ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.09.2020
Просмотров: 4652
Скачиваний: 7
Глава 4 Геофизические поля и их воздействия на географическую
оболочку
Вокруг Земли существуют различные геофизические поля: магнитное, гравитационное,
электрическое, геотермическое и др., влияющие на процессы в географической оболочке.
4.1. Магнитное поле Земли
Земля – большой магнит, вокруг которого существует
магнитное поле.
Область околоземного
пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его
взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, называют
магнитосферой
(рис. 19). Она асимметрична по форме. Ее внешняя граница –
магнитопауза
(шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10–14 земных радиусов
(магнитосфера сжата под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900–1000
земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли
неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами
магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы.
Благодаря существованию магнитосферы магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении
магнитных силовых линий. Большой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка
компаса, называется
магнитным меридианом
данной точки. Магнитные меридианы не образуют на
земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых
магнитными
полюсами.
Они не совпадают с географическими полюсами и медленно изменяют свое
местоположение, «дрейфуя» со скоростью 7 – 8 км/год. Поэтому на географических картах их
изображают не точками, а кружками. Магнитный полюс северного полушария в 1985 г. находился в
Северном Ледовитом океане, среди островов Канадского Арктического архипелага (77°36' с. ш. и
102°48' з. д.); магнитный полюс южного полушария – в Индийском океане, близ побережья
Антарктиды, у Земли Виктории (65°06' ю. ш. и 139°00' в. д.). Магнитные полюса не являются
антиподальными точками. Первый из них смещается в направлении Северного полюса, второй – в
сторону Австралии. Ожидается, что приблизительно в 2185 г. магнитный и географический полюса в
северном полушарии окажутся в одной точке.
Рис. 19. Головная часть магнитосферы Земли (по М. М. Ермолаеву)
Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: магнитным
склонением, магнитным наклонением и напряженностью.
Магнитное склонение
–
угол между истинным направлением на север, т. е. географическим
меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает
восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнитной стрелки компаса к
востоку от географического меридиана склонение называется
восточным
и имеет знак «плюс»
(положительное), при отклонении к западу –
западным
и имеет знак «минус» (отрицательное).
Магнитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например,
магнитное склонение Москвы около +8° (рис. 20). Чтобы узнать направление географического
меридиана, надо от направления северного конца магнитной стрелки компаса отсчитать к западу
(против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса укажет направление на север.
Линии одинакового магнитного склонения называются
изогонами.
Их значение изменяется от 0° до
±180°. Нулевую изогону называют
агонической линией.
Она разделяет области восточного и
западного склонения, проходя через оба географических и оба магнитных полюса. На ней стрелки
компаса показывают на географические полюса, поскольку географический и магнитный меридианы
совпадают.
Магнитное наклонение
–
угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой,
свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном
полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до +90°. На
магнитных полюсах оно равно + 90° и –90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает
вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки направлен вниз (+90°), в
южном – красный (–90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии,
соединяющие точки с одинаковым магнитным наклонением, называют
изоклинами.
Нулевая
изоклина –
магнитный экватор
–
проходит примерно вдоль географического экватора: чуть южнее –
в западном полушарии, чуть севернее – в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных
полушария.
Сила
магнитного
поля
характеризуется
напряженностью.
Величина ее увеличивается от
магнитного экватора к полюсам. В северном полушарии
она больше, нежели в южном, а в целом запасы энергии
магнитосферы огромны. В некоторых районах Земли
напряженность реального магнитного поля из-за
неоднородности внутреннего строения Земли отличается
от нормального (теоретического) поля, т. е. такого, какое
было бы у Земли, если бы она была однородно
намагниченным шаром. Эти отклонения называют
магнитными аномалиями.
Крупные мировые аномалии
наблюдаются в Восточной Сибири, в районе Зондских
островов и т. д.; региональными являются Курская,
Криворожская и др., а локальных много.
Рис. 20. Магнитное склонение
Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхождения –
постоянного и переменного. Главная составляющая – постоянное поле (99% по величине). Его
образование обусловлено динамическими процессами в ядре Земли. Постоянное поле более или
менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания – суточные, годовые, вековые.
Переменное
поле
(1%
по величине) вызвано внешними причинами – воздействием солнечного ветра и
связанными с ним электрическими токами в магнитосфере и верхних слоях атмосферы. Они
вызывают, как правило, непериодические резкие возмущения всех элементов земного магнетизма, т.
е.
магнитные бури,
которые сопровождаются полярными сияниями, ухудшением радиосвязи на
коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Несмотря на некоторую
беспорядочность, магнитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.
