Текст книги "Вам, земляне
(Издание второе, переработанное)"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 14 страниц)

Перечисленные тринадцать движений Земли вовсе не исчерпывают всех ее движений. В бесконечной Вселенной каждое из небесных тел, строго говоря, участвует в бесчисленном множестве различных относительных движений.

Земля пульсирует

Тем, кто живет на побережье морей и океанов, хорошо знакомо явление приливов. Дважды в сутки, движимая какой-то силой, вода наступает на берег. Она заливает отмели и заставляет отступать сушу. Но успех водной стихии носит временный характер. За каждым приливом неизменно следует отлив, и то, что стало на короткий срок морским дном, снова превращается в сушу. День за днем, год за годом совершается это периодическое движение воды. Причины его следует искать далеко за пределами нашей планеты. Виновниками приливов являются Луна и Солнце[4]4
  Альтшулер В. М., Гурвич В. М. Лунные ритмы. Л., Гидрометеоиздат, 1981.


[Закрыть].

Представьте себе, что весь земной шар окутан сплошной водной оболочкой. Если бы не существовало Луны, водная оболочка Земли имела бы строго сферическую форму. Но Луна притягивает к себе и твердое тело Земли, и различные части ее водной оболочки. Притяжение Луны неизбежно вызывает смещения притягиваемых тел, причем ускорения при этих смещениях зависят только от расстояния до Луны и от ее массы. Больше всего смещается часть водной оболочки Л, обращенная к Луне. Меньший сдвиг испытывает твердое тело Земли Т. И еще незначительнее смещение «тыловой» части водной оболочки В. В результате водная оболочка теряет первоначальную сферическую форму. Она вытягивается в направлении Луны L, причем внутри этой исполинской «водяной капли» и само твердое тело Земли движется навстречу нашему спутнику (рис. 12).

Рис. 12. Схема лунных приливов.

Возникли два приливных горба, постоянно направленных к Луне, будто какая-то невидимая сила растянула водную оболочку в обе стороны от Земли. Но Земля вращается внутри «водяной капли». Движется и Луна. Благодаря этому у обитателей Земли создается впечатление, что приливные волны катятся по Земле, периодически порождая явления приливов.

Сказанное о Луне вполне применимо к Солнцу. Притягивая к себе водную оболочку Земли, Солнце вызывает особые приливы. Они почти вдвое слабее лунных, но вполне ощутимы. В периоды новолуний и полнолуний, когда Солнце, Луна и Земля оказываются на одной прямой, приливные силы Луны и Солнца складываются. В такие дни приливы бывают особенно сильными. В другое время Луна и Солнце действуют «вразнобой», и во время первой или последней четверти Луны их взаимные помехи бывают особенно сильными.

Силы тяготения, как известно, неразборчивы. Они воздействуют на любые тела, как жидкие и газообразные, так и твердые, поэтому Луна и Солнце вызывают приливы и в твердом теле Земли. Если бы Земля была абсолютно твердым телом, попытки Луны и Солнца изменить ее форму не имели бы успеха. Но земной шар, хотя и может быть назван с известным приближением твердым телом, обладает заметной податливостью, способностью к деформациям. Это относится не только к центральным областям Земли, где вещество находится, возможно, в пластическом состоянии, но и к «твердой» земной коре. Под действием приливных сил Луны и Солнца твердое тело Земли слегка деформируется, несколько вытягивается в направлении того тела, которое вызывает прилив. Лучше было бы сказать, что земной шар растягивается подобно водной оболочке вдоль прямой, направленной на возмущающее (как говорят астрономы) тело.

В настоящее время приливные силы с большой точностью измеряются стационарными гравиметрами. По этим данным можно вычислить воздействие приливных сил на твердую оболочку Земли. Но с изменением формы Земли изменяется (конечно, очень незначительно) и сила притяжения, действующая на тела, расположенные на земной поверхности. Изменяется (хотя и еле уловимо) и направление отвеса. Вот по этим ничтожным колебаниям отвесной линии и удается обнаружить «твердые» приливы. Когда «твердая» приливная волна пробегает под отвесом, последний, медленно «покачиваясь», отзывается на ее непрерывное движение. Отклонения отвеса столь незначительны, что обнаружить их можно только с помощью прибора, называемого горизонтальным маятником. Этот маятник весьма чувствителен к колебаниям температуры, поэтому его устанавливают в глубоких погребах и шахтах, где температурный режим сравнительно постоянный.

