Расчётно-графическая работа №2 и №3

по дисциплине «Геология»

Темы: «Атмосфера Земли»

«Гидросфера и биосфера Земли»

«Магнитосфера Земли»

 

Выполнил: студент 1 курса

Михайлов Антон

Проверил: доцент, к. г-м. н. Лыткин В.А.

 

 

г. Апатиты

2012 г.

Атмосфера Земли

Задача №1. На уровне моря среднее давление земной атмосферы составляет 1,033 г/см³. Откуда взялось это число?

Давление, производимое атмосферою на поверхность, лежащую при уровне моря, можно принять близким к давлению на ту же поверхность столба ртути в 760 миллиметров, а так как 1 куб. сантиметр ртути весит 13,59 граммов, то очевидно, что давление атмосферы на 1 квадратный сантиметр земной поверхности (у уровня моря) составляет почти 1033 гр. (13,56 х 76)

Задача №2. Рассчитайте, какова масса атмосферы Земли.

P_о = 1 [атм.] = 10⁵ [Па] P_о = F­­_­давл­ / 4π(R_­Земли)²=М_А*g / 4π(R_­Земли)²

R_Земли = 6400 [км] = 6400000 [м] М_А= 4π(R_­Земли)²* P_о / g = 5,25*10¹⁸[кг]

Задача №3. Поверхность тела взрослого человека в среднем равна 15-16 тыс. см². Нетрудно подсчитать, что атмосфера на каждого из нас давит с силой около 16 тонн. Почему мы не ощущаем действие этой огромной силы?

Ткани, кровеносные сосуды и стенки других полостей тела подвергаются наружному давлению атмосферы, но кровь и другие жидкости и газы, заполняющие эти полости, сжаты до такого же давления. Поэтому упругая стенка какой-нибудь артерии подвергается одному и тому же давлению и изнутри, и снаружи и не деформируется.

Задача №4. На какой высоте располагается верхняя граница атмосферы Земли?

Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечетко, так как с высотой газы разрежаются и постепенно переходят в мировое пространство. По вертикали атмосфера неоднородна.

Задача №5. Какой из газов составляет основное содержимое воздушной оболочки Земли?

Основной газ воздушной оболочки Земли – азот (78%).

Задача №6. Полковник ВВС России Александр Александрович Скворцов, возглавляя 24-ю длительную экспедицию, проработал на Международной космической станции, на орбите в общей сложности 176 суток (с 4 апреля по 25 сентября 2010 года). По его данным температура в космосе на высоте полёта МКС (340-370 км) составляет: на солнце +150 градусов по Цельсию, в тени -150 градусов. Почему на температурном графике на этой высоте температура составляет +600 и более градусов по Цельсию?

По данным экспедиции на МКС температура в космосе составляет на Солнце плюс 150 градусов по Цельсию, в тени – минус 150 градусов. Это связано с маленькой плотностью частиц. Между ними не происходит соударения, поэтому температура остается низкой. На температурном графике она составляет 600 и более градусов по Цельсию. Это объясняется тем, что на Земле плотность частиц больше, происходит их соударение, и вследствие этого температура на Солнце и в тени выше, чем в космосе.

Гидросфера и биосфера Земли

Задача №1. Земля и её ближайший спутник Луна представляют собой систему двойной планеты. Благодаря их гравитационному взаимодействию, в телах обеих планет возникают приливные деформации – вздутия и горбы. Объясните причину возникновения горбов на противоположных сторонах этих планет.