Значение магнитосферы исключительно велико. Она выполняет изолирующую роль для
корпускулярной солнечной радиации, солнечный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa – главный
невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве солнечная плазма с
дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а затем в верхние слои
атмосферы – так называемую
ионосферу
до высот 80–100 км. Для всех просочившихся заряженных
частиц магнитосфера оказывается своеобразной ловушкой. Попав в нее, заряженные частицы
двигаются по замкнутым траекториям вдоль магнитных силовых линий, образуя
радиационные
пояса',
внутренний (протонный) с максимальной концентрацией частиц на высоте 3 – 4 тыс. км над
экватором и внешний (электронный) – на высоте около 22 тыс. км. Таким образом, магнитосфера –
наш «магнитный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы,
она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все живое от
гибели.
Экспериментально доказана зависимость функций растений (расположение семян, корней,
темпа их роста и урожайность) и животных (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых) от
ориентации их в магнитном поле. Это явление в органическом мире получило название
магнитотропизма.
Медико-биологические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых
приступов у людей, распространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве,
аварий на дорогах и т. д.) свидетельствуют о связи перечисленных явлении с изменениями
магнитного поля Земли.
Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных
электромагнитных полях, создаваемых промышленными установками, телецентрами, ЛЭП и т. д.
Механизм действия магнитных полей на биологические объекты – явление очень сложное, и
расшифровка его – дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы –
энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.
Магнитное поле Земли помогает ориентироваться в пространстве изыскательским партиям,
кораблям, подводным лодкам, самолетам, туристам. При использовании компаса для определения
сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях
сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают направление географического
меридиана. По некоторым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение
магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с
которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии
указывают на месторождения железорудных полезных ископаемых, поэтому для поисков их широко
применяют магнитометрические методы разведки.
Таково в общих чертах влияние геомагнитного поля на природные процессы Земли.
4.2. Гравитационное поле Земли
Гравитационное поле Земли –
это поле силы тяжести. Сила тяжести действует повсюду на
Земле и направлена по отвесу к поверхности геоида, уменьшаясь по величине от полюсов к экватору.
У Земли было бы
нормальное гравитационное поле
при условии наличия у нее фигуры
эллипсоида вращения и равномерного распределения в нем масс. Однако Земля таким телом не
является. Разницу между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического
(нормального) поля называют
аномалией силы тяжести.
Эти аномалии бывают вызваны как
различным вещественным составом и плотностью горных пород, так и видимыми неровностями
земной поверхности (рельефом). Однако далеко не всегда горы вызывают увеличение силы тяжести
(положительную аномалию), а океанические впадины – их недостаток (отрицательную аномалию).
Такое положение объясняется
изостазией
(от греч.
isostasios
–
равный по весу) – уравновешиванием
твердых и относительно легких верхних горизонтов Земли на более тяжелой верхней мантии,
находящейся в пластичном состоянии в слое
астеносферы.
По современным геофизическим
представлениям, в недрах Земли на определенной глубине (глубине компенсации) происходит
горизонтальное растекание подкоровых масс вещества из мест их избытка на поверхности (в виде
гор и т. д.) к периферии и выравнивание давления вышележащих слоев. Существование
астеносферных течений – необходимое условие изостатического равновесия земной коры.
При появлении или исчезновении ледниковой нагрузки в областях древних и современных
ледников тоже нарушается изостатическое равновесие. При нарастании массы льда покровных
ледников земная кора прогибается, при стаивании льда происходит ее поднятие. Такие вертикальные
движения земной коры называются
гляциоизостазией
(от лат.
glades
–
лед). Гляциоизостатические
опускания наиболее резко выражены под центральными частями современных ледниковых щитов –
Антарктиды и Гренландии, где ложе ледников местами прогнуто ниже уровня моря. Поднятия
особенно интенсивны в областях, недавно освободившихся от материковых льдов (например, в
Скандинавии, Канаде), где их суммарные значения за послеледниковое время достигают нескольких
десятков метров. Современные скорости поднятия по инструментальным измерениям местами
доходят до 1 м в столетие, например на шведском побережье Ботнического залива.
Значение силы тяжести исключительно велико. Она определяет истинную фигуру Земли –
геоид. Подкоровые течения в астеносфере вызывают тектонические деформации и движения
литосферных плит, создавая крупные формы рельефа Земли. Сила тяжести обусловливает
гравитационные рельефообразующие процессы: эрозию, оползни, осыпи, обвалы, селевые потоки,
движение ледников в горах и т. д. Сила тяжести определяет максимальную высоту гор на Земле. Она
удерживает атмосферу и гидросферу, ей подчиняется перемещение воздуха и водных масс. Сила
тяжести помогает людям и многим животным удерживать вертикальное положение.
