Меняется ли форма земного шара?
 |
| Январь - Март 2010 No : 22 |
|
Посоветуй другу |
А. Санджак
ГЕОГРАФИЯ
До сих продолжаются исследования по распознаванию и определению формы земного шара, которые длятся уже несколько столетий. Методы и инструменты для его измерения постоянно меняются параллельно технологическому прогрессу. В древние века верили, что Земля плоская. Начиная с 500 годов до н.э. были выдвинуты мнения, согласно которым Земля имеет круглую форму, и были проведены работы по определению ее радиуса. Позднее, особенно начиная с V века, стали рассматривать вопрос, связанный с тем, на что именно похожа форма Земли1.
С приходом ислама, поощрявшего занятия наукой, мусульманские ученые внесли значительный вклад в развитие астрономии. Историки, которые следят за процессом развития астрономической науки, определяют период с VIII по XIV вв. эпохой исламской астрономии. В то время, когда Европа переживала мрак средневековья, многие астрономические работы проводились на Ближнем Востоке, в Северной Африке и мусульманской Испании (Андалусии). Запад не смог идти в ногу с достижениями в астрономии, даже в период, когда Запад начал было избавляться от мрака. Галилео Галилей был отлучен от церкви за свои слова: “Земля вертится", а Джордано Бруно, который развивал гелиоцентрическое воззрение Коперника о Вселенной, был заживо сожжен в Риме в 1600 году. После XVI века и на Западе, и в исламском мире были проведены очень важные работы по определению формы Земли и измерению ее радиуса.
Начиная с XVIII века астрономические исследования и технологические достижения, применяемые в исследованиях, дали понять, что Земля имеет не только круглую, но и специфическую форму. Было установлено, что земной шар имеет на экваторе раздутую, а в полюсах – сдавленную и круглую форму. Сегодня ученые в своих исследованиях о Земле используют космические средства. Карты, полученные этим путем, показывают, что Земля имеет не точную круглую форму, как представлялось раньше, а ее поверхность напоминает лицо, покрытое прыщами2.
«Прыщавую» поверхность Земли ученые посчитали правильным определить термином “геоид". Геоид, вместе с некоторыми отклонениями – это характерная поверхность, которую также называют уровнем неподвижного моря и которая используется для измерения поверхности Земли. Геоид постоянно меняется. Так как слои, образующую Землю, имеют разные плотности, природные явления и вмешательства человека постоянно меняют ее геоидную структуру. Поэтому практически геоид пока не имеет математического определения.
Как известно, геологически, Земля – активная планета3. Во Вселенной, от атомов до галактик, ни одно существо не оставлено на самотек. Точно также, Земля вращается для того, чтобы на ней была размещена безупречная экосистема. Слои, образующие Землю, имеют разную плотность и постоянно подвергаются геологическим процессам, тектонические движения пластов, смещение континентов, смещение центра инерции (хоть и минимальное), такие явления как приливы и отливы, атмосферные явления, которые происходят в гидросфере и атмосфере – все эти явления и плюс к этому вмешательство человека вызывают изменения на некоторых участках земной поверхности. Это порождает постоянные изменения в форме Земли геоиде.
Изменения, происходящие в геоиде, являются результатом явлений, происходящих на поверхности земного шара. Чтобы понять, что представляют собой эти явления, на данном этапе имеет смысл определить эти изменения в форме геоида. Определение различий в гравитации на поверхности Земли при помощи спутников является наиболее предпочтительным методом отслеживания изменений в форме геоида в наши дни. Нам будет легче понять все это, если дадим более точные определения некоторым терминам: гравитация, сила притяжения, масса и вес. Гравитация или другими словами тяготение – это сила притяжения между массами двух тел. Сила тяготения F зависит от масс этих тел и расстояния между ними4. С увеличением массы и уменьшением расстояния между телами растет сила притяжения; с уменьшением массы и увеличением расстояния сила притяжения падает. Если какое-то тело отпустить над землей, то в силу притяжения Земли оно с растущей скоростью падает на землю. Это изменение в скорости называется скоростью гравитации.
