Первый Советский космонавт
Космонавты побывавшие в космосе
Астрономия Древней Греции
Космодром Байканур
Начало космической эры
Космическая техника СССР
Федерация Космонавтики - "Cтраницы история"

Гравитация
Двойные звезды

Тайны космоса XX век. Хроника необъяснимого

    Эквипотенциальная - поверхность, на которой находится масса вблизи тела, а затем находили силы, направленные перпендикулярно этим поверхностям. На практике используется метод потенциалов, так как заменить экваториальное вздутие каким-то числом точечных масс непросто. Главное, что надо отметить, это то, что чем больше момент инерции Земли относительно ее оси вращения, тем больше крутящий момент. Это происходит потому, что чем больше момент инерции, тем, очевидно, большая часть массы Земли оказывается удаленной от ее оси; в свою очередь чем дальше находится масса от оси, тем больше центробежная сила, приложенная к этой массе, и, следовательно, тем крупнее экваториальное вздутие.
    Крутящий момент зависит также от массы внешнего тела и от расстояния до него. В случае искусственного спутника этот момент чрезвычайно мал и поэтому оказывает совсем незначительное влияние на Землю. Однако воздействие Земли на спутник очень заметно, так как оно возмущает его орбиту, что позволяет нам установить, как меняется притяжение Земли в пространстве, и, следовательно, позволяет судить о форме геоида, о чем уже упоминалось в предыдущем разделе. Самый большой вращающий момент в Земле создается Луной, меньшей величины момент-Солнцем, поскольку хотя Солнце и больше, но расположено оно дальше, и расстояние сказывается сильнее, чем масса.
    Может показаться очевидным, что крутящее воздействие Луны (или Солнца) на экваториальное вздутие Земли должно двигать оба тела, пока Луна не окажется в экваториальной плоскости Земли, где вращающий момент равен нулю. Действительно, так и было бы, если бы Земля не вращалась, но поскольку она вращается, то ведет себя как волчок-один из тех игрушечных гироскопов, которые раскачиваются во все стороны, как бы не считаясь с силой тяжести. Вес волчка и реакция его опоры образуют вращающий момент, который должен был бы привести к падению волчка на бок, если бы он не вращался. Однако мы знаем, что, вращаясь, волчок раскачивается, или испытывает прецессию, так что его ось описывает коническую поверхность. Подобным же образом, под действием вращающего момента, создаваемого Луной, земная ось не сохраняет свою ориентировку неизменной, а находится в состоянии медленной прецессии, причем ось конуса прецессии перпендикулярна плоскости орбиты Земли.
    Если приведенные выше рассуждения сопроводить количественным анализом, можно вывести математическое выражение для скорости прецессии. Оно содержит такие величины, как масса Луны (или другого тела) и расстояние до нее, а также два дополнительных условия. Одно из них показывает, как вращающий момент и, следовательно, скорость прецессии зависят от того, насколько гравитационное поле Земли отклоняется от полной симметрии, а это мы можем установить по движению спутников или из других определений формы геоида. Другое условие показывает, что скорость прецессии обратно пропорциональна моменту инерции Земли относительно оси ее вращения. Таким образом, момент инерции Земли можно вычислить, исходя из измерений скорости прецессии.
    Скорость прецессии Земли мала, потому что относительно мало экваториальное вздутие и велико расстояние до Луны: один полный цикл прецессии занимает около 26 тыс. лет. Прецессию можно заметить, так как хотя земная ось в настоящее время указывает почти точно на Полярную звезду, положение оси все же медленно меняется.
    Момент инерции Земли равен 8,07 х 1037 кг м2. Это составляет только 83% той величины, которая получилась бы при однородной плотности, что еще раз доказывает, что к центру планеты плотность возрастает. Однако это нельзя считать только подтверждением вывода, который мы сделали, определив массу Земли, поскольку момент инерции зависит от радиального изменения плотности, а общая масса-нет.
    На практике интегрировать начинают от кровли мантии, так как известно, что кора-слой изменчивой толщины и плотности (делая какие-либо выводы о внутренних областях Земли, учитывают массу коры в целом). Плотность у кровли мантии берется равной приблизительно 3200 кг/м3. Это значение выбрано на основании данных об образцах горных пород мантийного происхождения. Для больших глубин плотность определяется расчетным путем вплоть до основания мантии: считать дальше тем же способом абсурдно, поскольку совершенно ясно, что там происходит крупное изменение, которое нельзя объяснить простым сжатием. Как же можно определить плотность ядра? Плотность у поверхности ядра берут наугад, а затем, используя уравнение Адамса— Вильямсона, выводят значения плотности вплоть до центра Земли. Получаемое распределение плотности должно быть таким, чтобы полная масса, интегрированная по коре, мантии и ядру, равнялась известному значению массы Земли.
    Чтобы проверить правильность полученного распределения плотности, его использовали для вычисления момента инерции Земли и сравнили результат с известным значением; выяснилось, что они сильно различаются. Кроме того, можно показать, что это расхождение связано не с ядром. Давайте разберемся почему. Распределение плотности в мантии (и в коре) использовали для подсчета массы и момента инерции мантии, а значит, и ядра путем вычитания из известных значений для целой Земли. Оказалось, что вычисленное отношение момента инерции ядра к его массе в 1,4 раза больше, чем для однородного шара, из чего следует, что масса ядра должна быть сосредоточена у его поверхности. Поскольку в высшей степени неправдоподобно, чтобы плотность ядра заметно убывала книзу, единственно возможный вывод состоит в том, что в мантии должна быть заключена большая масса, чем предсказывает модель сжатия под действием только собственного веса.
    
