Физика Земли

1. Презентация лекций по курсу «Физика Земли»

Автор – профессор Н.Е. Фоменко

2.

Введение в предмет «Физики Земли». Иерархия объектов
в природе
Физика Земли – это наука, изучающая возникновение
Вселенной и планеты Земля, а также место последней в
космогонической иерархии. Важной частью предмета
является исследование физических полей во внутренних
структурах и внешних оболочках Земли. Исследуются
геофизические аномалии планетарного масштаба, источником
которых является мантия и ядро. Этим физика Земли
отличается от разведочной геофизики, где изучаются
региональные и локальные геофизические аномалии в земной
коре.

3.

Вопросы, изучаемые физикой Земли, давно привлекали внимание
исследователей:
На рубеже XV и XVI веков Леонардо да Винчи была предложена
гипотеза гидростатически равновесного состояния земной коры.
В XVII веке вопрос о фигуре Земли, как фигуре равновесия
вращающейся жидкой массы, был впервые рассмотрен Ньютоном..
В XVIII в. подходы к решению вопросов о развитии Земли наметил
М.В.Ломоносов.
В начале XIX в. Эли де Бомон, исходя из космогонической
гипотезы Канта-Лапласа, выдвинул гипотезу о постепенном
остывании и сжатии Земли.
В конце XIX - начале XX веков проведены исследования Клеро и
русского математика А.М. Ляпунова
В XX веке В.Г. Хлопин изучил влияние радиоактивного тепла на
термический режим Земли, а математическая сторона вопроса
проработана А.Н. Тихоновым. Глубокие соображения по этому
вопросу были высказаны В.И. Вернадским.

4.

Дисциплинами
преимущественно
геофизической
направленности являются:
– гравиметрия – исследование силы тяжести;
– геомагнетизм – исследование магнитного поля;
– геоэлектрика – исследование электрического поля;
– сейсмология – исследование сейсмического поля;
– радиометрия – исследование радиационных полей;
– геотермика – исследование теплового поля.
Основную картину внутреннего строения Земли дают
гравиметрия и сейсмология. Другие разделы выступают в роли
дополнительных и уточняющих в вопросах состава и строения
недр и процессов, происходящих в них.

5.

Физика Земли тесно связана с геологией, для которой она
должна дать совместно с геохимией физико-химическую основу
для выработки правильной концепции геологического развития
Земли.
Следует отметить тесную связь физики Земли и с
космогонией, от которой она берет данные об исходном
состоянии Земли. Но и само познание закономерностей строения
и развития
Земли помогает успешному решению
космогонических проблем.
В настоящее время физика Земли подошла к той стадии
развития, на которой встает вопрос о крупных обобщениях в
свете новых данных о современных представлениях геологии и
физики о пространстве, времени и развитии материи.

6.

В «Физике Земли» различают следующую иерархию объектов:
элементарные частицы – ядра – атомы – молекулы – макротела
(кристаллы, жидкости, газы, плазма) – планеты – звезды –
галактики – Вселенная.
Мир элементарных частиц – это электроны, протоны, нейтроны и
др. Согласно современным представлениям вещество состоит из
кварков и лептонов. Они исследуются в физике элементарных частиц
с помощью Большого адронного коллайдера (ускорителя), который
позволяет исследовать терадиапазон энергий (до 1 ТэВ = 1012 эВ) и,
как следствие, исследовать свойства пространства вплоть до
нанонанометра (= 10-18 м)

7.

Ядра - связанные системы протонов и нейтронов. «Радиусы
ядер» изменяются от 2 10-15 м (ядро гелия) до 7 10-15 м (ядро
урана). Ядро имеет «форму» вытянутого или сплюснутого
эллипсоида (или еще более сложную).
Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный
электрический заряд и окружены роем отрицательно
заряженных электронов. Такое электрически нейтральное
образование называют атомом.
Атом есть наименьшая структурная единица химических
элементов. Связь атомов возможна, если совместный «верхний
этаж» целиком заполнен электронами. Такое образование
называют молекулой.
Молекула есть наименьшая структурная единица сложного
химического соединения. Число возможных комбинаций
атомов, определяющих число химических соединений,
составляет около 106.

8.

Макротела - собирание при определенных условиях
однотипных атомов или молекул в огромные совокупности –
вещество. Простое вещество является атомарным, сложное –
молекулярным.
При достаточно низких температурах все тела являются
кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов
тела является правильным.
Тела могут сильно отличаться в отношении механических,
тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.
При значительном повышении температуры происходит
фазовый переход кристалл – жидкость (плавление). В жидком
состоянии атомы уже не являются строго локализованными, т. е.
связанными с какими-то определенными положениями в теле.
Тепловое движение в жидкости носит довольно сложный
характер.

9.

Планеты макротела астрономического масштаба.
Вещество планет не отличается от земных условий и в его
составе не обнаружено никаких новых химических элементов
по сравнения с элементами на земле.
Внутреннее строение планет изучать особенно сложно.
Даже о своем «собственном доме» – планете Земля – человек
знает недостаточно. По оценкам, при среднем радиусе Земли
RЗ = 6374 км, массе МЗ = 5,977·1027 г, средней плотности =
5,517 103 кг/м3, внутреннее давление в центральных областях
земного шара имеет порядок 107 атм (1012 Па).
Одной из планет-гигантов солнечной системы является
Юпитер, масса которого составляет МЮ = 318·МЗ. Он почти в
10 раз превосходит Землю по размерам и находится, повидимому, в жидком состоянии. Его вещество богато
водородом, и наверняка центральные области планеты состоят
из металлического водорода.

10.

Экзопланеты - планеты, расположенные вблизи другой звезды. Их
обнаружили астрономы в 1995 году с помощью сверхточного
спектрометра. За последние десятилетие обследовали около 3000
звезд и возле 155 из них нашли планеты. Всего сейчас известно
более 200 экзопланет. Близ некоторых звезд найдено по две, три и
даже четыре планеты. Каждый год астрономы открывают около
20
экзопланет.
Большинство
(около
90%)
обнаруженных
экзопланет являются гигантскими газовыми шарами, подобными
Юпитеру, с типичной массой около 100 масс Земли.

11.

Звезды – это массивные газовый шары, излучающие свет,
находящиеся в состоянии равновесия между силами
собственной гравитации и внутренним давлением. Источником
энергии звёзд являются реакции термоядерного синтеза,
происходящих в их недрах. Солнце – ближайшая к Земле
звезда.
Центральные области Солнца, при его радиусе RC = 7·108 м,
массе около МС 3·1033 г, характеризуются температурой
порядка 107К и давлением около 1011 атм. В этих условиях
вещество является полностью ионизованной плазмой: голые
ядра и свободные электроны. При этом становятся
возможными термоядерные реакции, окончательным итогом
которых является слияние ядер водорода и превращение их в
ядра гелия. Эта ядерная реакция служит источником энергии
звезд.

12.

Галактики – это гравитационно связанные системы,
состоящие из звёзд, а также звёздных скоплений, газа
(межзвёздного), пыли, планет. С недавних пор к ним добавилась
тёмная материя. Особенностью является то, что все объекты
галактики движутся относительно общего центра масс. Все
галактики (кроме нашей, разумеется) - это очень далеко
расположенные астрономические объекты. Для наблюдения
невооружённым глазом доступны только четыре галактики:
Андромеды, Большое и Малое Магелланово Облако, а также
галактика М33, которая находится в созвездии Треугольника.
Вселенная. У данного термина нет строгого определения.
Тем не менее, можно сказать, что Вселенная есть всё,
окружающее нас, сущее. В рамках же нашей иерархии следует
отметить, что видимая часть Вселенной содержит около 1011
галактик, а общее количество протонов и нейтронов – 1080.

13.

Астрономические данные показывают, что галактики во
Вселенной стремительно «разбегаются» друг от друга.
Расширение Вселенной позволяет предположить, что когдато в прошлом она занимала весьма малый объем. Это, в свою
очередь, означает, что «дозвездное вещество» было
сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка
1013К). При таких температурах вещество может состоять в
основном из излучения – фотонов и нейтрино.

14.

Четыре вида фундаментальных взаимодействий
В природе существуют качественно различные системы объектов.
Так, ядра есть связанные системы протонов и нейтронов; атомы –
связанные ядра и электроны; макротела – совокупность атомов или
молекул; солнечная система – «связка» планет и массивной звезды.
Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно
существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы
«разрушить» систему частично или полностью, нужно затратить
энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией
взаимодействия, или просто взаимодействием.
В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия
каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу
основных фундаментальных взаимодействий: гравитационному,,
электромагнитному, сильному и слабому.

15.

Гравитационные взаимодействия - действие сил тяготения,
которыми обусловлено существование солнечной системы и
звездных систем (галактик).
Электромагнитные взаимодействия
взаимодействия,
обусловловливающие связи в атомах, молекулах и обычных
макротелах.
Сильные (ядерные) взаимодействия - взаимодействия,
которые гораздо интенсивнее электромагнитных, обусловленных
наличием
в ядрах одинаковых заряженных протонов и
нейтральных частиц, ибо иначе ядро не могло бы образоваться.
Эти взаимодействия проявляются лишь в пределах ядра.
Слабые взаимодействия
взаимодействия, которые
возникают под влиянием «внутренних причин»: нестабильные
свободные частицы за те или иные характерные времена
(медленные распады с характерным временем 10-10 – 10-6 с)
превращаются в другие частицы (распадаются).

16.

Поля и вещество. Вся совокупность элементарных частиц с их
взаимодействиями проявляет себя макроскопически в форме вещества
и поля.
Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами.
Например, физическая реальность электромагнитного поля видна хотя
бы из того, что существуют радиоволны.. Взаимодействие зарядов
происходит по схеме: частица – поле – частица. В некоторых условиях
поле может «оторваться» от своих источников и свободно
распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой характер.
Пространственная и временная шкалы в природе. Пространство
и время являются той своеобразной «ареной», на которой
разыгрываются события. Например, связанные системы протонов и
нейтронов (ядра) характеризуются пространственной областью
порядка 10-15 м. Для электронов в атоме характерна
пространственная область движения с размерами порядка 10-10
м.