Гравитационное воздействие Земли на Луну и наоборот довольно велико. Разные части, скажем, Земли по разному подвергаются притяжению Луны: сторона, повернутая к Луне, - в большей степени, обратная сторона - в меньшей, так как дальше находится от нашего спутника. В результате, разные части Земли стремятся прийти в движение в направлении Луны с разными скоростями. Поверхность, обращенная к Луне, вздувается, центр Земли смещается меньше, а противоположная поверхность вовсе отстает, и с этой стороны тоже образуется вздутие - из-за "отставания". Земная кора деформируется неохотно, на суше приливных сил мы не замечаем. А вот про изменение уровня моря, про приливы и отливы, слышали все. Вода поддается воздействию Луны, образуя приливные горбы на двух противоположных сторонах планеты. Вращаясь, Земля "подставляет" Луне разные свои стороны, и приливной горб перемещается по поверхности. Такие деформации земной коры вызывают внутреннее трение, которое тормозит вращение нашей планеты. Раньше она вращалась гораздо быстрее. Луна еще больше подвергнута влиянию приливных сил, ведь Земля гораздо массивнее и больше. Скорость вращения Луны настолько замедлилась, что она покорно повернулась к нашей планете одной стороной, и приливной горб не бежит более по лунной поверхности. Воздействие этих двух тел друг на друга приведет в отдаленном будущем к тому, что и Земля, в конце концов, повернется к Луне какой-то одной стороной. Кроме того, приливные силы, вызванные близостью Земли, а также влиянием Солнца, тормозят движение Луны и по орбите вокруг Земли. Замедление сопровождается удалением Луны от центра Земли. В итоге, это может привести к потере Луны.

Задача №2. На дне мирового океана, в районе СОХ, обнаружены живые организмы способные существовать и развиваться при температурах 300-400^о по Цельсию, давлениях 500-600 атмосфер, при полном отсутствии света. Благодаря каким процессам возможна жизнь в таких условиях?

Так как, на такой глубине процесс фотосинтеза невозможен по причине того, что туда не проникает свет и нет растений, то ученые предполагают, что долгое время единственным пригодным для жизни на больших глубинах местом считались Черные курильщики - так называют горную породу, которая формируется там, где горячие ключи (до +400°С) сталкиваются с холодной морской водой. В сильнокислой среде Черных курильщиков обитают потребляющие углекислый газ бактерии. Основой жизни при таких условиях являются хемоавтотрофные бактерии. Сами они живут за счёт того, что поглощают из воды сероводород и перерабатывают его химическим путём. Эти химические реакции идут с выделением энергии подобно тому, как при горении топлива выделяется тепло. Дальше с помощью этой энергии бактерии синтезируют из углекислого газа и воды питательные органические вещества, подобно тому, как это делают растения в наземных сообществах. Способ синтеза питательных органических веществ бактериями за счёт энергии химических реакций получил название хемосинтез. Эти питательные вещества в первую очередь поддерживают жизнь самих бактерий.

Магнитосфера Земли

Задача №1. Магнитное поле Земли по гипотезе Коровякова подобно электрофорной машине. Объясните, согласно этой гипотезе: что такое стример? Приведите примеры.

По гипотезе Коровякова, земное ядро находится не в центре шара, а под воздействием гравитационных сил Солнца, Луны и других планет оттягивается в их сторону. Вращаясь, ядро как бы «перекатывается» под оболочкой, вызывая противоток находящейся между ними магмы, и как следствие — возникновение электромагнитных полей. Кроме того, из-за наклона оси вращения планеты ядро ходит вверх-вниз, пребывая летом в Северном полушарии, а зимой — в Южном. По этой причине экватор ядра не совпадает с земным экватором, а приходится на 28-ю параллель. Именно здесь находится русло магмового потока. Время от времени ядро ударяет по оболочке, вызывая движение материков, дрейф магнитных полюсов и извержение вулканов. Перемещение огромных гравитационных масс внутри планеты объясняет неравномерность вращения Земли и тот, установленный еще Кеплером факт, что планета обегает солнце не по окружности, а по эллипсу. Известно, что предшественником молнии является возникновение стримера – канала в первичной среде, «физического вакуума» - через который проходит разряд электрического напряжения. Случается, что стример, протянувшийся от точки соприкосновения ядра с оболочкой в Земле до грозового облака в той части, которая проходит через оболочку, заполняется расплавом металла, который был в точке соприкосновения. Например, на Чукотке в зоне вечной мерзлоты прослеживается (с глубины 60 м.) заполненный золотом стример, который, проходя через породу, пронзил наносный грунт – лёд, промёрзший до дна озера и прошёл через вмороженной в лёд бревно. Также в 1975 г. молодой ученый Н. И. Коровяков для того, чтобы разрешить многовековой спор ученых о наличии центробежных сил во вращающемся потоке жидкости, изобрел гидродинамический волчок и открыл, что, благодаря этим центробежным силам, жидкость вращается не по кругу, как мы скорее всего могли бы подумать, а по пятиугольнику. В таком случае и магма, находящаяся под земной корой, движется также по пятиугольникам. Но тогда и ядро планеты внутри «бегающей по пятиугольнику» магмы движется эксцентрично – то есть смещено относительно центра всей системы планеты. А суточные взаимодействия эксцентричного ядра и оболочки создают своеобразный насос. И насос этот перегоняет магму в обратном направлении, противоположном вращению Земли. И благодаря трению их масс, движущихся взаимно противоположно, они заряжаются гигантским статическим электричеством, которое генерирует магнитное поле Земли. Возникает своего рода электрофорная машина.