Масса – это количество вещества, содержащееся в каком-либо теле, она одинакова везде во Вселенной и не меняется. Вес тела – это сила, с которой Земля притягивает это тело к себе. Вес равен произведению массы на ускорение силы тяжести. Из этих определений следует, что с изменением места тела масса его не меняется, но вес может измениться. Ускорение силы тяжести обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли и поэтому вес тела меняется при изменении высоты. К примеру, если тело весом 100 кг на уровне моря поднять на Эверест (8535 м), его масса уменьшится на 90 гр. Другими словами, самолет, который имеет вес 4,5 тонн и летит на высоте 10 км от Земли, весит на 15 кг меньше, чем на Земле. С ускорением силы тяжести, то есть с ускорением гравитации наблюдается увеличение веса тела, с замедлением гравитации – уменьшение веса тела.
Если учесть, что расстояние от центра Земли до ее поверхности есть величина постоянная (на самых высоких вершинах в год наблюдается не более 1-2 см снижения или повышения), а количество ресурсов внутри Земли почти не меняется и, проигнорировав другие воздействия, можно с легкостью утверждать, что главной причиной незначительных различий в гравитации на поверхности Земли является изменения в массе на поверхности. Таяние льдов уменьшает вес в некоторых местах, а плотины – увеличивают в других местах, все эти явления играют важное значение в различиях в гравитации на поверхности Земли. Опираясь на эти сведения, при помощи гравитационных измерений ученые могут определять, где и как меняется масса. Потому что когда масса меняет место, в той области наблюдаются изменения в гравитации.
С помощью гравитационных измерений можно определить даже малейшие изменения в массах. Изменения места одного тела на поверхности Земли значит изменение гравитации в этой области. В итоге, гравитационные измерения являются самым важным источником данных, которые используются для того, чтобы понять изменения в геоиде, более того, понять, какие явления служат причиной этих изменений. В определении мест масс, сместившихся на поверхности Земли с одного места на другое или, другими словами, в каком участке Земли вес увеличился или уменьшился, применяется метод измерения гравитаций с помощью спутников. Новейшие спутниковые технологии, применяемые для определения и наблюдения за изменениями в гравитации – это спутник Европейского Космического Агентства GOCE и спутник NASA GRACE. GOCE запланирован на то, чтобы во время полета вокруг своей орбиты точно отслеживать гравитационное поле Земли. Пролетая над местами, где сила притяжения сильная или слабая, с помощью сигналов, посылаемых прибором градиометр, спутник определяет различия в гравитации. А спутники GRACE – это спутники-близнецы, размещенные на одной орбите на расстоянии 220 м друг от друга и на высоте 500 км от Земли. С помощью микроволновых сигналов спутники измеряют расстояние между собой с такой точностью, что могут определить изменение меньше чем на сотую долю от ширины человеческого волоса. В то же время одинаково точно измеряют расстояние между ними и точкой на поверхности Земли. Пользуясь этими измерениями можно подсчитать разницу в гравитациях. Спутниковые данные GRACE предоставляют точность в 1000 раз больше, чем ныне существующие системы определения гравитации. Ученые, желающие воспользоваться преимуществами этих новых спутников, провели очень много работ и смогли определить множество интересных явлений, повлекших за собой изменения в геоиде, и выявили причины этих явлений.
Огромные волны на поверхности моря, которые возникли в результате землетрясения силой в 9 баллов по Рихтеру, произошедшего на острове Суматра в 2004 году, стали причиной возникновения на берегу прямого выступа высотой около 6 метров. По данным спутника GOCE, смещение центра инерции на поверхности Земли в этом районе вызвало смещение геоида на 18 мм. Это считается довольно высокой величиной для изменения геоида5.
Изменения в массе полярных ледников также влияют на изменения в геоиде. Согласно данным, полученным от спутников GRACE, льды Гренландии и Антарктики тают гораздо быстрее, чем ожидалось. Растаявшие льды увеличивают уровень мирового океана на 0.41 мм каждый год, а тяжесть воды, образующейся в итоге таяния льдов, становится причиной изменения формы Земли6.
Одно из интересных сведений, полученных на основе гравитационных данных спутника GRACE – это самая большая в мире плотина Три Ущелья в Китае, которая стала причиной изменения гравитации на поверхности Земли. Плотина возводится с целью сооружения водохранилища длиной 600 км и шириной 112 км. По завершении работ по строительству корпуса плотины, водохранилище будет содержать 39.3 миллиарда мкб воды, а глубина воды достигнет 175 метров. С повышением уровня воды 1,5 миллиарда человек будут вынуждены оставить свои дома. Было установлено, что огромная нагрузка скопленной в завершенных частях плотины вод увеличила величину гравитации в этом месте. Поэтому форма Земли или структура геоида изменилась вследствие водной нагрузки на это место7.