17.

Вселенная, Галактика, Солнечная система, планеты.
Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149,6 106 км = 1 а.е.
(астрономическая единица), а средняя скорость ее движения по орбите 29,8 км/с.
Солнце с его планетной системой находится во внешней части
Галактики, видимой нами как Млечный путь.
Солнце удалено от центра Галактики на 27 тыс. световых лет (1
световой год = 1013 км) и вращается вокруг него со скоростью 230 – 250
км/с.
Полный оборот – 1 галактический год, продолжается около 220 млн
лет (рис. 1). Наша Галактика образует только малую часть Вселенной.
Существует множество других галактикна расстояния до 13,7 млрд
световых лет. Дошедший до нас свет от самых удаленных галактик
начал свой путь раньше, чем начала образовываться солнечная система!

18.

Положение Солнца (кружок с точкой) в нашей Галактике
Мелкие точки – звезды,
крупные – звездные
скопления.

19.

Все планеты Солнечной системы движутся по практически
круговым орбитам. Плоскости этих орбит почти совпадают.
Планеты перемещаются вокруг Солнца в одном и том же с ним
направлении

20.

Звезды, подобные Солнцу, формируются в Галактике из
газопылевых межзвездных облаков. Межзвездное вещество
состоит, в основном, из водорода и частично из гелия и более
тяжелых элементов, синтезированных в ходе ядерных
процессов внутри звезд.
Сжатие под действием сил взаимного притяжения сначала
создает скопление протозвезд, которые позднее сами
уплотняются
и
становятся
молодыми
звездами.
Освобождающаяся при этом гравитационная энергия нагревает
звезду, и звезда начинает излучать и светиться.
В конечном счете, внутренняя температура становится
достаточно высокой для начала термоядерных реакций, звезда
перестает сжиматься и занимает свое место на «главной
последовательности».

21.

В истории планетной космогонии наметились два типа
гипотез – небулярные (лат. nebula – туман, облако) и
катастрофические.
Под небулярной гипотезой понимается, что все планеты
образовались в результате концентрации первичного
газопылевого облака, окружавшего Солнце. Процесс был
длительный, а решающую роль в этом играло гравитационное
поле Солнца
Согласно второй гипотезе, возникновение планет
Солнечной системы стало следствием космических катастроф,
таких как: взрывы звезд и столкновение космических объектов.
В этих гипотезах предполагается существование Солнца уже на
начальных этапах развития Вселенной.

22.

Большая часть спутников движется по орбитам в экваториальных
плоскостях своих планет и в направлении вращения планет. Правда,
известны исключения, происхождение которых можно объяснить либо
захватом, либо приливным трением. Средние расстояния планет от
Солнца приблизительно подчиняются модифицированному закону
Тициуса – Боде (рисунок на след. слайде):
Rn = R0mn ,
где R0 – примерно равен половине радиуса орбиты Меркурия,
Rn - радиус n-ой (считая от Солнца) планеты,
m = 1,89.
Считается, что установленная зависимость может определяться
процессами самоорганизации, протекающими (протекавшими) в
солнечной системе.

23.

Графики зависимости порядкового номера планеты
(в сторону от Солнца) от величины радиуса ее орбиты

24.

Схема взаимного расположения окружающих Солнце
планетной системы (планеты земной группы, Юпитер,
Сатурн, Уран, Нептун)
Видно особое положение Плутона, периодически вторгающегося в
планетную систему из кометного облака Орта

25.

Стадии, через которые, возможно, прошла
солнечная система
Вращающееся Солнце сжималось, и поэтому его угловая скорость
постепенно увеличивалась и вращающийся газопылевой диск
вытягивался в экваториальной плоскости.
По мере охлаждения околосолнечное облако конденсировалось в
пылинки и более крупные частицы, двигавшиеся по эллиптическим
орбитам вокруг Солнца в его поле тяготения.
Частицы с близкими орбитами сталкивались и слипались,
постепенно вырастая до размеров достаточно крупных тел.
Когда тела достигли размеров 1 км и больше, процесс
столкновений и слипания усилился за счет тяготения.
В конечном счете, образовались тела с размерами планет, их
спутников и астероидов.

26.

Процесс образования солнечной системы в основном
закончился около 4500 млн лет назад, и с тех пор общая
структура системы не претерпела существенных изменений.
Астрономическими исследованиями выяснилось, что в
большинстве своём экзопланетные системы совершенно не
похожи на нашу Солнечную систему. В них планеты-гиганты
типа Юпитера оккупируют «зону жизни», представляющую
собой область вокруг звезды, где температурные условия на
планете позволяют существовать жидкой воде – главному
условию развития жизни земного типа.
Но на самих газовых гигантах-«юпитерах» жизнь развиться
не может (у них даже нет твердой поверхности), а маленькие
планеты земного типа эти гиганты из «зоны жизни»
выталкивают.

27.

Модель холодной Земли
По гипотезе О.Ю.Шмидта Земля образовывалась путем «склеивания»
холодных частиц (планетезималей) в течение 100 млн лет, иначе
тепло, выделяемое при этом процессе, не будет успевать отводиться за
счет радиационного охлаждения.
Модель включает два сценария образования Земли:
1) сначала образовалось железное ядро, а затем на него стали «падать»
силикаты, формируя мантию;
2) Земля была «склеена» из силикатов и железа, потом произошла
дифференциация, и выделилось жидкое ядро, центральная часть
которого кристаллизовалась (?).
В каждом из сценариев, внешнее ядро Земли железное,
расплавленное. Оно захватывает (вмораживает) силовую линию
магнитного поля из окружающего Землю космоса и за счет эффекта
гидромагнитного динамо происходит усиление и преобразование этого
«затравочного» поля в геомагнитное. Тепловой поток, по модели,
обязан наличию радиоактивных элементов и т.п.

28.

Модель горячей Земли
Солнце, планеты и их спутники образовались в едином, порядка
1 млн лет самоорганизующемся процессе самогравитации,
случившемся 4.5 млрд лет назад. Процесс во времени и
пространстве можно условно разделить на две составляющие:
1) формирование в протосолнечном «облаке» сгустков вещества,
из которого впоследствии сформировались планеты;
2) бифуркации (раздвоения), произошедшей в области пояса
Астероидов, когда Солнце ещё полностью не сформировалось и
его радиус был в 7 раз больше современного. Особенности
внутреннего строения и эволюция планет и спутников
определялись одним параметром – величиной их массы М.
Температура Т вещества планеты в момент их образования была
пропорциональна: Т M2/3. ,,

29.

Общие сведения о Земле
Исаак Ньютон путём применения
закона всемирного тяготения для условий
вращения Земли установил, что для
принятого в качестве модели эллипсоида
вращения будет применима формула:
a′ = (a – b)/a,
где a – экваториальный радиус Земли,
b – полярный радиус Земли,
a′ – полярное сжатие Земли, равное
1/298,25.
Ньютон сделал вывод, что планета
Земля
сплющена
у
полюсов
и,
одновременно,
растянута
в
районе
экватора.

30.

В идеале форма Земли не может быть с
приемлемой
точностью
аппроксимирована
3-х-осным
эллипсоидом, так как уровенная
поверхность испытывает на себе
местные возмущения, а также влияние
рельефа конкретной местности.
Истинная
же
форма
уровенной
поверхности планеты Земля носит
называние геоид и она совпадает с
поверхностью невозмущённой воды
океанов,
которую
мысленно
трансформируют
на
сушу.
Трансформацию представляют в виде
воображаемых каналов, дно которых
находится ниже поверхности океана.

31.

Различие между радиусами Земли (экваториальным и полярным)
незначительно, и составляет около 25,5 км. На фоне этого средняя
высота материков (около 1 км) и средняя глубина океанов (около 4 км)
представляют собой величины второго порядка малости.
Можно сделать вывод, что планета Земля пребывает в
гидростатическом равновесии и состоит из концентрических слоёв с
одинаковой плотностью внутри.
Геологический этап развития планеты Земля имеет возраст
порядка 3,9 миллиардов лет. За это время имело место активное
воздействие со стороны Солнца а также природных вод и разного
рода живых организмов.
Все эти факторы дали толчок к началу геологических процессов,
и, они же, стали основной причиной наращивания и усложнения
земной коры, а также накопления осадков.
Образовавшиеся потом осадочные и магматические породы
преобразовывались в метаморфические.

32.

Внутреннее строение Земли обобщённо можно представить
последовательной схемой трёх геосфер:
1) земная кора h = 5-75 км.;
2) 2) мантия h ≈ 3000 км.;
3) 3) ядро h ≈ 3300 км.

33.

Принятая на сегодняшний день модель внутреннего
строения планеты Земля не что иное, как сейсмическая
модель, поскольку прогрессивным методом изучения
внутреннего строения Земли является сейсмометрия.
Изучаются волны объёмные (продольные - Vp и
поперечные - Vs), а также поверхностные (Релея –
вертикально-поляризуемые колебания и Лява –
горизонтально-поляризуемые колебания).
Наибольшим признанием имитации внутреннего
строения Земли пользуется модель ДжефрисаГуттенберга.
Модель базируется на изменении скоростей
распространения как продольных, так и поперечных
сейсмических волн вдоль радиуса планеты Земля

34.

Классическая модель внутреннего строения Земли

35.

Скорости сейсмических волн: продольных (Vp)
и поперечных (Vs); а) в разрезе; б) в плане

36.

Из полученных в ходе
исследований данных, была
принята следующая схема
расслоения Земли:
до 70 км – литосфера,
70 – 2900 км – мантия,
2900 - 6371 км – ядро Земли.
Посредством детализации
выделены характерные области,
обозначенные заглавными
буквами латинского алфавита:
A, B, C, D, D’, E, F, G

37.

Земная кора – твёрдая оболочка, которая по составу на
материках и океанах разделяется на материковую и
океаническую. В первой три слоя: осадочный, гранитный,
базальтовый. Во второй два слоя: осадочный и базальтовый.

38.

