Forza della Terra |
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In effetti, cosa ne sarebbe della Terra se si trasformasse in un liquido? Sapendo dall'esperienza quotidiana che i solidi perdono la loro forma quando si sciolgono, potremmo aspettarci che lo stesso accada alla Terra. Ma in realtà questo non accadrà. In quegli oggetti con cui abbiamo a che fare nella vita pratica, la capacità di mantenere la forma è dovuta alle forze che agiscono tra atomi vicini. Ma tale "Pesante" Nei corpi, come la Terra, anche la forza gravitazionale inizia a svolgere un ruolo essenziale, con il quale l'intera massa della Terra attrae ciascuna delle sue particelle. Avrebbe assicurato, principalmente, la conservazione della forma attuale della Terra, anche se il nostro pianeta fosse diventato un corpo liquido. Di conseguenza, quando si calcolano le deformazioni della Terra e si valuta la sua forza nel suo insieme (e non singoli campioni di rocce), è necessario tenere conto sia delle proprietà elastiche della sostanza terrestre che dell'effetto della gravità su di essa. I laboratori studiano le proprietà meccaniche delle rocce prelevate dallo strato esterno della Terra con uno spessore di pochi chilometri. Questo strato influisce sulla forza della Terra nel suo insieme un po 'più di un sottile strato di vernice applicato sulla sua superficie influisce sulla forza di una palla di metallo. Le informazioni sugli strati più profondi della Terra ci vengono fornite principalmente dallo studio della propagazione delle onde sismiche. Non è senza ragione che l'accademico B. B. Golitsyn ha chiamato il terremoto una lanterna, che, lampeggiante per un momento, ci permette di vedere l'interno della Terra. Ma, sviluppando questo confronto, dobbiamo dire che la luce di una tale lanterna si attenua a una profondità di 2.900 km dalla superficie terrestre. Di seguito è il nucleo della Terra, attraverso il quale passano solo le onde sismiche longitudinali. Quindi, per valutare la forza della Terra nel suo insieme, bisogna considerare il problema delle deformazioni e delle sollecitazioni di una palla gravitante, costituita da un guscio elastico disomogeneo e da un nucleo. Si può considerare noto come la densità e le proprietà elastiche del guscio cambiano con la profondità. Per quanto riguarda il nocciolo, bisogna partire dalle ipotesi. Pertanto, è naturale supporre che il nucleo, possibilmente ad eccezione della sua parte centrale, sia allo stato liquido, poiché le onde sismiche trasversali non lo attraversano. (Si noti che l'ipotesi del nucleo liquido della Terra è stata presa in considerazione anche prima dell'emergere della sismologia. Ma poi è stata confutata, perché si credeva che il guscio terrestre fosse spesso solo pochi chilometri o decine di chilometri, il nucleo liquido, come ha mostrato W. Thomson, sarebbe stato distrutto dalla marea nel nucleo.)
Le forze di marea agiscono costantemente sulla Terra, allungandola lungo linee rette che collegano il centro della Terra con i centri della Luna e del Sole. La superficie terrestre si affloscia sotto il carico delle masse d'aria in aree con alta pressione atmosferica. Tutte le particelle della Terra sono influenzate da una forza centrifuga diretta perpendicolarmente all'asse di rotazione della Terra.È chiaro che la direzione di questa forza cambierà se cambia la posizione dell'asse di rotazione nel corpo della Terra. E il fatto che questo stia realmente accadendo è stato stabilito alla fine del secolo scorso. È possibile calcolare le grandezze e le direzioni delle forze di cui sopra. Se quindi prendiamo un modello qualsiasi della Terra, possiamo teoricamente trovare anche la deformazione della Terra quando queste forze vengono applicate ad essa, ad esempio, calcolare come cambieranno le distanze di vari punti sulla superficie terrestre dal suo centro. Prendiamo, ad esempio, la forza di marea, che, come si è detto, allunga la Terra lungo una linea retta che collega il suo centro O con il centro L del luminare disturbante: la Luna o il Sole. Sotto la sua influenza, la superficie terrestre, se fosse una sfera regolare di raggio R, assumerebbe la forma di un ellissoide di rivoluzione con il semiasse maggiore a diretto verso L. Supponiamo di essere riusciti a calcolare quale sia la differenza a - R è uguale a per questo modello Quindi possiamo trovare la variazione di lunghezza del raggio del vettore p di un punto qualsiasi della superficie terrestre. Questi cambiamenti sono piccoli. Per nessuno dei modelli teoricamente considerati della Terra, le fluttuazioni massime di lunghezza p sotto l'influenza combinata della Luna e del Sole non raggiungono un metro. È chiaro che tali cambiamenti non possono essere misurati direttamente. Perché abbiamo dovuto inventare un oceano "senza peso"? Sì, perché la marea nell'oceano reale complica in qualche modo il fenomeno: porta a cambiamenti nel potenziale gravitazionale della Terra stessa. Le deformazioni elastiche della Terra danno un effetto simile. Il rapporto tra il cambiamento del potenziale gravitazionale della Terra e il potenziale esterno, questo cambiamento che lo causa, è indicato dal simbolo k. I parametri hek sono chiamati Love numbers, dal nome del geofisico inglese che per primo ha introdotto questi parametri per caratterizzare le proprietà meccaniche della Terra nel suo complesso. Sono questi parametri che vengono calcolati teoricamente per diversi modelli della Terra; cercano di determinarli dall'analisi di osservazioni di vari fenomeni. Quali sono questi fenomeni? Elenchiamo i più importanti di loro:
Questo è il caso della Terra assolutamente solida. Ma se consideriamo che la Terra è deformata sotto l'influenza di varie forze, il quadro si rivelerà più complicato. Le forze di marea deformano la Terra in modo che la sua compressione cambi in qualche modo tutto il tempo. Ciò significa che nel nostro modello la massa dell'anello cambierà e questo, a sua volta, si manifesterà in deboli fluttuazioni periodiche della velocità angolare di rotazione terrestre. Quando la sua compressione diminuisce, la velocità aumenta e la Terra inizia a sorpassare in modo uniforme Questo è un lato del problema. Ma le deformazioni della Terra influenzano la sua rotazione in un altro modo. Per spiegare esattamente come, facciamo il seguente esperimento mentale. Immaginiamo che la rotazione della Terra si sia fermata e la forza centrifuga non agisca più su di essa. Inoltre, se la Terra fosse un corpo assolutamente solido, la sua forma rimarrebbe la stessa. Se la Terra fosse un corpo liquido, prenderebbe la forma di una palla regolare. L'eccesso equatoriale di masse, e con esso l'anello nel nostro modello, scomparirebbe del tutto. Ma sulla Terra reale, quando la sua rotazione si ferma, entrano in gioco le forze elastiche interne. Si opporranno alle forze gravitazionali e, grazie a ciò, la Terra rimarrà comunque uno sferoide compresso, sebbene la sua compressione diminuirà. Ciò significa che diminuirà anche la massa dell'anello del nostro modello. Quanto? Questa è la domanda principale, dalla soluzione da cui dipende la valutazione della durezza della Terra. Abbiamo notato che il periodo di nutazione libera è tanto più breve quanto maggiore è l'eccesso equatoriale delle masse, cioè la massa dell'anello. Per una Terra assolutamente solida, questo periodo sarebbe pari a 305 giorni. In realtà, come mostra l'analisi dei dati sul movimento dei poli terrestri negli ultimi 70 anni, si avvicina a 430 giorni. Ciò è stato spiegato dal fatto che il periodo di nutazione libera dipende non dall'intero eccesso equatoriale di masse, ma solo da quella parte di esso che non scomparirebbe se l'azione della forza centrifuga cessasse. Quindi, è facile calcolare che la cessazione della rotazione riduce la massa dell'anello del nostro modello del 30%. (Più precisamente, questo anello è diviso in due, e uno di essi, contenente circa un terzo della massa totale, è sempre installato in un piano perpendicolare all'asse di rotazione istantaneo, e non influisce sul movimento di questo asse nel Il corpo della Terra.) Il numero sopra mostra in quali condizioni ci sarebbe un equilibrio tra le forze gravitazionali che cercano di trasformare la Terra in una palla e le forze elastiche che cercano di mantenere la sua forma invariata. Nel corso di questi lavori, sono state affinate alcune conclusioni della teoria della rotazione della Terra con un nucleo liquido. Pertanto, si è scoperto che l'influenza del nucleo liquido dovrebbe portare a cambiamenti nelle ampiezze di alcune oscillazioni dell'asse terrestre nello spazio (nutazione forzata). Si manifesta anche nel fatto che alle componenti già note del moto dei poli terrestri si aggiunge un altro moto circolare debole con un periodo prossimo ai giorni. Trovare questi effetti è una sfida che si trova al limite delle capacità dell'astronomia moderna. Ma valeva la pena provare. Un tale tentativo è stato fatto dagli astronomi ucraini. Si è rivelato un successo. In particolare, N.A. Popov è riuscito a rilevare, nelle osservazioni a lungo termine di due stelle zenitali a Poltava, deboli fluttuazioni di latitudine con un periodo previsto dalla teoria di M.S. Modensky. Sono stati così ottenuti nuovi argomenti a favore dell'ipotesi del nucleo liquido della Terra. Possiamo ora dire che la Terra nel suo insieme sembra essere più forte di una sfera d'acciaio vuota con un guscio spesso circa 3.000 km. Tuttavia, quanto segue può essere contestato a tale valutazione. Tutte le nostre conclusioni sono state tratte dallo studio di deformazioni molto deboli. Possiamo usarli se dobbiamo calcolare le azioni di forze che causano deformazioni molto più significative e addirittura minacciano l'integrità del nostro pianeta? Apparentemente, è impossibile senza aggiustamenti significativi.Ma esiste la minaccia dell'emergere di forze così potenti che tali calcoli diventeranno necessari? Questo non accadrà, diciamo, perché il regime di rotazione del nostro pianeta verrà significativamente interrotto? Le ragioni naturali per questo sono difficili da trovare. Tuttavia, nel tempo, le persone non saranno in grado di cambiare la rotazione della Terra a propria discrezione? Questa non è la prima volta che viene posta questa domanda.