Геотропизм
–
ростовые движения органов растений под влиянием силы земного тяготения – обусловливает
вертикальное направление стеблей и первичного корня. Недаром гравитационная биология,
возникшая в эпоху, когда человек начал обживать мир без тяжести – Космос, включает растения в
число своих экспериментальных объектов. Силу тяжести необходимо учитывать при рассмотрении
буквально всех процессов в географической оболочке. Без учета силы тяжести нельзя рассчитать
исходные данные для запусков ракет и космических кораблей, невозможна гравиметрическая
разведка рудных полезных ископаемых и нефтегазоносных структур.
РАЗДЕЛ II АТМОСФЕРА
Глава 5
Состав и строение атмосферы
Атмосфера и ее границы. Состав воздуха
Атмосфера (греч. atmos – пар и sphaira – шар) – воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой
тяжести и принимающая участие во вращении планеты. Нижней границей атмосферы является
земная поверхность, а верхняя граница размыта, так как с увеличением высоты воздух становится
все разреженнее. Косвенными доказательствами существования атмосферы на больших высотах
служат серебристые облака на уровне 70 – 80 км, метеоры, сгорающие из-за трения о воздух на
высоте 100–300 км, полярные сияния на высотах до 1000 км. С помощью искусственных спутников и
ракет установлено, что атмосфера простирается вплоть до 20 000 км, но близ верхней границы она
весьма разрежена и постепенно переходит в межпланетное пространство. Условно за верхнюю
границу атмосферы принимают высоту 1000 – 2000 км над поверхностью Земли, а более высокие
слои считают земной короной.
Атмосферный воздух – смесь газов. В нем во взвешенном состоянии находятся жидкие и твердые
частицы. По химическому составу в атмосфере различают два слоя: нижний – гомосферу
(однородный слой) – примерно до 100 км и верхний – гетеросферу (неоднородный слой) – выше 100
км. В сухом (т. е. полностью обезвоженном) чистом воздухе у земной поверхности содержится по
объему 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, а также есть диоксид углерода, озон и другие газы.
Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,96.
Процентное соотношение основных газов в гомосфере почти не меняется при перемешивании
воздуха как по горизонтали, так и по вертикали. В гетеросфере содержание легких газов возрастает, а
тяжелых уменьшается: нет аргона, озона, диоксида углерода. К тому же сначала молекулы кислорода,
а потом азота разлагаются на атомы. Выше 1000 км основными газами становятся атомарный
водород и гелий.
Каждый газ воздуха выполняет в географической оболочке определенные функции.
Свободный кислород, который химически очень активен, играет огромную роль в жизни, без него
невозможно дыхание, горение, окисление. Кислород атмосферы в основном биогенного
происхождения, так как образовался в процессе фотосинтеза растений и других автотрофных
организмов.
Азот химически весьма инертен и играет в атмосфере роль разбавителя кислорода, регулируя
темп окисления. Азот тоже в основном имеет биогенное происхождение. Значение азота для живых
организмов определяется тем, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, его соединения
обеспечивают минеральное питание растений.
Диоксида углерода (углекислого газа) в атмосфере немного (0,03%). Его содержание в приземных
слоях воздуха подвержено естественным колебаниям в течение года и суток. Диоксид углерода –
своеобразный утеплитель Земли, поскольку в основном пропускает коротковолновую солнечную
радиацию, но задерживает тепловое излучение земной поверхности, обусловливая так называемый
парниковый эффект. По оценкам ученых, с середины прошлого века глобальное содержание диоксида
углерода возросло на 12–15% за счет сжигания ископаемого органического топлива. Его увеличение
способствовало повышению температуры воздуха на Земле. Диоксид углерода служит основным
строительным материалом для создания органического вещества в процессе фотосинтеза.
Весьма важна роль озона (О
3
), хотя его в атмосфере немного. Толщина слоя озона при нормальном
давлении и температуре 0°С составила бы всего 3 мм. Количество его по абсолютному значению и в
процентном отношении возрастает с высотой и достигает максимума на высотах 15–20 км в
полярных широтах, 20 – 25 км в умеренных, 25–30 км в тропических и сходит на нет на высоте 70 км.
Слой повышенной концентрации озона на высотах в среднем 25 – 30 км называют нередко озоновым
экраном. Озон является своеобразным фильтром атмосферы, ибо он поглощает значительную долю
(97%) ультрафиолетовой радиации (с длинами волн 0,15–0,29), которая губительно действует на
живые организмы. Поглощая солнечную радиацию, озон повышает температуру воздуха в
стратосфере.
Исследования показывают, что толщина слоя озона испытывает пространственные и временные
колебания. Наибольшее колебание содержания озона в воздухе в течение года отмечается в полярных
широтах. Здесь его меньше зимой, в условиях полярной ночи, из-за отсутствия солнечной радиации,
под влиянием которой он образуется в результате фотодиссоциации молекул кислорода, больше – в