Учение о физических явлениях на Земле
К оболочкам Земли относятся:
Литосфера, представленная твердыми геологическими
образованиями (магматические, метаморфические и
осадочные породы);
Гидросфера – воды океанов, морей, рек, озер и других
поверхностных источников и подземные воды;
Атмосфера – воздушная оболочка.
Существуют геофизические методы исследований,
предназначенные для наблюдений в атмосфере, на
земной поверхности, в скважинах и шахтах, на
поверхности и в глубине водоёмов.

39.

Физика Земли изучает твёрдую оболочку в целом, её
внутреннее строение и развитие.
Разведочная геофизика имеет своей основной целью
поиски и разведку полезных ископаемых и решение
инженерно-геологических,
археологических,
экологических и др. задач.
Гидросфера и атмосфера изучаются в основном
методами общей геофизики.

40. Связь геофизики с другими науками

41. Связь общей геофизики с науками изучающими гидросферу и атмосферу

42. Физические поля изучаемые в геофизике:

гравитационное поле;
магнитное поле;
электроволновое (электромагнитное) поле;
сейсмоволновое (поле упругих колебаний
или сейсмоакустическое);
тепловое поле;
радиационное поле.

43.

Физическое поле – это материальная среда, где
взаимодействие элементарных частиц, обусловлено тем
или иным физическим явлением или их совокупностью.
Например,
радиоактивный
распад,
приводящий
к
существованию радиационного и частично теплового
полей,
или
магнитных
взаимодействие
тел,
приводящих
гравитационных
к
гравитационных и магнитных полей.
и
возникновению

44.

Основная особенность физических полей – это их
деформация
под
действием
тех
или
иных
материальных объектов, в частности геологических
тел.
Физические поля применительно к геофизике
называют
геофизическими
полями.
Они
характеризуются
параметрами
(физическими
величинами).
Последние
определяются
инструментально, т. е. с помощью приборов.
Этих параметров в основном два: потенциал (U) и
напряжённость (E).

45.

Потенциал поля – выражается в его концентрации
в той или иной точке изучаемой среды, т. е. это
энергия, обусловленная работой по перенесению
точечного источника из бесконечности, где поле равно
0 в заданную точку среды.
Напряжённость поля – первая производная его
потенциала, т. е. градиент нарастания или наоборот
разрежения физического явления.
E = - grad U ,
где Е – напряжённость, а U – потенциал
геофизического поля.

46.

Материальные объекты, взаимодействие которых
приводит к существованию геофизических полей,
характеризуются
физическими
физическими
свойствами).
показателями
Это
(или
плотность,
электропроводность, магнитная восприимчивость и др.
Физические свойства выражаются в их способности
создавать геофизические поля.

47.

Плотность
(δ)
-
показатель,
характеризующий
соотношение массы и занимаемой ею объема. Единица
измерения
г/см3
или
кг/м3.
Используется
в
гравиметрии.
Магнитная восприимчивость (κ) – показатель,
характеризующий способность природных объектов
намагничиваться под действием магнитного поля.
Единица измерения 10-5 ед. СИ. Используется в
магнитометрии.

48.

Удельная электропроводность (σэ) – показатель,
характеризующий способность природных объектов
проводить электрический ток. Единица измерения
Сим/м. Используется в электрометрии.
Скорость распространения упругих волн
(V) –
показатель, характеризующий способность природных
объектов
передавать
упругие
деформации
под
действием механических воздействий (напряжений).
Единица
измерения
сейсмометрии.
м/сек.
Используется
в

49.

Естественная радиоактивность (Jγ) – показатель,
характеризующий способность природных объектов
излучать α, β и γ-частицы, приводящие к
радиоактивному распаду. Единица измерения Беккерель
(Бк) – 1 распад в сек. Используется в радиометрии.
Теплопроводность(λ) - показатель, характеризующий
способность природных объектов проводить тепло, т. е.
направленный процесс распространения теплоты от
более нагретых к менее нагретым объектам и
приводящий к выравниванию температуры среды.
Единица измерения Вт/м*К. Используется в геотермии.

50.

По происхождению геофизические поля разделяются на
естественные и искусственные. Естественные поля
существуют, не зависимо от человеческой деятельности, а
искусственные
возбуждаются
по
заданию
экспериментатора.
В общей геофизике в основном изучаются естественные
поля. В разведочной геофизике, относящейся к
геологической разведке, а также инженерной геофизике,
геофизике ландшафта, экологической геофизике наряду с
естественными в большей мере изучаются искусственные
(наведенные) поля.
Методы общей и разведочной геофизики основаны на
единых геофизических полях, но разнятся вследствие
разных задач и предмета исследований.

51. Науки геофизического цикла (разделы) общей и разведочной геофизики в зависимости от используемых геофизических полей

Геофизическое
поле
Раздел общей геофизики
Раздел разведочной
(прикладной) геофизики
1. Гравитационное
Гравиметрия
Гравиразведка
2. Магнитное
Магнитометрия
Магниторазведка
3. Электроволновое
Электрометрия
Электроразведка
4. Сейсмоволновое
Сейсмометрия
Сейсморазведка
5. Тепловое
Теплометрия
Термическая разведка
6. Радиационное
Радиометрия
Ядерная разведка

52.

К настоящему времени наиболее прогрессивным
методом
изучения
внутреннего
строения
Земли
является сейсмометрия. Основа метода – изучение
распространения через недра Земли сейсмических
волн специальными приборами – сейсмографами.
Изучаются
поперечные
волны
-
V s)
объёмные (продольные
и
поверхностные
вертикально-поляризуемые
колебания
горизонтально-поляризуемые колебания).
и
-
V p,
(Релея
–
Лява
–

53.

Vp- волны сжатия – растяжения, распространяются в
любой среде и выражаются формулой:
,
где kcж. – коэффициент сжатия, μсдв. - модуль сдвига,
δ- плотность.
Vs – волны сдвига, распространяются только в
твёрдой среде, поэтому их формула:

54.

Классическая модель внутреннего строения
Земли носит название Джеффриса-Гутенберга.
Она построена на основе изучения изменения с
глубиной (по радиусу) показателей Vp и Vs.
В настоящее время эта модель уточнена
академиком Ю.М. Пущаровским
анализа
современных
на основе
сейсмотомографических
карт. Выделены в земном шаре как глобальные,
так и промежуточные границы.

55.

Промежуточные границы: 1) поверхность Конрада,
которая разделяет гранитный и базальтовый слои на
материковой коре; 2) слой астеносферы мощностью
200-300 км в верхней мантии, где вещество находится
в частично расплавленном состоянии; 3) инверсные
зоны в верхней и средней мантии, границы которых
прослеживаются на глубинах 100, 220, 300, 710, 1050,
1200 и 2000 км .

56.

В
целом
фигура
Земли
аппроксимируется
сфероидом или трёхосным эллипсоидом. Это первым
понял Ньютон, применяя закон всемирного тяготения
для условия вращения Земли. Следовательно, для
такого эллипсоида вращения справедлива формула
сжатия Земли :
,
где а - экваториальный радиус, в – полярный радиус, .

57.

Разность величин экваториального и полярного
радиусов Земли невелика и составляет 25,5 км. На этом
фоне средняя высота материков (≈1 км) и средняя
глубина океанов (≈4 км) являются величинами второго
порядка малости. Отсюда важный вывод, что Земля
находится в гидростатическом равновесии и состоит из
концентрических слоёв, в которых плотность одинакова.

58.

Упругость
твёрдых
оболочек
Земли
вполне
достаточна для того, чтобы медленно деформироваться
под воздействием центробежных сил вращения и
тяжести, т.к. если бы она была действительно жидкой.
Слоистость же – результат первоначально «холодной»
эволюции земного шара.

59. Краткая теория гравитационного поля и его изучение в гравиметрии и гравиразведке

Гравитационное поле Земли – это
материальная среда взаимодействия
механических (физических) масс,
определяемая общим механическим
состоянием фигуры Земли.
Закон всемирного тяготения Ньютона:
m1 * m2
F f
2
r
1

60.

Показатели гравитационного поля
Если положить в формуле (1) m1=1 и m2 =M и принять M
за массу Земли, то ускорение силы тяжести на
поверхности Земли будет:
,
где
g
–
векторная
величина,
являющаяся
равнодействием сил притяжения (F), центробежной
силы (Р) и небесных тел.

61.

Центробежная
сила
R
пропорциональна радиусу вращения l
(расстояние от оси вращения), квадрату
угловой скорости ω и единичной массе
m:
R = ω2 l m
где ω = 2π/Т и Т – средние звёздные
сутки, в течение которых Земля делает
полный оборот (на 360о) вокруг своей
оси.
Отношение центробежной силы R к
силе
тяготения
F
называют
геодинамической постоянной q = 1/288.
Эти силы, будучи отнесенными к
единичным массам, характеризуют
ускорение силы тяжести:
g = f m/r2 - ω2 l
Центробежное
ускорение
ω2 l
величина малого порядка и ею можно
пренебречь.

62.

В гравиметрии ускорение силы тяжести сокращённо
называется «силой тяжести»:
gсреднее = 9,81 м/с2, gполюс = 9,83 м/с2, gэкватор = 9,78
м/с2.
g h в атмосфере:
где h – высота, R – радиус Земли.
g внутри Земли изменяется по сложной
закономерности от 9,82 м/с2 у поверхности и до 10,68
м/с2 в основании нижней мантии на глубине 2900 км.
g в ядре уменьшается на глубине 6000 м до 1,26 м/с2,
и в центре Земли до 0.

63.

Различие в силе тяжести на полюсах
и экваторе собственно и придаёт фигуре
планеты Земля вид эллипсоида. Это поле
принято называть нормальным. Однако,
из-за неравномерного распределения
плотности горных пород, которые
слагают земную кору, а также вещества,
из которого состоит верхняя мантия,
возникает
аномальное
поле
силы
тяжести. В итоге полное значение силы
тяжести состоит из нормального и
аномального полей. Причем аномальное
поле определяется только плотностной
неоднородностью
планеты
Земли
непосредственно в районах измерения g.

64.