    
    Возможные недостатки модели, учитывающей только сжимаемость пород.
    Поскольку что-то в модели оказалось неверным, необходимо тщательно исследовать те допущения, на которых она построена.
    Одно из таких допущений состоит в том, что давление на данной глубине равно весу вышележащего материала. Конечно, где-нибудь в пещере это не так, поскольку породы в силу своей прочности удерживают давящий сверху груз, но на глубине всего лишь в несколько километров вес становится чересчур большим, и существование больших полостей уже невозможно. На самом деле прочность Земли в глобальном масштабе по отношению к длительно действующим силам незначительна, и предположение, что земной материал ведет себя как жидкость, неявно выраженное в уравнении, в этом временном масштабе близко к истине. Поправки на отклонения от сферической симметрии, связанные с неоднородностью плотности пород и с экваториальным вздутием, также малы по величине.
     Более важный фактор-температура. Она не присутствует явно в уравнении Адамса— Вильямсона, но если температура растет с глубиной, это должно приводить к расширению вещества, т. е. противодействовать давлению. Можно поэтому подумать, что уравнение Адамса-Вильямсона предполагает постоянную температуру, но это не так, поскольку используется модуль всестороннего сжатия. Имеются два главных определения этого модуля в зависимости от того, что происходит с теплом, выделяющимся при сжатии вещества. В случае изотермального модуля тепло удаляется, так что температура остается постоянной; в случае адиабатического модуля тепло остается в веществе и стремится расширить его; при этом, чтобы получить данную величину сжатия, требуется большее давление, т.е. в этом случае модуль всестороннего сжатия выше. Когда продольная волна проходит через вещество, сжатие длится столь короткое время, что выделяющееся тепло не успевает перейти в окружающий материал до того, как последующее разрежение приведет к охлаждению. Следовательно, используемый модуль - адиабатический, и, значит, уравнение Адамса— Вильямсона предполагает, что внутри Земли существует адиабатический температурный градиент, или, для краткости адиабата.
    В силу того что модель сжатия под действием веса вышележащих слоев предполагает адиабатический температурный градиент, получается, что если бы температурный градиент в Земле был сверхадиабатическим, то плотность возрастала бы медленнее, чем предсказывается уравнением Адамса-Вильямсона, так как излишняя температура заставляла бы вещество расширяться, и наоборот, принятие величины массы мантии, превышающей предсказываемую уравнением Адамса-Вильямсона, заставляло бы предположить существование субадиабатического температурного градиента. Поскольку на деле этот градиент почти определенно сверхадиабатический, необходимо заключить, что неадиабатические температурные градиенты не могут считаться главной причиной того, что модель простого сжатия оказалась несостоятельной.
    В любом случае можно подсчитать, что любое правдоподобное отклонение от адиабатических условий только в малой степени отразится на плотностном разрезе. Исключением может быть основание мантии, где сейсмические скорости возрастают медленнее, чем в более верхних областях. Возможно, это обусловлено большим температурным градиентом, связанным с поступлением тепла из ядра, или же это результат изменения состава, приводящего к увеличению плотности. Литосфера-самая верхняя жесткая часть Земли характеризуется большим сверхадиабатическим температурным градиентом, но его влияние на плотность менее значительно, чем влияние изменений состава.
