Síla Země |
|
Co by se vlastně stalo se Zemí, kdyby se proměnila v kapalinu? Z každodenní zkušenosti víme, že pevné látky ztrácejí při tavení svůj tvar, takže bychom mohli očekávat, že se to stejné stane se Zemí. Ve skutečnosti se to ale nestane. U objektů, se kterými se v praktickém životě potýkáme, je schopnost udržovat tvar způsobena silami působícími mezi blízkými atomy. Ale takové "Těžký" těleso, stejně jako Země, začíná hrát zásadní roli také gravitační síla, se kterou celá hmota Země přitahuje každou z jejích částic. Zajistilo by to v zásadě zachování současného tvaru Země, i kdyby se naše planeta stala tekutým tělesem. V důsledku toho je při výpočtu deformací Země a hodnocení její pevnosti jako celku (a nikoli jednotlivých vzorků hornin) nutné vzít v úvahu jak elastické vlastnosti zemské látky, tak vliv gravitace na ni. Laboratoře zkoumají mechanické vlastnosti hornin získaných z vnější vrstvy Země silné jen několik kilometrů. Tato vrstva ovlivňuje pevnost Země jako celku o něco více než tenká vrstva barvy nanesená na její povrch ovlivňuje pevnost kovové koule. Informace o hlubších vrstvách Země nám poskytuje hlavně studium šíření seismických vln. Není divu, že akademik B. B. Golitsyn nazval zemětřesení lucernou, která nám na okamžik blikáním umožní nahlédnout do nitra Země. Při vývoji tohoto srovnání však musíme říci, že světlo takové lucerny se ztlumí v hloubce 2900 km od zemského povrchu. Dole je jádro Země, kterým procházejí pouze podélné seismické vlny. Abychom mohli odhadnout sílu Země jako celku, musíme vzít v úvahu problém deformací a napětí gravitační koule, která se skládá z nehomogenní pružné skořápky a jádra. To, jak se mění hustota a elastické vlastnosti pláště s hloubkou, lze považovat za známé. Pokud jde o jádro, je třeba začít s hypotézami. Je tedy přirozené předpokládat, že jádro, možná s výjimkou jeho střední části, je v kapalném stavu, protože jím neprocházejí příčné seismické vlny. (Všimněte si, že hypotéza kapalného jádra Země byla zvažována ještě před vznikem seismologie. Ale pak byla vyvrácena, protože se věřilo, že plášť Země je tlustý jen několik kilometrů nebo desítek kilometrů, a takový plášť s tekutým jádrem, jak ukázal W. Thomson, byl by byl rozbit přílivem v jádru.)
Na Zemi neustále působí slapové síly, které se táhnou podél přímek spojujících střed Země se středy Měsíce a Slunce. Povrch Země se ohýbá pod zatížením vzdušných hmot v oblastech s vysokým atmosférickým tlakem. Na všechny částice Země působí odstředivá síla směřující kolmo k ose rotace Země.Je zřejmé, že směr této síly se změní, pokud se změní poloha osy otáčení v těle Země. A skutečnost, že se to skutečně děje, byla zjištěna na konci minulého století. Lze vypočítat velikosti a směry výše uvedených sil. Pokud si vezmeme jakýkoli model Země, můžeme teoreticky také najít deformaci Země, když na ni působí tyto síly, například vypočítat, jak se budou měnit vzdálenosti různých bodů zemského povrchu od jejího středu. Vezměme si například slapovou sílu, která, jak již bylo řečeno, táhne Zemi podél přímky spojující její střed O se středem L rušivého svítidla: Měsíc nebo Slunce. Pod jeho vlivem by zemský povrch, pokud by se jednalo o pravidelnou sféru o poloměru R, měl podobu rotačního elipsoidu s poloviční hlavní osou a směrovanou k L. Předpokládejme, že se nám podařilo vypočítat, jaký rozdíl je pro tento model roven rozdílu a - R. Pak můžeme najít změnu délky poloměr vektoru p libovolného bodu na zemském povrchu. Tyto změny jsou malé. U žádného z teoreticky uvažovaných modelů Země maximální fluktuace délky p pod kombinovaným vlivem Měsíce a Slunce nedosahují jednoho metru. Je jasné, že takové změny nelze měřit přímo. Proč jsme museli vymyslet „beztížný“ oceán? Ano, protože příliv ve skutečném oceánu tento jev poněkud komplikuje: vede ke změnám gravitačního potenciálu samotné Země. Podobný účinek mají i elastické deformace Země. Poměr změny gravitačního potenciálu Země k vnějšímu potenciálu, který ji způsobil, je označen symbolem k. Parametry h a k se nazývají čísla lásky, podle anglického geofyzika, který tyto parametry poprvé zavedl, aby charakterizoval mechanické vlastnosti Země jako celku. Právě tyto parametry se teoreticky počítají pro různé modely Země; snaží se je určit z analýzy pozorování různých jevů. Jaké jsou tyto jevy? Uveďme nejdůležitější z nich:
To je případ absolutně pevné Země. Pokud však vezmeme v úvahu, že Země je deformována vlivem různých sil, ukáže se obrázek komplikovanější. Přílivové síly deformují Zemi tak, že se její komprese neustále mění. To znamená, že v našem modelu se změní hmotnost prstence a to se zase projeví slabými periodickými výkyvy v úhlové rychlosti rotace Země. Když jeho komprese klesá, rychlost se zvyšuje a Země začíná předjíždět rovnoměrně To je jedna strana problému. Ale deformace Země ovlivňují její rotaci jiným způsobem. Abychom přesně vysvětlili, jak, pojďme provést následující mentální experiment. Představme si, že rotace Země se zastavila a odstředivá síla na ni již nepůsobí. Navíc, pokud by Země byla absolutně pevným tělesem, její tvar by zůstal stejný. Pokud by Země byla tekutým tělesem, měla by podobu běžné koule. Rovníkový přebytek hmot a s ním i prsten v našem modelu by pak úplně zmizel. Ale na skutečné Zemi, když se její rotace zastaví, vstupují do hry vnitřní elastické síly. Postaví se proti gravitačním silám a díky tomu Země zůstane komprimovaným sféroidem, i když se jeho komprese sníží. To znamená, že se sníží také hmotnost prstence našeho modelu. Jak moc? To je hlavní otázka, na jejímž řešení závisí posouzení tvrdosti Země. Poznamenali jsme, že doba volné nutace je kratší, tím větší je rovníkový přebytek hmot, tj. Hmotnost prstence. Pro absolutně pevnou Zemi by se toto období rovnalo 305 dnům. Ve skutečnosti, jak ukazuje analýza dat o pohybu zemských pólů za posledních 70 let, je ve skutečnosti téměř 430 dní. To bylo vysvětleno skutečností, že doba volné nutace nezávisí na celém rovníkovém přebytku hmot, ale pouze na té její části, která by nezmizela, kdyby přestala působit odstředivá síla. Je tedy snadné vypočítat, že zastavení rotace snižuje hmotnost prstence našeho modelu o 30%. (Přesněji řečeno, tento prstenec je rozdělen na dva a jeden z nich, který obsahuje přibližně třetinu celkové hmotnosti, je vždy nainstalován v rovině kolmé na okamžitou osu otáčení a neovlivňuje pohyb této osy v těle Země.) Výše uvedené číslo ukazuje, při které podmínek by existovala rovnováha mezi gravitačními silami usilujícími o to, aby se Země změnila v kouli, a elastickými silami usilujícími o zachování jejího tvaru beze změny. V průběhu těchto prací byly upřesněny některé závěry teorie rotace Země s kapalným jádrem. Ukázalo se tedy, že vliv kapalného jádra by měl vést ke změnám v amplitudách některých oscilací zemské osy v prostoru (vynucená nutice). Projevuje se také tím, že k již známým složkám pohybu zemských pólů se přidá ještě jeden slabý kruhový pohyb s obdobím blízkým dnům. Nalezení těchto efektů je výzvou, která leží na hranici možností moderní astronomie. Ale stálo to za pokus. Takový pokus učinili ukrajinští astronomové. Ukázalo se, že to bylo úspěšné. Zejména N.A.Popovovi se podařilo v dlouhodobých pozorováních dvou zenitových hvězd v Poltavě detekovat slabé výkyvy zeměpisné šířky s obdobím předpovídaným teorií M. Mododensky. Byly tedy získány nové argumenty ve prospěch hypotézy kapalného jádra Země. Nyní můžeme říci, že Země jako celek se zdá být silnější než dutá ocelová koule s pláštěm o tloušťce asi 3 000 km. Proti takovému posouzení však lze vznést námitku. Všechny naše závěry byly vyvozeny ze studie velmi slabých deformací. Můžeme je použít, pokud musíme vypočítat působení sil, které způsobují mnohem výraznější deformace a dokonce ohrožují integritu naší planety? Bez podstatných úprav je to zjevně nemožné.Existuje však hrozba vzniku tak mocných sil, že takové výpočty budou nezbytné? Nedojde k tomu, řekněme, protože bude výrazně narušen rotační režim naší planety? Přirozené důvody jsou těžké najít. Nebudou však lidé v průběhu času schopni změnit rotaci Země podle vlastního uvážení? Není to poprvé, co byla tato otázka položena.