Считая фигуру
планеты Земли
эллипсоидом вращения и вводя
понятие геоид, предполагается, что
планета Земля состоит из однородного
по плотности вещества, и поэтому
изменение силы тяжести связано лишь
с широтой местности, а также с
различием
полярного
и
экваториального радиусов .
В реальных же условиях всё
естественно
не
так,
поскольку
поверхность, на которой проводятся
наблюдения гравитационного поля
вовсе не идеальный геоид. Между ним
и реальной дневной поверхностью
располагаются массы пород. В связи с
этим, в наблюденные значения силы
тяжести требуется вводить поправки
(редукции).

65.

Для определения абсолютных значений g используют
маятниковый метод и метод свободного падения тел.
Для маятника:
где Т- период колебания маятника, l – длина маятника.
В гравиметрии и гравиразведке в основном
используются относительные измерения ускорения силы
тяжести. Определяется приращения g по отношению к
какому-либо значению. Используются маятниковые
приборы и гравиметры.

66.

Схемы определения прямых значений ускорения силы тяжести
методами: а – падающего груза, б) качания маятника

67.

В гравиметрии и в
гравиразведке используются
относительные измерения.
Измерительным прибором
служат гравиметры.
После
обработки
и
введения соответствующих
поправок,
вычисляют
аномалии в редукции Буге.
Результаты
изображаются в виде карт
изолиний
по
которым
делаются заключения об тех
или иных особенностях
строения земной коры.

68.

Изостазия
Казалось бы, гравитационные аномалии на суше
должны быть положительными и иметь более высокую
напряжённость, чем в океанах. Однако гравитационные
измерения на дневной поверхности и со спутников не
подтверждают этого. Карта высот геоида показывает,
что уклонения g от нормального поля не связаны с
океанами
и
континентами.
Следовательно,
континентальные
области
изостатически
скомпенсированы: материки плавают в подкоровом
субстрате подобно гигантским айсбергам в полярных
морях.

69.

Концепция изостазии состоит в том, что лёгкая
земная кора уравновешена на более тяжёлой мантии,
притом, что верхний слой жёсткий, и нижний
пластичный. Первый получил название литосфера, а
второй астеносфера. Однако верхняя мантия не
является жидкостью, т.к. через неё проходят
поперечные волны. В то же время по масштабу
времени (Т) астеносфера ведёт себя на малых Т (часы,
дни) как упругое тело, а на больших Т (десятки тысяч
лет) как жидкость. Таким образом, вязкость вещества
астеносферы оценивается 1020 Па*с (паскаль секунда).

70. Модель изостазии

71.

Гипотезы изостазии предусматривают:
1) упругую деформацию земной коры, которая
показана на схеме;
2) блоковое строение Земли и погружение этих
блоков в нижележащий субстрат мантии на
различную глубину.

72.

Наибольшее распространение объяснения явления изостазии
получили гипотезы Дж. Эри и П.Пратта

73.

Модель изостазии,
соответствующая
гипотезе Дж. Эри
Модель изостазии,
Соответствующая
гипотезе П. Пратта

74.

Следуя математическому языку, вытекает вывод:
существование изостатического равновесия земной
коры является достаточным, но отнюдь необходимым
условием для закономерной связи аномалий g и
мощности коры. Тем не менее, для региональных
территорий эта связь существует.
Если выполнить гравитационные измерения через
океан, то выступы океанической коры будут
характеризоваться гравитационными минимумами,
впадины – максимумами. Введение изостатической
поправки показывает, что территория (регион) в целом
изостатически уравновешена.

75. Распределение гравитационного поля над поверхностью океана

Из рисунка следует, что интенсивность гравитационного поля в
2,5-3,0 раза больше в тех местах, где тоньше океаническая кора,
т.е. в этих участках в большей мере проявляется дефект
плотности нижележащего мантийного субстрата, в частности
слоя поверхности Мохо.
.

76.

Таким
образом,
региональных
существует
прямая
гравитационных
мощностью
земной
коры.
составляют
второй
уровень
связь
аномалий
Эти
с
исследования
детальности
в
гравиметрии.
Третий
уровень
детальности
связан
съёмками
непосредственно
с
гравиметрическими
(наблюдениями)
с
целью
изучения
локальных
геологических объектов, в частности месторождений
полезных ископаемых.

77.

Структура поля по результатам гравиразведочных
съёмок
редукции
разная. Все измерения приводятся к
Буге
(разность
наблюденных
и
теоретических полей) и предусматривают поправки
за: 1) «свободный воздух», 2) промежуточный слой,
3) рельеф.
В общей и структурной геологии результаты
гравиметрических наблюдений применяются для
изучения
тектонического
районирования
геосинклинальных и платформенных областей.

78.

В геосинклинальных областях к поднятиям
приурочены отрицательные аномалии g, а к впадинам
– положительные. Такая закономерность связывается с
историей развития земной коры вследствие инверсии
геотектонических условий (перераспределение зон
поднятия и опускания). В местах поднятий ранее был и
сохранился изгиб границы Мохо.
На платформенных областях аномалии g связаны
в
основном
с
вещественно-петрографическим
составом пород. Минимальными значениями g
характеризуются зоны крупных разломов, из «лёгких»
пород «граниты-рапакиви».

79.

Вариации силы тяжести
В общей структуре гравитационного поля Земли
происходят периодические изменения силы тяжести.
Они вызываются приближением Луны и Солнца и
зависят от внутреннего строения Земли.
Наиболее заметным перемещением частиц геосфер в
горизонтальном
приливы.
направлении
являются
морские

80. Вариации силы тяжести

81.

Согласно приведенной схеме, под влиянием сил
притяжения в бо льшей мере Луны и в меньшей
Солнца воды Мирового океана сгоняются к точкам Z и
N (прилив), а в это время в точках А и В уровень воды
Мирового океана понижается (отлив). Сферический
слой Земли испытывает периодические колебания и,
соответственно, ускорение силы тяжести. Во время
колебаний этот слой принимает форму эллипсоида.

82.

Вследствие суточного вращения Земли происходят
приливы (отливы) с периодом 24 часа («солнечные
сутки») и 24 часа 50 мин. («лунные сутки»). Поэтому
наблюдается два прилива и два отлива.
Под
действием
приливообразующих
сил
поверхность земной коры непрерывно пульсирует: два
раза в сутки поднимается и опускается.
Изучение приливов и отливов в твёрдом теле Земли
позволяет получить сведение о её плотности и
внутреннем строении.

83. Краткая теория геомагнитного поля и его изучение в магнитометрии и магниторазведке

Магнитное поле – это материальная
среда взаимодействия электрически
заряженных частиц, движение которых
обусловлено этими электрическими
зарядами и спин-орбиталыми
моментами носителей магнетизма
(электронов, протонов и др.)

84.

Основные параметры магнитного поля: потенциал,
напряжённость
и магнитная индукция . Связь
напряжённости магнитного поля с магнитной
индукцией
определяется
через
магнитную
проницаемость
природных объектов.
В
этом
уравнении
показатель
магнитной
проницаемости
характеризует
способность
природных объектов к намагничению. И таким
образом, все природные, т.е. материальные объекты
намагничены в той или иной степени. При μ > 1 они
называются парамагнетиками, а при μ < 1 –
диамагнетиками.

85.

Намагничение
природных
объектов,
а
также
возникновение и существование магнитного поля
происходит вследствие действия электрических токов
(вихревых токов).
Солнце и планеты солнечной системы и других
галактик являются намагниченными объектами, а,
следовательно, гигантскими магнитами. Вокруг них
формируется магнитное поле.
Теория происхождения магнитного поля Земли в
настоящее время еще полностью не разработана,
существуют гипотезы.

86.

Существуют представления, что во внешнем ядре
Земли,
состоящем из расплавленного
металла
железо-никелево состава, имеет место циркуляция
термотоков. Возникает эффект гидромагнитного
динамо и регенерационный процесс длится до тех
пор, пока рассеивание энергии, вследствие вязкости
ядра
и
его
электрического
сопротивленя,
не
компенсируется добавочной энергией вихревых
токов и другими причинами.

87.

В режиме реального времени магнитное поле Земли
можно считать постоянным полем, называемым
геомагнитным полем. Это поле в первом приближении
можно представить как поле намагниченного шара.
- полный вектор напряженности, а
и
его
вертикальная и горизонтальная составляющие. Вместе с
углами J (магнитное наклонение) и D (магнитное
склонение) векторы , ,
называют элементами
геомагнитного поля.

88. Математическое выражение составляющих геомагнитного поля

M
T 3 1 3 sin 2
r
2M
Z 3 * sin
r
M
H 3 * cos
r
2
T Z H
2
tgI
Z
H

89.

Магнитное поле Земли с высотой убывает обратно
пропорционально кубу расстояния. Взаимодействие
магнитного поля с солнечным ветром имеет сложный
характер: с солнечной стороны силовые линии имеют
форму полусферы, а с противоположной стороны
(ночь) изолинии вытянуты в виде «хвоста»,
называемого геомагнитным шлейфом. В магнитосфере
установлены
зоны
повышенной
космической
радиации, являющиеся своеобразным мостом между
полюсами
Земли,
по
которому
мгновенно
распространяются
любые
электромагнитные
возмущения.

90. Форма деформации магнитосферы

91.

Суммарное магнитное поле Земли разделяется на:
постоянное;
переменное.
Постоянное поле вызвано внутренними источниками
магнетизма и его называют геомагнитным полем
Земли. Но абсолютно постоянным это поле назвать
нельзя,
поскольку
оно
обусловлено
«вековыми»
вариациями. Последние характеризуют медленные
изменения геомагнитного поля. Изменения происходят
по закону синуса-конуса. Осредненная кривая имеет
период 8000 лет.

92. Вариации геомагнитного поля

93.

Процесс изменения среднегодовых значений
элементов земного магнетизма, называется вековым
ходом Главная его особенность – различная
продолжительность периодов Т. Изменения кривой 2го порядка могут происходить в диапазоне Т от 360 до
2700 лет, а кривой 3-го порядка в диапазоне Т от 11 до
80 лет.
Различная
продолжительность
периодов
объясняется,
по-видимому,
отсутствием
сбалансированности
движущихся
частиц
гидромагнитного
динамо
и
различной
их
электропроводностью.