Впервые «твердые» приливы были замечены в начале текущего века. Теперь в их существовании никто не сомневается. Подчиняясь невидимому влиянию Луны и Солнца, Земля «пульсирует». Пожалуй, именно это слово лучше всего подходит для обозначения тех строго периодических изменений формы, которые испытывает Земля. Не правда ли, любопытно, что, сидя в кресле или отдыхая на диване, вы иногда поднимаетесь на гребень твердой волны, которая неощутимо «покатывается» под вами два раза в сутки со скоростью всего около 1 мм в минуту?

«Твердые» волны очень невысоки, к тому же весьма пологи. Если они порождены Луной, то их высота достигает 30 см, если Солнцем – то 13 см. Даже объединив свои усилия, Солнце и Луна в периоды новолуний и полнолуний смогут поднять вас самое большее на 43 см! Неудивительно поэтому, что многие читатели, вероятно, и не подозревали, что они постоянно «покачиваются» на «твердых» волнах Земли.

Несмотря на скромные масштабы, приливы в твердом теле Земли вызывают к себе больший интерес. Изучая их, можно сделать важные выводы о строении Земли и состоянии вещества в ее недрах. Кроме того, это любопытное явление еще раз напоминает о сложной изменчивости формы нашей планеты, которую мы по традиции продолжаем называть земным шаром.

Равны ли сутки между собой?

С первого взгляда – все очень просто. Медленно и величественно вращается Земля. Промежуток времени, за который она совершает полный оборот вокруг воображаемой оси, называется сутками. Сутки содержат 24 часа. В чем же тогда проблема? Простота здесь только кажущаяся. Сложность поставленного вопроса станет сразу очевидной, как только мы попытаемся практически определить продолжительность суток.

На астрономических обсерваториях есть специальный инструмент, предназначенный для измерения времени по звездам. Называется он пассажным инструментом. По устройству пассажный инструмент похож на обычный телескоп-рефрактор, но его оптическая ось всегда расположена в одной и той же плоскости – плоскости небесного меридиана[5]5
  Так астрономы называют плоскость, проходящую через зенит, глаз наблюдателя и точку юга (или севера).


[Закрыть]. Как известно, проходя через южную часть небесного меридиана (т. е. между северным полюсом мира и точкой юга), звезды занимают наивысшее положение над горизонтом, т. е. кульминируют. Таким образом, пассажный инструмент предназначен для наблюдения кульминаций звезд.

Взглянув в окуляр пассажного инструмента, мы увидим в поле зрения одну горизонтальную и три вертикальные нити. Средняя из вертикальных нитей отмечает на небе линию небесного меридиана. Вот в поле зрения появилась яркая звездочка. Вращение Земли заставляет ее быстро приближаться к линии небесного меридиана. Наконец, она пересекла центральную вертикальную нить пассажного инструмента. Этот момент ее кульминации астроном должен зафиксировать как можно точнее. Ведь к тому моменту, когда эта звезда вернется на небесный меридиан, протекут ровно одни сутки.

До последнего времени считалось, что Земля вращается идеально равномерно. Показания лучших хронометров проверялись по наблюдениям кульминаций звезд. Если между двумя кульминациями звезды протекало по хронометру не 24 часа, а на 0,1 секунды меньше, то вина за это расхождение всегда приписывалась не Земле, а хронометру. Казалось очевидным, что в таких случаях не Земля стала вращаться быстрее, а хронометр несколько «отстал». Убеждение в идеальной равномерности вращения Земли основывалось на опытных данных. Оно не противоречило известным фактам и в то же время соответствовало нашим ощущениям: Земля вращается так равномерно, что кажется нам неподвижной.