Ученые установили, что строительство подобных сооружений и под воздействием других вмешательств форма Земли принимает все более круглую форму. Предполагается, что причиной этому стало наблюдаемое с окончанием ледникового периода ослабление нагрузки ледников на земную кору, особенно на полюсах. В некоторых областях Скандинавии и Канады вследствие таяния ледников каждый год Земля повышается на 1см. Также предполагается, что причиной округления могут быть и океанические течения, которые меняют свое направление и все больше направляются на экватор. Океанические течения перемещают воды растаявших ледников на экватор, что становится причиной увеличения нагрузки в районе экватора. Масса в полюсах уменьшается, а на экваторе увеличивается, что и способствует изменениям в форме Земли8,9.
Многие ученые думают, что многие изменения в форме Земли происходят под воздействием климатических изменений10. К сожалению, надо отметить, что в докладе о шестилетней работе Межправительственной группы экспертов по изменению климата было объявлено, что на 90 % люди ответственны за глобальное потепление. Вследствие этих явлений геоидная структура стареющей Земли округляется с каждым днем. Вследствие округления радиус Земли увеличивается ежегодно на 0,4–0,8 мм11. Явления, которые могут повлиять на изменения, находятся под постоянным наблюдением ученых. Согласно ученым, изменения в геоиде, происходящиe в результате смещения массы, играют важную роль в динамике Земли. Так что смещение масс, определяющееся изменениями в гравитации, является причиной замедления скорости вращения Земли вокруг своей оси12. Полагается, что последствием изменения скорости вращения Земли может стать изменение дневного часового пояса. Исходя из всего этого можно сказать, что в будущем 24 часовой дневной пояс может удлиниться параллельно замедлению вращения.
Примечания
1. James R. Smith, 1997, Introduction to Geodesy, The history and Concepts of Modern Geodesy, John Wiley and Sons, Inc, ISBN 0-471-16660-X.
2. University of Texas Center for Space Research and NASA (7 Haziran 2005) http://www.csr.utexas.edu/grace/gallery/gravity/
3. Мехмет Бозкыр, Циркуляция Горных Пород (на тур.), “Сызынты", Октябрь 2007 Год:29 № 345
4. http://zebu.uoregon.edu/~soper/Orbits/newtongrav.html
5. Earle Holland (Ohio State University), 2006, Satellite data reveals gravity change from Sumatran earthquake, Physorg.com Dergisi, http://www.physorg.com/news73836406.html
6. K. Fleming, Z. Martinec, D. Wolf, and I. Sasgen, Detectability of geoid displacements arising from changes in global continental-ice volumes by the GRACE gravity space mission. http://www.gfz-potsdam.de/pb1/JCG/Fleming-etal_jcg.pdf
7. San Shaoan, Institute of seismology, CEA, Wuhan, China, Gravity change before and after the first water impoundment in Three Gorges Project
http://www.sgg.whu.edu.cn/icct/html/icct_ppt/S1/sun.s.A___fourth.pdf
8. http://www.voanews.com/turkish/archive/2003-01/a-2003-01-11-9-1.cfm
9. Robert Roy Britt, 2002, Mysterious Shift in Earth's Gravity Suggest Equators is Bulging, Space.com
http://www.csr.utexas.edu/GRACE/publications/press/02_08_01-GRACE-space.com.pdf
10. Goddart Space Flight Center, NASA, 2005, Most Changes in Earth's shape are due to changes in climate, SpaceRef.com Dergisi, http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=1587.
11. Allan COX and Richard R. DOELL, Palæomagnetic Evidence Relevant to a Change in the Earth's Radius, Nature 189, 45-47, 1961) http://www.nature.com/nature/journal/v189/n4758/abs/189045a0.html
12. Chao B. F. at al, 2003, The Global Geophysical Fluids Center (GGFC) of the International Earth Rotation and Reference Systems Service, Verlag des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, ISBN 3-89888-877-0, p. 115 – 120