94.

Геомагнитное поле Земли в суммарном магнитном
поле является основным, его вклад более 90%. Как и у
любого магнита имеются полюса. Силовые линии
«выходят» из северного магнитного полюса (N) и
«входят» в южный магнитный полюс (S).
Полюс N находится в южном полушарии, а полюс S
в северном, но в обиходе их называют по аналогии с
географическими полюсами. Со временем магнитные
полюса меняют свое направление, наблюдается их
«плавание».

95.

Интересным и до сих пор не разгаданным
явлением
является
инверсия
(«перескок»)
полюсов. Длительность примерно 5 – 10 тыс.
лет. С этими эпохами совпадают существенные
геологические,
биологические
климатические
изменения
на
и
планете.
Регулярности в инверсиях не обнаружено.
Частота «прыгает» от длительных к частым
периодам.

96.

Изменение магнитного поля в историческом
прошлом
оценивается
палеомагнитным
методом. Суть его в так называемом «эффекте
замораживания»:
магнитные
составляющие
горных пород и других природных объектов в
момент их образования ориентируются вдоль
магнитных силовых линий.

97.

Магнитные
и
географические полюсы
по
топографическим
координатам
не
совпадают. Магнитная
ось наклонена к оси
вращения Земли на 11,50.
На примере поведения животных прогнозируется
связь магнитного поля Земли с биополем.

98.

В
магнитном
поле
различают
региональные
и
разновидности
последних
магниторазведки
месторождений
локальные
с
целью
полезных
–
материковые,
аномалии.
предмет
поисков
и
Две
изучения
разведки
ископаемых.
В
подавляющем большинстве случаев интенсивность
магнитных аномалий не превышает 10% главного
магнитного поля Земли.

99.

Переменное поле – вызвано внешними
источниками магнетизма за счет индукции от
вихревых токов космического происхождения.
В этот поток магнитное поле Земли (когда
его солнечный ветер «достигает») проникнуть
не может. Единственными «щелями» являются
воронки
сложным
у
полюсов,
образом
поверхности Земли.
где
вихревые
концентрируются
токи
по

100.

Переменное поле накладывается на постоянные и
вызывает различные вариации суммарного поля во
времени. Вариации носят квазипериодический и
непериодический характер.
Вариации (возмущения) происходят постоянно.
Дней без вариаций не бывает. Наблюдения за
изменениями
геомагнитного
поля
производят
с
помощью специальных приборов. Это обычные
микровольтметры с непрерывной цифровой или
магнитной записью.

101.

К квазипериодическим колебаниям относят
годовые, солнечно-суточные, лунно-суточные и
короткопериодные.
Под годовыми вариациями понимают изменения
среднемесячных значений напряженности магнитного
поля Земли (до нескольких сотых долей А/м).
Солнечно-суточные вариации имеют период (Т)
равный 24 часам. Токи солнечного излучения и
инициируются ветрами, дующими от экватора к
полюсам. Обозначаются магнитные вариации буквой
греческого алфавита - δ.

102. Суточный ход составляющих геомагнитного поля

103.

Солнечно-суточные вариации (Sd) зависят от времени
года и географической широты. Амплитуды летом в 3-4
раза больше чем зимой. Sd влияют на положение
магнитных полюсов Земли, которые в течение суток
смещаются примерно на 100 км.
Лунно-суточные вариации (L) имеют полусуточный
характер (Т = 12 ч. 25 мин. 14 сек.). Кривые
характеризуются
двумя
максимумами
и
двумя
минимумами.. Амплитуды колебаний составляют 10-15%
от Sd.
Короткопериодные вариации (КПК) имеют период Т 0,1
– 102 сек. Это магнитные пульсации в виде затухающих
синусоид. Наиболее частый период Т = 60–180 с. КПК
индуцируют в земной коре токи, получившие название
магнито-теллурических.

104.

К
непериодическим
колебаниям
относят
магнитные бури. Характерная их особенность –
внезапность появления притом, что все элементы
земного магнетизма претерпевают очень быстрые и
непрерывные изменения. Амплитуды Н и Z , бывают
очень большие 2 – 4 до 16 А/м. В годы максимальной
солнечной активности наблюдается до 30 – 50 бурь в
год. Природа бурь до конца не ясна. Известно, что
магнитные бури оказывают влияние на состояние
здоровья.

105. Изменения элементов земного магнетизма под влиянием магнитных бурь (непериодические колебания)

106.

Наземная полевая магнитная съемка проводится с
помощью пешеходных магнитометров весом 5-6 кг. На
каждой точке измеряются или абсолютные значения
полного вектора геомагнитного поля (Т)

107.

Аэромагнитная съемка проводится по системе
профилей при непрерывной записи Т или Т на
каждом профиле (маршруте). Направления профилей
выбираются вкрест предполагаемого простирания
структур
или
тектонических
нарушений.
Гидромагнитная съемка в океанах, морях и на озерах
ведется как на специальных судах. Датчик поля
буксируется на кабеле длиной свыше 100 м в
специальной немагнитной гондоле либо вблизи дна,
либо на некоторой глубине. Профили (галсы)
привязываются по штурманским картам. Съемки
бывают профильными, реже площадными. В
результате строятся графики, карты графиков и
карты Т или Т.

108. Лекция 6. Электромагнитные поля Земли и их изучение в электрометрии и электроразведке

Электромагнитное поле – это сумма
электрического и магнитного полей, приводящих
к существованию в природных объектах
электромагнитных волн.
С электрической частью поля связывают поля
циркуляции токов (направленное движение
электронов токов) проводимости.
С электромагнитной частью поля (переменно
магнитного поля) связывают поля преобладания
токов смещения.

109.

Электропроводимость
показатели
удельной
(электропроводности)
среды
оценивается
электрической
и
через
проводимости
диэлектрической
проницаемости:
σэ - удельная электропроводность, ед. изм. – Сим/м
ε - диэлектрическая проницаемость, ед. изм. – отн.
ед.
Основные параметры электромагнитного поля напряженность электрического и магнитного полей, а
также
- электрическая и магнитная индукция.

110.

Параметры электромагнитного поля связаны
с
материальными
электрическими
показателями, то есть с электрическими
свойствами
σэ
и
ε,
следующими
соотношениями:
D * E ; B * H ; э * E

111.

Электромагнитные поля Земли – это поля
преимущественно естественного происхождения: 1)
магнито-теллурическое поле (за счет вариаций КПК),
2) поле грозовой активностии (вследствие грозовых
разрядов), 3) электродинамические поля (за счет
геодинамических процессов).
Отдельной группой полей следует считать
электромагнитные поля техногенного происхождения:
1) поля дальних-ближних радиостанций, 2) поля телеи радиокоммуникаций, линий ЛЭП, 3) поля
переизлучений от всевозможных трубопроводов и т.д.

112.

Помимо перечисленных естественных переменных
электромагнитных полей, в верхней части литосферы
возникают естественные постоянные электрические
поля
вследствие
электрохимических
и
электрофизических процессов в результате которых
на границах разделов геологических (природных)
сред
возникают
Различают
поля
двойные
электрические
слои.
окислительно-восстановительной
(электрохимической),
фильтрационной
адсорбционно-диффузионной активности.
и

113.

• Поля электрохимической активности возникают при
контакте металлических руд или металлизированных
технических объектов с вмещающими породами при
активном воздействии природных вод.

114.

• Поля фильтрационной активности обусловлены
движением подземных вод (возникают потенциалы
течения). Эти поля наиболее интенсивно проявляются на
склонах гор и оврагов, на берегах и в руслах рек.

115.

• Поля диффузионные образуются над контактом двух
природных растворов с различной минерализацией,
например, соленых и пресных подземных вод. Процесс
связи с диффузией ионов из раствора с большей
концентрацией перемещаются в раствор с меньшей
концентрацией.
Знак
диффузионного
потенциала
зависит
от
соотношения чисел переноса катионов и анионов. В
случае раствора NaCl справедлива формула:
2
E g 11,6 lg
1
где ρ1,ρ2 - УЭС контактируемых растворов.

116.

Атмосферное
электричество
электростатическое поле Земли
виде
гигантского
или
представляется в
конденсатора,
проводящими
обкладками которого являются земная поверхность и
слой
ионосферы.
При
этом,
ионосфера
имеет
положительный заряд, а литосфера совместно с
гидросферой – отрицательный. Разность потенциалов
между ионосферой и поверхностью Земли составляет
300 кВ.

117.

В
атмосферном
электричестве
движение
положительных зарядов вниз и встречное движение
отрицательных
зарядов
вверх
проводит
к
возникновению тока проводимости (I = 2,9*10-20 А/м2).
У поверхности Земли разность потенциалов ΔU = 100
В/м, а во время гроз 40 000 В/м.
В нормальных условиях соотношение ионов
(аэроионов) положительных и отрицательных знаков
составляет 1,14, т.е. q = n+/n- = 1,14. При этом, в этих
нормальных условиях n = (n+)+(n-) = 1000–1400, а
в экологически осложненных районах n = 1100–3500 в
1 см.

118.

Насыщение воздуха ионами происходит вследствие
распада радиоактивных элементов, находящихся в
воде,
почве
и
горных
породах.
Возникающее
радиоактивное излучение вместе с космическим
излучением
приводит
к
ионизации
воздуха
в
приземном слое атмосферы. Ионизация радия (222Ra) в
почвенном слое примерно на 3 порядка выше, чем в
приземном слое атмосферы и это приводит к
увеличению проводимости почвенного воздуха по
отношению к атмосферному в соотношении 30:1.

119.

Электростатическое поле Земли больше в средних широтах
и убывает с высотой по закону, близкому к экспоненциальному.
Как и в магнитном и гравитационном полях, в поле
атмосферного электричества имеют место синхронные
суточные и годовые вариации поля.
Типичный ход электрического поля Е
с высотой в зонах «хорошей» погоды
а – в чистой атмосфере
б – над континентами

120.

