, kandidát na post viceprezidenta, uviedol, že v dôsledku testov vodíkových bômb sa dá os Zeme vychýliť o 10 °. Presné výpočty však ukazujú niečo iné. Energia uvoľnená výbuchom vodíkovej bomby so stredným výkonom by stačila na to, aby projektil vážiaci milión ton dosiahol rýchlosť 11 kilometrov za sekundu. Avšak spätný ráz dela, ktorý by vystrelil taký výstrel, by posunul zemský pól iba o jeden mikrón. „A 70 rokov po Julesovi Vernovi,- všimnite si autorov, - členovia vlády Washingtonu stále odmietajú uznať existenciu a význam ekvatoriálneho prebytku más “... V dôsledku toho ani veľmi silné prostriedky, ktoré ľudia dnes majú, nie sú dostatočné na to, aby mali akýkoľvek znateľný vplyv na rotáciu Zeme. Naša planéta je teda dostatočne pevná a odolná na to, aby odolala silám pôsobiacim periodicky alebo na krátky čas: iba ju nenápadne deformujú. Účinok však môže byť odlišný, ak budú sily pôsobiť rovnakým smerom milióny rokov. Pravdepodobne vo vzťahu k takýmto silám sa Zem správa nie ako ideálne elastické, ale ako plastové teleso, ktoré mení svoj tvar, aj keď pomaly, ale výrazne. Tu sa dostávame k problémom vývoja Zeme a úlohe, ktorú v tomto zohrávajú vnútorné procesy. Vytvárajú napätia v zemskom tele, niekedy prekračujúce jeho konečnú silu. Je možné, že súčasne prílivové deformácie Zeme a dokonca aj mierne narušenia stálosti jej rotácie niekedy hrajú úlohu „spúšťača“, teda posledného šoku, ktorý spôsobí pretrhnutie a posunutie zemskej kôry a plášťa . Posledné menované javy zase môžu ovplyvniť rotáciu Zeme a geofyzici a astronómovia teraz aktívne hľadajú prejavy tohto vplyvu. E. Fedorov |
„Ach, ak sa aj toto, príliš ťažké telo roztopilo, rozpustilo, stala sa z neho rosa!“ Slávny anglický geofyzik Harold Jeffries vzal tieto Hamletove slová ako epigraf do jednej z kapitol jeho knihy „Zem“.
Pri testovaní hypotéz o vlastnostiach jadra je prirodzené obrátiť sa na skúsenosť. O akej skúsenosti však môžeme hovoriť, keď máme do činenia s telesom s veľkosťou Zeme? Na účely testovania pevnosti ľubovoľného produktu sa vzorka tohto produktu vloží do špeciálneho stroja, ktorý sa v ňom natiahne, skrúti alebo stlačí. V tomto prípade sa súčasne pôsobia sily i deformácie vzorky. Ale podľa nášho uváženia nemáme možnosť vyvinúť na Zem sily potrebné na to, aby sme čo i len trochu zmenili jej tvar. Musíme sa uspokojiť s tým, čo sama príroda dáva.
Ak je zemská os rotácie kolmá na rovinu prstenca, to znamená, že sa zhoduje s osou symetrie modelu, odstredivá sila nebude mať vplyv na rotáciu modelu - iba roztiahne prstenec. Len čo sa ale os otáčania odkloní od osi symetrie, pôsobenie odstredivej sily sa začne prejavovať ako pôsobenie dvojice síl, ktoré sa akoby usilujú o súlad spomínaných osí. Ukázalo sa však, že tento efekt je trochu neočakávaný: os otáčania nie je vyrovnaná s osou symetrie, ale začína sa okolo nej pohybovať a popisuje kužeľovitý povrch v tele Zeme. Tento pohyb sa nazýva voľná nutácia a jeho perióda je kratšia, tým väčšia je hmotnosť krúžku.
Jeho príbeh sa začína románom od Julesa Verna „Zdola nahor“... Rozpráva o projekte Arctic Industrial Company otočiť zemskú os pod uhlom 23 °, pričom na tento účel použije tlak, ktorý môže delo pri odpálení poskytnúť zemi vďaka spätnému rázu. Podľa výpočtov inžinierov spomínanej spoločnosti je na to potrebné z dela vystreliť škrupinu vážiacu 180-tisíc ton. Tento projekt vzbudil prvý záujem, potom úzkosť a nakoniec paniku, pretože jeho implementácia by mala veľa katastrofálnych následkov.
| Čo je to klietka? | Fyziologická dvojrozmernosť informácií: mechanizmy a dôsledky |
|---|
Nové recepty