Но техника развивалась, точность измерительных приборов непрерывно росла, и наконец удалось изобрести кварцевые часы, которые по равномерности хода значительно превзошли нашу Землю. Оказалось, что наша планета вращается «рывками», то с замедлением, то с ускорением. Нечто сходное произошло бы, если бы на край листа этой книги мы направили объектив микроскопа. Вместо почти идеально ровной линии мы увидели бы причудливо изрезанную кромку. Кварцевые часы – это «микроскоп времени». Они развенчивают иллюзии наших органов чувств. При их точности измерения времени от былых представлений о равномерности вращения Земли не остается и следа.

Открытые неравномерности вращения нашей планеты можно разбить на три группы. Прежде всего это систематическое замедление вращения Земли, вызванное действием приливных волн. Когда приливные волны бегут по дну морей и океанов, они «трутся» о земную кору и тем самым подобно тормозным колодкам замедляют вращение нашей планеты. Замедление это невелико: за целое столетие сутки увеличиваются на одну тысячную долю секунды. Через 1 млн. лет сутки станут длиннее теперешних за счет этого эффекта всего на 10 секунд!

Вторая группа неравномерностей вращения Земли – это периодические колебания продолжительности суток, вызванные сезонными метеорологическими явлениями. Оказывается, осенью и зимой Земля вращается в среднем медленнее, чем весной и летом, причем разница в продолжительности суток достигает 0,03 секунды в ту или другую сторону. В этом случае на вращение Земли влияет атмосфера. Выпадение осадков изменяет сложным образом массу твердого тела Земли, причем неодинаково в разных полушариях. Изменение массы и сказывается на вращении Земли. Следует заметить, что в любом случае земная атмосфера быстро «приноравливается» к новой продолжительности суток и продолжает вращаться вместе с Землей как одно целое.

Причины, вызывающие неравномерности третьей группы, пока неизвестны. Эти неравномерности носят характер неправильных «рывков», т. е. неожиданных ускорений или замедлений вращения Земли. Все они ничтожно малы: из-за них величина суток изменяется ото дня ко дню не более чем на тысячную долю секунды.

Таким образом, главный эталон времени – сутки – весьма изменчив. Сегодняшние сутки, строго говоря, не равны завтрашним. Представьте себе часы, идущие идеально равномерно. Допустим, что их часовая стрелка дважды пробежит циферблат за одни сегодняшние сутки. Продолжительность следующих суток, измеренная этими часами, не будет равна 24 часам.

Путешествия земных полюсов

С детских лет полюсы Земли привлекают к себе наше внимание. Кто не увлекался романтикой полярных путешествий? Кого не манили ледяные просторы Арктики и нераскрытые тайны самого сурового, самого неприступного из материков – Антарктиды? Ценой неимоверных усилий достигали герои полюсов Земли. История их путешествий– это повесть о всепобеждающей силе Человека, который в самом недалеком будущем полностью освоит страны вечных льдов.

Не всем, однако, известно, что полюсы Земли (заветная цель многих путешественников) сами «путешествуют» по земной поверхности. Подозрения на этот счет мучили еще Ньютона, но доказать их основательность удалось лишь в прошлом веке. С полюсами Земли, как известно, неразрывно связана воображаемая сетка географических координат. От того, где на поверхности Земли находятся ее полюсы, зависит и положение земного экватора, по отношению к которому отсчитывается географическая широта. Иначе говоря, движение полюсов Земли должно неизбежно вызывать изменение широт всех точек земной поверхности.

Первая попытка обнаружить изменяемость широт была предпринята в 1842 г. пулковским астрономом X. Петерсом. Ему удалось обнаружить очень медленные и незначительные изменения широты Пулковской обсерватории. Однако неправильные методы обработки наблюдений задержали окончательное решение вопроса. Только через 20 лет еле уловимые колебания широт всех пунктов Земли стали наблюдаемым фактом.

Трудно представить себе ничтожную величину тех изменений широты, о которых идет речь. За год широта изменяется в среднем всего на десятые, а иногда и сотые доли секунды дуги. Это означает, что полюсы Земли смещаются относительно своего среднего положения за год не более чем на несколько метров!

На рис. 13 показаны странствования Северного полюса Земли с 1952 по 1957 г.