Основными
генераторами
атмосферного
электричества являются облака и осадки. Как правило,
облака заряжены положительно в верхней части и
отрицательно в нижней, притом что на кромке
существует двойной электрический слой и в сторону
лито- и гидросферы «направлен» слой положительных
зарядов.
Глобальная
электрическая
цепь
заряжается
грозами.
Электрическое
поле
Земли
«уравновешивается» процессами в зонах «хорошей» и
«плохой» погоды.
Генераторы 2-го порядка – извержения вулканов и
пылевые бури, снежные метели, промышленные
выбросы.

121.

Схема глобальной электрической цепи,
заряжаемой грозами

122. Магнитотеллурическое поле

.
Магнитотеллурическое поле
Сигналы КПК (короткопериодные колебания) имеют период
Т = 1-100 сек и более. Их можно наблюдать во времени в виде
иррегулярных колебаний параметров поля
и
.
Отношение Ех к Ну имеют название импеданса Z и зависит от
удельного электрического сопротивления слоев горных пород, то
есть

123.

Чем больше Т, тем меньше частота и тем глубже поле
проникает в Землю. На этом основан метод МТЗ (магнитотеллурическое зондирование). С помощью этого метода
удалось
установить
изменение
ρ
в
нормальном
геоэлектрическом разрезе в интервале глубин от 30 до 300 км.

124.

Особенности глубинных геоэлектрических разрезов
обусловлены увеличением с глубиной температуры и
давления. В некоторых геосинклинальных областях
обнаруживаются 1-2 контрастных проводящих слоя.
Один из примеров – изучение по импедансу Z
геологического разреза Приазовской части Украинского
щита в диапазоне периодов Т = 10 – 1600 с. Это
соответствует
глубинам,
превышающим
залегания поверхности Мохоровичича.
глубину

125. Геологический разрез Приазовской части Украинского щита

126.

Рассмотрение
разреза
Приазовской
части
Украинского щита показывает, что разрез земной
коры
и
верхней
чередующихся
вертикальных
значительно
значительны
мантии
по
блоков.
больше
по
разбит
на
серию
электропроводимости
Размеры
по
этих
вертикали
горизонтали.
Эти
блоков
и
менее
данные
подтверждают блоковое строение земной коры.

127.

Проблема горизонтальной расслоённости земной
коры и верхней мантии по электрическим свойствам (в
отличие от вертикальной зональности) значительно
сложнее,
чем
в
сейсмометрии.
По
данным
электрометрии методами МТЗ, ЧЗ, ВЭЗ определяется
только одна субгоризонтальная граница – поверхность
кристаллического
фундамента.
Все
остальные
границы, включая астеносферу – гипотетичны.

128.

Электромагнитное поле грозовых разрядов - поле
сложного
взаимодействия
метеорологических
и
электрических процессов, приводящих к грозовым
разрядам (молниям). Количество молний за 1 сек на
земном шаре более 100. Молния – это мощный
электрический диполь. Сигналы, улавливаемые на
расстоянии, называются атмосфериками и состоят из
серии
высокочастотных
колебаний
с
преимущественной частотой в диапазоне 0,5–1 кГц и
6-8 кГц.

129. Радиоволновое поле Земли

130.

К
наведенным
электромагнитным
шумам
относятся электромагнитные поля дальних и в
некоторой
мере
ближних
радиостанций.
Эти
станции работают круглосуточно и их поле на
удалении, как и для поля грозовой активности
можно
представить
в
виде
плоской
волны,
распространяющиеся вдоль поверхности Земли.
Преимущественная частота поля 10–20 кГц. Глубина
проникновения вихревых токов в высокоомных
толщах достигает несколько десятков метров.

131.

К
естественным
электромагнитным
шумам
относятся электромагнитные поля электромагнитной
эмиссии
от
геофизических
процессов
(землетрясений, оползней, обвалов, метеоритных
ударов).
Эти
поля
носят
название
ЕИЭМПЗ
(естественное импульсное электромагнитное поле
Земли). Они особенно интенсивно проявляется в
зонах тектонических разломов, карстовых зонах,
областях
пород
с
сейсмоэлектрическими свойствами.
повышенными

132. Лекция 7. Краткая теория сейсмоволнового поля и его изучение в сейсмометрии и сейсморазведке

Сейсмоволновое поле – это материальная среда
упругого взаимодействия природных объектов от
микро- (соударение элементарных частиц) до
макроуровней (соударение метеоритов с Землей).
Механическое
взаимодействие
природных
объектов обусловливает существование упругих
напряжений. В результате последних происходят
деформации и, как следствие, смещение частиц
среды в направлении действия силы F.

133.

Если в природном объекте частицы жестко связаны
между собой, то смещение одной частицы вызывает
смещение другой (принцип домино). Происходит
распространение упругой деформации с некоторой
скоростью.
В общем случае сейсмоволновое поле описывается
дифференциальным уравнением 2-го порядка:
, где
U – звуковой потенциал сейсмоволнового поля;
t – время;
V – скорость распространения продольной волны в
породе;
х – координата смещения частиц.

134.

Волновое уравнение составлено на основе:
1) 2-го закона Ньютона:
F = a * m,
где F – сила действующая на массу m с
ускорением:
2) закона Гука: Px = E*ex, где Px –
приложенное напряжение, ex – деформация,
E – модуль упругости (модуль Юнга).
E = δ*V2, где δ – плотность.

135.

Деформации, возникающие в природных
средах под действием механических напряжений,
вызывают различные по своей природе волны:
продольные (Р) и поперечные (S).
Р–волны – волны растяжения–сжатия.
S–волны – волны сдвига (колебания в плоскости,
перпендикулярной
к
направлению
распространения волны).
На свободной поверхности возникает особый
вид колебаний, называемый поверхностными
волнами (волны Релея и Лява).

136. Продольные (Р) и поперечные (S) волны

137. Волны Рэлея и Лява

138.

При
изучении
распространения
сейсмических волн пользуются принципами
лучевого
приближения.
Гюйгенсом
и
Он
заключается
обоснован
в
том,
что
траектории лучей всюду перпендикулярны к
фронту волны. Следовательно, в однородной
среде эти лучи представляют собой прямые
линии,
а
искривлены.
в
неоднородной
среде
будут

139.

Принцип Гюйгенса для нахождения плоского
волнового
фронта
в
однородной
(а)
и
неоднородной (б) средах

140.

На основе принципов лучевого приближения
(геометрической сейсмики) можно получать графики
зависимости времени прихода волн t от расстояния х,
отсчитываемого от пункта возбуждения волн. Такие
графики называются годографами. Их строят для
основных групп волн, отличающихся по способу
распространения в среде. Это волны: 1) отраженные
(отразившиеся от границ между слоями с различной
акустической жесткостью), 2) преломлённые или
головные (образовавшиеся на границах между
низкоскоростным слоем сверху и высокоскоростным
слоем снизу), 3) рефрагированные (возникающие в
средах, где происходит увеличение скорости с
глубиной).

141.

Годографы волн
Волны: 1 – отраженная, 2 – преломлённая, 3 – рефрагированная

142.

Землетрясения и сейсмология. Акустика океана.
Сейсмоволновое поле Земли в отличие от
гравитационного,
магнитного,
теплового,
являющимися преимущественно стационарными,
относится к динамическим переменным полям,
причём полям неравномерно-пульсирующим. По
своей природе это поле близко к переменным
электромагнитным полям Земли. Поэтому правильно
говорить о пульсирующих сейсмоакустических полях.
Последние в сейсмометрии, как и в электрометрии,
разделяются на естественные, включая шумовые, и
искусственные.

143.

Из естественных сейсмоволновых полей
наиболее частыми и значимыми являются
упругие поля землетрясений.
Под землетрясением понимают процесс, при
котором выделяется энергия в виде упругих
колебаний. Область локализации максимальной
энергии упругих колебаний называется очагом
землетрясения или его гипоцентром. Он
обозначается буквой G, а радиальная проекция
этого гипоцентра на поверхность Земли есть
эпицентр А.

144.

Схема распространения упругих волн от очага
землетрясения (а) и направления смещений вблизи
очага (б)
От G расходятся продольные и поперечные волны, а от А
поверхностные волны Лява и Релея.

145.

Зоны
землетрясений
распределены
по
земному шару неравномерно и приурочены к
активным региональным разломам или связаны
с резкой сменой физических показателей земной
коры и мантии. На таких границах образуются
объемные (отраженные и преломленные) и
обменные
(переход
продольной
поперечную и наоборот) волны.
волны
в

146.

147.

Различные по энергии землетрясения
оцениваются по показателю, называемому
магнитудой М.
, где
а и а0 – амплитуды колебаний: а – в точке
наблюдения, а0 – стандартная (отклонение в 1
мк на 100 км), Δ - эпицентральное расстояние.
После каждого землетрясения образуются
упругие волны с частотами f = 0,01 – 10 Гц.
Дальность распространения зависит от h,
интенсивности землетрясения, поглощающих
свойств среды.

148.

Различают землетрясения:
а) Неглубокие. h
30-70 км. Причина
образование связана с разрядкой напряжений в
результате деформаций земной коры.
б) Промежуточные. h 70-300 км. Причина
образования, по всей видимости, связана с
перенапряжениями при перемещении блоков
земной коры.
в) Глубокие. h
300-700 км.. Причина
образования
связана
с
неустойчивым
состоянием вещества в астеносфере и
дифференциацией вещества в мантии Земли.

149.

«Спусковым механизмом» практически для
всех
групп
землетрясений
является
пульсационная
активность
Солнца
(в
частности,
замечена
22-х
летняя
периодичность).
Количество землетрясений в год около 800
тыс. При сильных землетрясениях возникают
собственные колебания Земли, которая подобно
колоколу
излучает
сверхинфрачастотные
колебания с частотой менее 0,001 Гц. Поэтому
поле упругих (сейсмических) колебаний
существует в Земле практически постоянно.

150.