    Таким образом, остаются только два других фактора - изменения состава и изменения состояния вещества. Поскольку материалы разного состава могут при одном и том же давлении иметь различные плотности, очевидно, что уравнение Адамса - Вильямсона не может учесть ни резкого, ни постепенного изменения вещества внутри Земли. К изменениям состояния относится переход от жидкого состояния к твердому, что, как полагают, имеет место на границе ядра и мантии, но, кроме того, сюда же относятся и фазовые изменения, при которых твердое вещество меняет свою кристаллическую структуру посредством перестановки атомов. Примером может служить преобразование при высоких давлениях графита, имеющего плотность 2000 кг/м3, в алмаз с плотностью 3500 кг/м3. Возрастание давления с глубиной внутри Земли благоприятствует появлению более компактных образований и, следовательно, более высоких плотностей. Поскольку кристаллы существуют только при правильном расположении атомов, переход от одних образований к другим должен быть резким, по крайней мере в локальном масштабе, а это выходит за пределы применимости уравнения Адамса-Вильямсона, так как использование модуля всестороннего сжатия предполагает, что непрерывное возрастание давления ведет к непрерывному же уменьшению объема. Следовательно, модель простого сжатия под действием вышележащих слоев эквивалентна, по сути дела, предположению о химической и фазовой однородности Земли.
    Вопрос о том, связаны ли отклонения от модели самоуплотнения с изменениями состава или с фазовыми изменениями, будет рассматриваться в последующих главах. Что касается того, где происходят эти отклонения, то, вероятно, они соответствуют сейсмическим разделам, т. е. ступеням, так как, согласно модели сжатия под действием веса вышележащих слоев, плотность и модуль упругости должны изменяться с глубиной непрерывно. Это не исключает, что постепенные изменения состава могут также происходить на любой глубине.
    Хотя уравнение Адамса-Вильямсона неприменимо для строгого описания плотност- ного разреза Земли, имеются области, где оно подходит довольно хорошо. Наилучшее приближение можно получить для внешнего ядра. Жидкое и находящееся, вероятно, в конвективном движении, оно должно быть хорошо перемешано и иметь температурный градиент, близкий к адиабатическому. Это уравнение приближенно верно, по всей видимости, и для большей части нижней мантии от 1050 до 2700 км. Там, где уравнение Адамса-Вильямсона не подходит, предсказываемое им значение градиента плотности (по глубине) следует считать минимальным, так как и изменения состава, и фазовые изменения должны вести к более быстрому увеличению плотности с глубиной. Единственно возможные исключения - области с очень высоким температурным градиентом, которые находятся, по всей вероятности, у кровли или в основании мантии и в которых можно ожидать низкие градиенты плотности.

 Пионеры ракетной техники
 Начало космической эры
 Ракеты носители
 Человек в космосе
 Голоса из космоса
 Космическая метеорология
 Изучение Земли
 Наука о космосе
 Полеты ЛМС к Луне
 Полеты ЛМС к планетам
 Человек на Луне
 Первыe космические станции
 Рукопожатие на орбите
 Спейс Шаттл
 Полет человека на Марс
 Завод в космосе
 Электростанции в небе
 База на Луне
Космические поселения
 Развитие ракетно-космической техники в СССР
 Советские исследования планеты Венера
 Oрбитальные станции «Салют» Второго поколения
 Исследования по космическому производству В СССР