Рис. 13. Движение Северного полюса Земли с начала 1952 г. (1952,0) по апрель 1957 г. (1957,4).

Как видно, его путь весьма замысловат. Словно зверь в клетке, Северный полюс кружится около одной средней точки (центр рисунка), удаляясь от нее не более чем на 13 м. Находясь на другом «конце» воображаемой земной оси, Южный полюс Земли повторяет те же движения внутри такого же по размерам квадрата.

Год за годом, век за веком непрерывно путешествуют неугомонные полюсы Земли. Иногда их пути очень сложны, в другие периоды проще, но иногда они полностью не повторяются, хотя непрерывные странствования полюсов происходят на площади всего 676 м², что составляет лишь 1/7 часть обычного футбольного поля.

Не следует думать, что движение полюсов Земли вызвано изменением направления ее оси. Наоборот, сама Земля смещается по отношению к этой оси. В результате земная ось пересекает поверхность Земли в разное время в различных точках. Чем же вызвано это любопытное явление?

Если бы Земля была однородным твердым шаром, ее полюсы всегда находились бы в одних и тех же точках земной поверхности. Представим себе теперь, что к этой идеализированной однородной Земле «сбоку», где-нибудь между экватором и полюсами, прикрепили огромную массивную гору. Наш воображаемый эксперимент изменит характер вращения Земли. Обладая инерцией, свойственной всем телам, вращающаяся гора будет непрерывно тянуть к себе остальную часть Земли. Будь земная ось не воображаемой, а реальной, похожей на ось колеса, укрепленную в подшипниках, насаженная гора, оттягивая в свою сторону ось, оказала бы разрушительное давление на подшипники. На самом же деле нет причин, которые мешали бы Земле смещаться в сторону горы, поэтому в нашем воображаемом эксперименте Земля непременно «постарается» расположиться «поудобнее», т. е. таким образом, чтобы при изменившихся обстоятельствах (появлении горы) ее вращение снова стало максимально устойчивым. В результате полюсы Земли займут на ее поверхности новое место.

Таким образом, движение земных полюсов связано с неоднородностью внутреннего строения Земли и ее сложной формой. Если бы Земля была абсолютно твердой и неизменной, то при всей сложности ее формы и строения странствования полюсов были бы сравнительно простыми. Но в действительности внутри Земли и на ее поверхности происходят непрерывные изменения: медленно опускаются одни части суши, как бы выдавливая при этом вверх другие. Резкие перемещения крупных масс внутри Земли вызывают землетрясения.

Зимой области Земли, расположенные за пределами экваториальной зоны, становятся массивнее, тяжелее: на поверхности Земли выпадает снег. Летом они, наоборот, делаются легче, отдавая в атмосферу накопившиеся за зиму осадки. Даже перемещение больших воздушных масс влияет на расположение земных полюсов.

Все эти причины, сочетаясь самым причудливым образом, чрезвычайно осложняют картину движения полюсов. Только исключительная кропотливость астрономов и очень высокая точность измерений позволяют разобраться во всех тонкостях этой проблемы.

Конечно, не праздное любопытство заставляет астрономов следить за странствованием полюсов. Ведь от положения полюсов зависят географические координаты всех точек Земли. Не зная, где находятся в данный момент полюсы Земли, нельзя составить точные карты земной поверхности, невозможно с необходимой точностью измерить время. Кроме того, некоторые тонкости в движении полюсов Земли помогают «заглянуть» в ее недра, узнать, как перемещаются внутри Земли крупные массы.

ЧТО ТАМ ВНУТРИ?

За необходимость почитаю описать кратко… самый верхний слой, как покрышку всех протчих, то есть самую земную поверхность. Ибо она есть часть нижних и по смежеству много от них заимствует, уделяя им и от себя взаимно… Рассматривая оную, первое дело должно взять в рассуждение земную фигуру, второе – внутренние свойства и качества.

М. В. Ломоносов

Принцип изостазии

Как уже говорилось, обычный маятник и, конечно, более сложные гравиметрические приборы могут успешно выступать в роли разведчиков земных недр. Неоднородности земной коры тотчас же отражаются на измеряемой силе тяжести, и это позволяет вести, в частности, гравиметрическую разведку полезных ископаемых.