При изучении сейсмоволнового поля Земли
главная задача состоит в прогнозировании
катастрофических землетрясений в сейсмоопасных
зонах. Важен также сейсмический мониторинг в
зонах, где возникают местные землетрясения.
Возбуждаемые землетрясениями поверхностные
волны играют большую роль в изучении
литосферы и верхней мантии Земли. Эти волны
характеризуются большими периодами колебаний
(от 30 до 300 с). Их скорости меньше скоростей
объемных поперечных волн, амплитуды колебаний
уменьшаются с глубиной по экспоненциальному
закону.

151.

К шумовым полям относят две категории полей:
1) Поля деформационных процессов при извержении
вулканов, возникновении горных ударов в шахтах и
карьерах, а также обвалов, оползнеобрушений в горной
местности и по берегам водоемов и рек. Это шумовые
поля преимущественно звукового диапазона частот (10
Гц–10 кГц).
2) Поля деформаций земной коры вследствие
технологической деятельности. К ним относятся
участки разработки нефтегазовых, угольных и рудных
месторождений, а также территории мощных
вибрационных сооружений (ГЭС, ТЭЦ и др.). Более
мелкий порядок – это поля от вибраций на железных и
шоссейных дорогах, заводах и др. промышленных
объектах крупных городов.

152.

Особое
значение
для
изучения
сейсмоволнового поля Земли имеют её
собственные колебания. Последние, как уже
выше подчеркивалось, возникают вследствие
землетрясений большой магнитуды.
Возбуждаемые колебания делят на два класса:
Крутильные – сдвиговые колебания, где
вектор смещения перпендикулярен к радиусу
Земли.
Сфероидальные – объемные пульсации, где
вектор смещения изменяется по радиусу в
различных азимутальных направлениях.

153.

Крутильные колебания обозначаются буквой
Т. Они связаны только с твердой оболочкой
Земли.
Сфероидальные колебания обозначаются
буквой S. Они связаны с распределением зон
сжатия и расширения Земли и захватывают
весь объем планеты.
Совершенствование приборов и развитие
математического
аппарата
позволяет
исследовать
не
только
сферически
симметричную модель Земли, но и наличие в
ней неоднородностей.

154. Лекция 8. Краткая теория радиационного поля и его изучение в радиометрии и ядерной геофизике

Различают естественную и наведенную (искусственно
созданную) радиоактивность.
Естественная радиоактивность – это физикохимический
процесс
самопроизвольного
распада
неустойчивых
ядер
атомов,
подчиняющийся
определенному
статистическому
закону.
Процесс
сопровождается:
изменением строения, состава, энергией ядер;
испусканием квантов;
выделением радиогенного тепла;
ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы)
газов, жидкостей и твердых тел.

155.

Радиоактивному
распаду
подвергается
достаточно большое количество химических
элементов, в основном с порядковым номером в
таблице Менделеева большим 82. Известно
более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов
с различным числом нейтронов). Однако
основной
вклад
в
естественную
радиоактивность вносят три радиоактивных
элемента U (уран), Th (торий) и К (калий). Они
находятся в горных породах и других
природных объектах в виде изоморфных
примесей и самостоятельных минералов. Их
вклад следующий: К ≈ 60%, U ≈ 30%, Th ≈ 10%.

156.

Интенсивность естественного γ-излучения
(Jγ) наибольшая у К и наименьшая у Th.
Излучение происходит при различных энергиях.
γ-излучение имеет наибольшее значение при
формировании естественной радиоактивности,
поскольку α- и β-частицы при взаимодействии с
веществом испытывают сильное кулоновское
взаимодействие и обладают очень малой
проникающей
способностью.
α-частицы,
например, задерживаются обычным листом
бумаги, β-частицы - тонкой свинцовой пленкой.

157. Спектр естественного -излучения 40К, 238U, 232Th

Спектр естественного -излучения
40К, 238U, 232Th
ЕК = 1,46 МэВ
ЕU = 1,76 МэВ
ЕTh = 2,42 МэВ

158.

Закон радиоактивного распада выражается
формулой:
, где
dN – число распадающихся ядер из общего
количества N за время dt,
распада.
λ - постоянная
связана с другой единицей Т1/2 –
периодом полураспада соотношением:
Т1/2 = 0,693/λ.

159.

Закон радиоактивного распада описывает
последовательное
превращение
одних
элементов
в
другие
и
заканчивается
образованием устойчивых нерадиоактивных
изотопов. Основными являются ряды U и Th.
Они включают до 15–18 изотопов. Конечный
продукт – радиогенный свинец.
Родоначальники радиоактивных семейств (U,
Th) относятся к долгоживущим элементом. У
них Т1/2 > 108лет. В состав семейств урана
входят радий (Ra) с Т1/2 = 1620 лет и
радиоактивный газ радон (Rn) с Т1/2 = 3,82
суток.

160.

При распаде радиоактивных элементов в
радиоактивных рядах возникает состояние
радиоактивного равновесия:
Калий
(40К)
относится
к
одиночным
радионуклидам, у которых радиоактивный
распад
ограничивается
превращений.
одним
актом

161.

Наведенная
(искусственная)
радиоактивность
преимущественно связана с гамма- и нейтронным
излучением.
-кванты – электронейтральные частицы, имеющие
более высокую проникающую способность, нежели
заряженные α- и β-частицы. Они представляют собой
поток электромагнитного излучения очень высокой
частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров.
В природных объектах -излучение резко ослабляется
вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта,
образования
электрон-позитронных
пар.
Перечисленные процессы происходят при различных
энергиях.

162. Спектр многократно рассеянного -излучения в горных породах

Спектр многократно рассеянного
-излучения в горных породах

163.

Нейтронное излучение – возникает при
ядерных
реакциях.
Нейтроны
являются
электронейтральными частицами и обладают,
наибольшей проникающей способностью из
всех видов излучений. Нейтроны возникают при
взаимодействии
α-частиц с ядрами легких
элементов (бериллий, бор и др.)
Нейтроны по энергетическому спектру (Е =
107–10-3 эВ) разделяются на группы: быстрые
промежуточные
медленные
резонансные
надтепловые тепловые холодные.

164.

При
взаимодействии
природными
объектами
нейтронов
с
выделяются
по
времени два основных процесса:
1) замедление быстрых нейтронов (t < 10-2c);
2) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).
Оба процесса сопровождаются ядерными
реакциями n-n, n- и др. типов. Происходит
испускание и вновь образованных нейтронов и
-квантов (вторичное -излучение).

165.

Характеристика радиационного поля Земли
Поле
ионизирующих
излучений
(поле
естественной радиоактивности) присуще
Земле, как космическому объекту. Его
проявление на поверхности Земли играет в
экологии большую роль.
Суммарное
радиационное
поле
Земли
складывается из:
1) космического излучения;
2) радиоактивного распада элементов земной
коры;
3) дегазации
вследствие
выхода
на
поверхность радиоактивных газов (радон Rn,
торон Tn).

166.

В результате суммарного радиоактивного
излучения
на
дневной
поверхности
формируется радиационный фон. В этом фоне
доля космического излучения около 50% и
составляет 3-6 мкР. С увеличением высоты
космический радиационный фон возрастает в
среднем на 1,5 мкР на каждый километр
отметки рельефа местности. Остальная доля
радиационного
фона
приходится
на
естественную радиоактивность горных пород.
При этом радиоактивность этих пород
неодинакова.

167.

Средними по радиоактивности считаются
породы, в которых кларковые содержание не
превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная
радиоактивность обусловливается наличием
урана с образованием радиоактивных газов
(радона и торона). Тысячная доля содержания
урана в общей массе создает радиоактивность в
5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в
участках земной коры, содержащих кроме урана
и тория калий, концентрация которого в земной
коре превышает более чем в 2000 раз
концентрацию тория и более чем в 10000 раз
концентрацию урана.

168.

Наиболее
радиоактивными
породами
являются граниты, гнейсы, вулканические туфы,
фосфориты. Содержание урана и тория здесь
достигает до 100 кларков и более. Повышенная
радиоактивность
проявляется
и
в
зонах
тектонических нарушений, особенно в крупных
разломах. Это связано с эманированием радона.

169.

Радиоактивность непосредственно в недрах
литосферы (в ее верхних слоях), а также на
более глубоких горизонтах зависит от
содержания в горных породах радиоактивных
элементов. Радиационный фон в шахтах
небольшой и преимущественно составляет 4-6
мкР/час. Это же относится к радиоактивности
природных вод и газов. В большинстве случаев
они не радиоактивны. Исключение составляют
подземные
воды
радиоактивных
месторождений, а также воды сульфатнобариевого и хлористо-кальциевого составов.

170.

Техногенное ионизирующее излучение
Это излучение поступает в окружающую среду
от всевозможных искусственных источников. К
ним относится новообразованные радионуклиды
вследствие
реализации
промышленных
технологий
переработки
радиоактивных
веществ, складируемые отходы атомного
производства, внезапные аварии на атомных
объектах,
прежде
всего
на
атомных
электростанциях (АЭС).

171.

Аварии на АЭС – самый опасный источник
техногенно-радиационного
всегда
присутствует
загрязнения,
сильно
т.к.
действующий
фактор внезапности. К примеру, после аварии
на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г.,
мощность дозы ионизирующего излучения в
пределах 10 – километровой зоны превысила
нормальный фон (24 мкР) в 2000 раз.

172.

Воздействие радиационного поля на живые
организмы
Радиоактивность (ионизирующее излучение)
является как «раздражающим», так и
«поражающим» фактором.
«Раздражающее действие» связано с малыми
дозами облучения. К ним относится
естественный
радиационный
фон,
эффективная эквивалентная доза которого на
поверхности планеты варьирует от 2 до 20
мГр, т.е. 2000-20000 мкР.

173.

Грей (Гр)- единица дозы радиоактивного
излучения в системе СИ. 1Гр = 1Р. В этом
диапазоне существовало и развивалось все
живое на планете.
Естественный фон в разных частях
поверхности Земли может различаться в 3-4
раза и более. Его наименьшие значения над
поверхностностью моря, а наибольшие на
больших высотах в горах, сложенных
гранитоидными породами.

174.