Tuttavia, la questione non è finita nel nulla. Si è scoperto che nei loro calcoli gli ingegneri della Compagnia Artica hanno commesso un grave errore: non hanno tenuto conto del fatto che la Terra non è una palla, ma ha una massa aggiuntiva nella cintura equatoriale. Tenendo conto di questa massa, un ingegnere francese fece nuovi calcoli e dimostrò che sotto l'azione del colpo proiettato, i poli della Terra si sarebbero mossi sulla sua superficie di soli 3 micron. Curioso che questa storia, come raccontata nel libro "Rotazione della Terra" I geofisici americani Munk e MacDonald hanno una continuazione moderna. In. Durante le elezioni presidenziali del 1956, il senatore Estes Kefauver, il candidato alla carica di vicepresidente, disse che a seguito dei test delle bombe all'idrogeno, l'asse terrestre potrebbe essere deviato di 10 °. Tuttavia, calcoli accurati mostrano il contrario. L'energia sprigionata dall'esplosione di una bomba all'idrogeno di media potenza basterebbe a dare a un proiettile del peso di un milione di tonnellate una velocità di 11 chilometri al secondo. Ma il rinculo di un cannone che avrebbe sparato un simile colpo avrebbe spostato il polo terrestre di un solo micron. "E 70 anni dopo Jules Verne,- nota gli autori, - i membri del governo di Washington si rifiutano ancora di riconoscere l'esistenza e il significato dell'eccesso equatoriale delle masse "... Di conseguenza, anche i mezzi superpotenti che le persone ora possiedono non sono sufficienti per avere un effetto apprezzabile sulla rotazione della Terra. Quindi, il nostro pianeta è abbastanza solido e resistente da resistere a forze che agiscono periodicamente o per un breve periodo: lo deformano solo leggermente. Ma l'effetto può essere diverso se le forze agiscono nella stessa direzione per milioni di anni. Probabilmente, in relazione a tali forze, la Terra si comporta non come un corpo idealmente elastico, ma come un corpo plastico che cambia forma, seppur lentamente, ma in modo significativo. Qui arriviamo ai problemi dell'evoluzione della Terra e al ruolo che i processi interni giocano in questo. Creano stress nel corpo della terra, a volte superando la sua forza ultima. È possibile che allo stesso tempo deformazioni di marea della Terra e anche lievi disturbi nella costanza della sua rotazione giochino talvolta il ruolo di "innesco", cioè quell'ultimo shock che provoca rotture e spostamenti nella crosta terrestre e nel mantello . Questi ultimi fenomeni, a loro volta, possono influenzare la rotazione della Terra, e geofisici e astronomi stanno ora attivamente cercando manifestazioni di questa influenza. E. Fedorov |
"Oh, se anche questo corpo troppo pesante si sciogliesse, si dissolvesse, diventasse rugiada!" Il famoso geofisico inglese Harold Jeffries ha preso queste parole di Amleto come un'epigrafe in uno dei capitoli del suo libro "Terra".
Per testare ipotesi sulle proprietà del nucleo è naturale rivolgersi all'esperienza. Ma di che tipo di esperienza possiamo parlare quando abbiamo a che fare con un corpo delle dimensioni della Terra? Infatti, per testare la resistenza di qualsiasi prodotto, un campione di questo prodotto viene posto in una macchina speciale, teso al suo interno, attorcigliato o compresso. In questo caso, vengono registrate contemporaneamente sia le forze applicate che la deformazione del campione. Ma non abbiamo la possibilità, a nostra discrezione, di applicare alla Terra forze sufficienti a modificarne la forma anche leggermente. Dobbiamo accontentarci di ciò che la natura stessa offre.
Se l'asse di rotazione della Terra è perpendicolare al piano dell'anello, cioè coincide con l'asse di simmetria del modello, la forza centrifuga non influenzerà la rotazione del modello, ma allungherà solo l'anello. Ma non appena l'asse di rotazione devia dall'asse di simmetria, l'azione della forza centrifuga inizia a manifestarsi come l'azione di una coppia di forze, che, per così dire, cerca di conciliare gli assi citati. Tuttavia, l'effetto risulta essere alquanto inaspettato: l'asse di rotazione non è allineato con l'asse di simmetria, ma inizia a muoversi attorno ad esso, descrivendo una superficie conica nel corpo della Terra. Questo movimento è chiamato nutazione libera e il suo periodo è più breve, maggiore è la massa dell'anello.
La sua storia inizia con un romanzo di Jules Verne "Dal basso verso l'alto"... Racconta il progetto della Arctic Industrial Company di ruotare l'asse terrestre di un angolo di 23 °, utilizzando per questo la spinta che il cannone può dare alla terra a causa del rinculo quando viene sparato. Secondo i calcoli degli ingegneri della suddetta compagnia, per questo è necessario sparare un proiettile del peso di 180 mila tonnellate dal cannone. Questo progetto ha destato prima l'interesse, poi l'ansia e, infine, il panico, poiché la sua realizzazione avrebbe portato a molte conseguenze disastrose.
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