В результате гравиметрической разведки получают сведения нс только о самых верхних частях земной коры, но подчас о строении Земли на значительных глубинах (до 1000 км) в пределах обширных районов (регионов). Гравиметрическая разведка основана на отклонениях от средней нормы (аномалиях) силы тяжести. Между тем во всеземном, глобальном масштабе отклонения силы тяжести от нормы имеют некоторую закономерность, связанную, несомненно, со строением глубокозалегающих слоев Земли. Аномалия силы тяжести считается положительной, если эта сила (точнее, вызываемое ею ускорение) превышает среднюю норму, и отрицательной – в противоположном случае.

Почти во всех точках поверхности Земли измерялось (и, как правило, многократно) ускорение свободною падения. Еще в 1932 г. в Советском Союзе началась общая гравиметрическая съемка, при которой среднее расстояние между гравиметрическими пунктами составляло примерно 30 км. Ныне сеть гравиметрических пунктов на значительной части территории СССР и других стран давно уже намного гуще, чем один пункт на 1000 км².

Ускорение свободного падения измерено повсюду – и на материках, и на океанах. Получены результаты, которые заранее предугадать было невозможно, так как они противоречили пресловутому здравому смыслу. Оказалось, что на одной и той же широте ускорение свободного падения в среднем почти одинаково и на океанах, и на материках, хотя, судя по различным данным, толщина континентальной земной коры (в среднем 35–40 км) значительно больше толщины океанической коры (около 5 км). Даже такие мощные горные хребты, как Гималаи, вызывали гораздо меньшее притяжение к себе отвеса, чем можно было бы ожидать.

Так как средняя плотность земной коры примерно в 2,5 раза выше плотности воды, то естественно было предположить, что дно океанов состоит из гораздо более плотного вещества, чем материки, и этим самым компенсируется малая плотность океанических вод. Сторонники этой точки зрения, впервые высказанной еще в прошлом веке, считают, что где-то на глубине около 100 км существует особая уровенная поверхность, давление на которую со стороны вышележащих слоев (и под материками, и под океанами) одинаково. Ее назвали изостатической поверхностью (рис. 14), что, собственно, и означает «поверхность одинакового давления», а само предположение о ее существовании получило в геодезии наименование гипотезы изостазии.

Рис. 14. Изостатическая поверхность.

О том, что ускорение свободного падения повсюду на Земле примерно одинаково, свидетельствует форма геоида и его почти совершенно гладкая поверхность. Если бы сравнительно высокая плотность материковых масс ничем не компенсировалась в районе океанов, то, во-первых, геоид имел бы гораздо более неровную, чем на самом деле, поверхность и, во-вторых, неровности соответствовали бы распределению океанов и материков. Значит, действительно внутри Земли действует какой-то компенсационный механизм, создающий наблюдаемую картину.

Ученые прошлого века Пратт и Эри представляли себе компенсационный механизм по-разному. Пратт (1854 г.) полагал, что возвышенные части земной коры оказались приподнятыми благодаря своей малой плотности. Иначе говоря, здесь имеет место явление, хорошо нам знакомое из житейской практики: чем больше нагрузить лодку, тем глубже она осядет в воду. Эри (1855 г.) представлял себе механизм компенсации несколько иначе. Отдельные части земной коры он уподоблял исполинским чурбакам одинаковой плотности, плавающим в воде. Чурбак, выступающий из воды больше, чем остальные, должен быть погружен на наибольшую глубину. Кто же оказался прав – Эри или Пратт?

Хейсканен и другие ученые, подробно изучив этот вопрос (1958 г.), пришли к выводу, что изостатическое равновесие земной коры в среднем на 63 % осуществляется «по Эри» и на 37 % – «по Пратту». И в том и в другом вариантах предполагается, что на некоторой глубине вещество Земли перестает быть твердым и приобретает свойства очень густой, вязкой жидкости. Примечательно, что этот вывод о природе глубоких слоев Земли сделан без прямого глубинного зондирования, на основании измерений силы тяжести на поверхности. Что касается больших глубин, то сведения о них были получены главным образом при изучении землетрясений.