Záležitost však neskončila ničím. Ukázalo se, že ve svých výpočtech udělali inženýři Arktické společnosti hrubou chybu: nezohlednili skutečnost, že Země není koule, ale má další hmotu v rovníkovém pásu. S přihlédnutím k této hmotnosti jeden francouzský inženýr provedl nové výpočty a ukázal, že při působení promítaného výstřelu by se póly Země pohybovaly na jejím povrchu pouze o 3 mikrony. Zvědavé, že tento příběh, jak je uvedeno v knize "Rotace Země" Američtí geofyzici Munk a MacDonald mají moderní pokračování. V. Během prezidentských voleb v roce 1956 senátor Estes Kefauver, kandidát na post viceprezidenta, uvedl, že v důsledku zkoušek vodíkových bomb se může osa Země odchýlit o 10 °. Přesné výpočty však ukazují jinak. Energie uvolněná výbuchem vodíkové bomby se střední silou by stačila na to, aby projektil vážící milion tun měl rychlost 11 kilometrů za sekundu. Zpětný ráz děla, který by takový výstřel vystřelil, by však posunul zemský pól jen o jeden mikron. "A 70 let po Jules Verne,- všimněte si autorů, - členové washingtonské vlády stále odmítají uznat existenci a význam rovníkového přebytku mas “... V důsledku toho ani supermocné prostředky, které nyní lidé mají, nestačí k tomu, aby měli jakýkoli hmatatelný účinek na rotaci Země. Naše planeta je tedy dostatečně pevná a odolná, aby vydržela síly působící periodicky nebo na krátkou dobu: pouze ji nenápadně deformují. Účinek však může být jiný, pokud budou síly působit stejným směrem po miliony let. Pravděpodobně ve vztahu k těmto silám se Země nechová jako ideálně elastické těleso, ale jako plastové těleso, které mění svůj tvar, i když pomalu, ale výrazně. Zde se dostáváme k problémům vývoje Země a roli, kterou v tom hrají vnitřní procesy. Vytvářejí napětí v zemském těle, někdy překračující jeho konečnou sílu. Je možné, že současně slapové deformace Země a dokonce i mírné narušení stálosti její rotace někdy hrají roli „spouštěče“, tj. Posledního šoku, který způsobí prasknutí a posuny v zemské kůře a plášti. Posledně jmenované jevy zase mohou ovlivnit rotaci Země a geofyzici a astronomové nyní aktivně hledají projevy tohoto vlivu. E. Fedorov |
„Ach, i kdyby se příliš těžké tělo roztavilo, rozpustilo a stalo se rosou!“ Slavný anglický geofyzik Harold Jeffries vzal tato Hamletova slova jako epigraf do jedné z kapitol své knihy "Přistát".
Při testování hypotéz o vlastnostech jádra je přirozené obrátit se na zkušenost. O jakém zážitku však můžeme mluvit, když jednáme s tělem o velikosti Země? Ve skutečnosti, aby se otestovala pevnost jakéhokoli produktu, je vzorek tohoto produktu vložen do speciálního stroje, natažen v něm, zkroucen nebo stlačen. V tomto případě se současně aplikují jak použité síly, tak deformace vzorku. Ale podle našeho uvážení nemáme příležitost aplikovat na Zemi síly dostatečné k tomu, aby co nejméně změnily její tvar. Musíme se spokojit s tím, co sama příroda dává.
Pokud je zemská osa rotace kolmá na rovinu prstence, to znamená, že se shoduje s osou symetrie modelu, odstředivá síla nebude mít vliv na rotaci modelu - pouze roztáhne prstenec. Jakmile se však osa otáčení odchýlí od osy symetrie, působení odstředivé síly se začíná projevovat jako působení dvojice sil, které se jakoby snaží sladit uvedené osy. Efekt je však poněkud neočekávaný: osa otáčení se neshoduje s osou symetrie, ale začíná se kolem ní pohybovat a popisuje kónický povrch v těle Země. Tento pohyb se nazývá volná nutace a jeho perioda je kratší, tím větší je hmotnost prstenu.
Jeho příběh začíná románem Julesa Verna "Vzhůru nohama"... Vypráví o projektu Arctic Industrial Company otočit zemskou osu pod úhlem 23 °, přičemž k tomu použije tlak, který může dělo dát Zemi díky zpětnému rázu při výstřelu. Podle výpočtů inženýrů výše zmíněné společnosti je k tomu nutné vystřelit z děla granát o hmotnosti 180 tisíc tun. Tento projekt vzbudil první zájem, pak poplach a nakonec paniku, protože jeho realizace by vedla k mnoha katastrofickým důsledkům.
| Co je to klec? | Fyziologická dvojrozměrnost informací: mechanismy a důsledky |
|---|
Nové recepty