«Поражающее действие» связано с дозами
облучения, превышающими нормальный фон.
При этом облучении начинают действовать
мутагенные
факторы.
млекопитающие
радиационному
Человек
весьма
и
другие
чувствительны
воздействию,
микроорганизмы достаточно устойчивы.
к
а

175.

Семенные
растения
и
позвоночные
занимают промежуточное положение. При
мощности дозы более 4-16 мГр (4000 – 16000
мкР) происходит угнетение растительности.
Она становится восприимчивой к поражению
вредителями и болезнями.
В суммарном радиационном воздействии
доля искусственных источников составляет
22%. Из них более 20% приходится на
медицину

176. Лекция 9. Тепловое поле Земли и его циклические изменения. Термодинамика океана

Тепловое поле, равно как и другие физические
поля, связывают с материальной средой, в которой
возникают и взаимодействуют тепловые потоки.
Последние, воздействуя на материальные, в
частности природные объекты, определяют их
тепловой
режим,
обусловливая
деформацию
теплового
поля.
Есть
физический
смысл
характеризовать
тепловое
поле
посредством
параметров потенциала U и напряженности Е.
Однако, в результате сложившихся многолетних
представлений оперируют понятиями теплового
потока, геотермической ступени и др.

177.

К тепловым свойством природных объектов
относятся теплопроводность λ (единица
измерения Вт/м*К) и теплоемкость С (единица
измереня Дж/кг*К) .
Земля, как природный объект, представляет
собой
тепловой
космический
модуль,
характеризующийся тепловым полем. Это поле
складывается из постоянного внутреннего поля
Земли (основное поле) и переменного
теплового поля, присущего земным оболочкам
(литосфере, гидросфере и атмосфере).

178.

Тепловое поле Земли формируется под действием
следующих энергетических процессов:
Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая
обратно);
Геотермическая потеря теплоты;
Энергия, теряющаяся при замедлении вращения
Земли;
Упругая
энергия,
высвобождающаяся
при
землетрясениях.
Одним из главных источников современной
тепловой
энергии
в
земной
коре
является
радиоактивный распад долгоживущих изотопов.
Источником
тепла
является
также
процесс
дифференциалами вещества мантии

179.

Основной характеристикой теплового поля
Земли является поток теплоты через земную
поверхность, т.е. тепловой поток Q (единица
измерения Вт/м2). Параметр Q описывается
уравнением теплопроводности:
, где
λ - коэффициент теплопроводности (Вт/м*К);
- вертикальный градиент изменения
температуры (К/м).
Знак «-» указывает на убывание температуры.

180.

По
геотермическим
и
косвенным
данным
(термальные воды, излияния раскалённых лав)
выделяют в земной толще термических зоны:
1) Приповерхностная (гелиометрическая). Толщина h =
0,03 км. Температура t зависит от солнечной радиации.
Имеет место ярко выраженный суточный, сезонный,
годовой и многовековой ход.
2) Нейтральная (слой постоянной температуры). Это
тонкий слой, который в зависимости от температурных
поясов находится на глубинах от 10 до 30-50 м.
3) Геотермическая. Это вся нижележащая толща
земной коры, мантия и земное ядро. Температура
определяется тепловыми источниками Земли.

181.

Исходя из представлений,
что ядро состоит из железа,
проведены
расчеты
температуры плавления с
учетом давления. Согласно
расчетам t на границе
мантии и ядра должна быть
37000, а t внутреннего ядра –
50000. Температура внутри
Земли
интенсивно
возрастает до глубины 200
км, после чего ее рост с
глубиной замедляется.

182.

Тепловое состояние Земли и закономерности
его изменения определяются:
1) энергией
космического
и
солнечного
излучения;
2) внутренним теплом земных оболочек.
В
связи
источники
с
этим
разделяют
внешние
внутренние (планетарные).
тепловые
(космические)
и

183.

Внешние источники:
- солнечная радиация;
- излучение звезд;
- энергия метеоритов, падающих на Землю;
- гравитационное воздействие Луны и Солнца;
Внутренние источники:
- дифференциация вещества мантии;
- выделение радиационного тепла, вследствие
ядерных реакций;
- химические реакции;
- гидротермальные процессы.

184.

На основании имеющихся измерений построена
карта распределения теплового потока на
поверхности
Земли.
Сделан
вывод,
что
закономерностей изменения теплового потока от
континентов к океанам не обнаруживается, притом,
что внутри континентальных и океанических
областей существует тесная корреляционная
зависимость Q и основных геологических структур.
На континентах Q характеризуется минимумами на
щитах, а максимумами в орогенных областях. В
океанах, в противоположность к материкам Qmin
имеет место на крыльях хребтов и в глубоководных
желобах.

185.

Для
решения
ряда
теоретических
и
практических проблем, связанных с механизмом
преобразования
солнечной
энергии
в
географической оболочке Земли, определяется
так
называемый
тепловой
баланс
Земли.
Тепловой баланс (Т.Б.) обычно представляется в
виде уравнений, учитывающих все источники
поступления и расходования тепла. Первые
имеют знак плюс, а вторые – минус.

186.

Наиболее полно к настоящему времени
исследован Т.Б. системы земля – атмосфера.
Расчеты Т.Б. обычно производят в условных
единицах.
Например,
если
количество
солнечной
радиации,
поступающей
на
верхнюю границу всей атмосферы принять за
100 усл. ед., то в результате получают, что из
этих 100 усл. ед. Земля, как планета, рассеивает
и отражает в мировое пространство 35 усл. ед.,
а остальные 65 усл. ед. поглощает.

187.

Расчеты и наблюдения за температурой планеты
Земля в целом, земной поверхности и атмосферы в
отдельности, свидетельствуют о том, что температура
в них не претерпевает каких-либо изменений от года к
году, т.к. эти структуры находятся в тепловом
равновесии.
Источники получения тепла:
- поглощение солнечной радиации атмосферой и
земной поверхностью.
Потеря тепла:
- инфракрасное излучение земной поверхности в
мировое пространство;
- инфракрасная радиация, излучаемая атмосферой в
мировое пространство.

188.

Уравнение Т.Б.: Приход = Расход.
При необходимости, составляющие Т.Б.
выражают не в условных, а в энергетических
единицах.
Если рассматривать Т.Б. отдельных широтных
зон, то исследования показывают, что поток
поглощаемой
атмосферой
и
земной
поверхностью солнечной радиации быстро
уменьшается от экватора к полюсу. Это связано
с уменьшением полуденной высоты Солнца от
экватора к полюсам..

189.

Наряду с солнечной радиацией некоторую роль в
Т.Б. играет длинноволновая радиация атмосферы и
земной поверхности. Она убывает от экватора к
полюсам с меньшей интенсивность. Это приводит к
тому, что в тропических широтах создается избыток
тепла, а в полярных широтах его потеря. Вследствие
этого следует предполагать об избыточном притоке
тепла и его возрастании от года к году в
приэкваториальных зонах и постепенном понижении
тепла в умеренных и приполярных зонах. Но этого не
происходит, поскольку атмосфера является своего рода
тепловой машиной.

190.

КПД
(коэффициент
полезного
действия)
«Атмосферы» прямо пропорционален разности
температур между «нагревателем» (экватором) и
«холодильником» (полюсами). По ориентировочным
оценкам он (КПД атмосферы) равен 2%. Это значит,
что эти 2% поглощаемых Землей солнечной радиации
превращюется в кинетическую энергию ветра.
Перенос тепла от экватора к полюсам осуществляют в
основном циклоны и антициклоны, притом, что из
количества избыточного тепла переносится 90%.
Остальные 10% переносятся водой.

191.

Морские течения – это своего рода водяное
отопление планеты Земля. Теплые течения
обогревают высокоширотные области, а
холодные – охлаждают жаркие тропические
области.
Таким образом, атмосферная циркуляция и
морские
течения
стремятся
выровнять
температуру между экватором и полюсами, а
солнечная радиация, наоборот, увеличить её
(температуру). Оба процесса очень изменчивы,
поэтому
равновесие
между
ними
пульсирующее. Изменение их длительности
вызывает изменение климата планеты Земля.

192.

Следует специально отметить, что в
атмосфере «работают» и «тепловые машины»
второго
рода,
которые
возникают
(обусловливаются) контрастом температур
между океанами и сушей. (В отличие от суши
океаны обладают огромной теплоемкостью и их
нагрев, и охлаждение более медленные).
Тепловые машины второго рода работают по
циклам зима–лето. То есть зимой океаны
«нагреватели», а континенты «холодильники»,
летом наоборот.

193.

Движение воздуха, вызываемое тепловыми
машинами 2-го рода, осуществляется в форме
муссонов. Последние представляют собой
преобладающие ветры, дующие у поверхности
Земли зимой с материка на океан, а летом – с
океана на материк. Тепловые машины 2-го рода
по мере приближения к океану смягчают
земную стужу и уменьшают летнюю жару, а по
мере приближения к материкам климат
становится более континентальным.

194.

Общая характеристика температурного (теплового)
поля Земли складывается из температурного режима
её недр и поверхности вследствие превращения в
тепловую энергию других видов энергии (солнечной,
радиоактивного
распада,
вулканической
деятельности, гравитационного сжатия, приливного
трения и др.). Природа и мощность источников тепла,
механизм его переноса через горные породы
определяется тепловым потоком Q.
На
больших
глубинах
передача
тепла
осуществляется за счет излучения нагретого вещества
недр и конвекции. Ближе к поверхности наряду с
конвекцией при переносе тепла влияет молекулярная
теплопроводность.

195.

Наряду с региональным тепловым потоком из недр
существуют локальные тепловые потоки (циркуляция
подземных вод, влияние многолетнемёрзлых пород и
др.). К локальным тепловым потокам следует относятся
и техногенные источники теплового загрязнения
(горячие цеха, подземные газоходы и теплотрассы,
сбросы горячих
технологических вод и др.).
Концентрация техногенных тепловых источников
приводит к формированию тепловых куполов.
В целом, техногенные температурные поля
охватывают своим влиянием примерно 5-10 % всей
территории суши. В соответствии с этим определенным
образом «изменяют свой ритм» тепловые машины 2-го
рода.