Задача №2. Что такое солнечный ветер? Можно ли ходить под парусами солнечного ветра?

Солнечный ветер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды. Солнечный парус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. Идея полетов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света — фотоны — имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году. Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите — около 5·10−6 Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива, и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно.

Задача №3. Что такое каспы и в каком месте магнитосферы они расположены?

Каспы - бласть в околополуденной части магнитосферы, имеющая вид воронки, расширяющейся от Земли до магнитопаузы, и разделяющая силовые линии дневной магнитосферы и геомагнитного хвоста. Существуют северный и южный полярные каспы.

Задача №4. Что такое остаточная и приобретённая намагниченность? Чему равна точка Кюри?

Для ферромагнетиков существует уровень температуры, так называемая точка Кюри, выше которой упорядочение магнитных моментов не сохраняется, поэтому лавы вулканов обретают намагниченность только после их остывания ниже точки Кюри. Любая горная порода, осадочная или магматическая, в момент своего образования приобретает намагниченность по направлению и по величине магнитного поля данного конкретного отрезка времени. Если это осадочная порода, то магнитные частицы, оседая на дно озера, моря или океана, будут ориентироваться по направлению силовых линий геомагнитного поля, существующего в это время и в этом месте. Магматические горные породы, лавовые потоки, интрузивные массивы, застывающие либо на поверхности Земли, либо в земной коре на глубинах в километры, приобретут намагниченность после достижения ими точки Кюри, которая отличается для различных по составу магматических пород. Направление приобретенной намагниченности совпадает с направлением вектора напряженности магнитного поля данного времени в данной точке. В случае осадочных пород приобретенная намагниченность называется ориентационной, в случае изверженных – термоостаточной. Не вдаваясь в довольно сложные характеристики видов намагниченности горных пород и факторов, ее определяющих, подчеркнем ведущую для палеомагнитологии роль естественной остаточной намагниченности. Этот вид намагниченности, будучи однажды приобретенным породой, при благоприятных условиях сохраняется длительное время. Если мы вырежем из горной породы ориентированный в пространстве образец, то можно измерить остаточную намагниченность этой горной породы, а, следовательно, установить направление силовых магнитных линий той эпохи, в которой данная горная порода сформировалась, и, как следствие, вычислить положение геомагнитного полюса, так называемого виртуального, исходя из предположения, что геомагнитное поле представляет собой поле центрального осевого диполя.

Задача №5. Что такое палеомагнетизм? На чём основана магнитостратиграфическая шкала?

Палеомагнетизм - свойство горных пород намагничиваться в период своего формирования под действием магнитного поля Земли и сохранять приобретённую намагниченность (остаточную намагниченность) в последующие эпохи. Магнитостратиграфическая шкала является, по существу, глобальной шкалой геомагнитной полярности за наблюдаемую часть геологической истории. В настоящее время проведены сотни тысяч определений прямой и обратной полярности в образцах горных пород различного возраста, датированных как с помощью изотопных радиологических методов, то есть с получением абсолютного возраста породы, так и с помощью методов относительной геохронологии, то есть палеонтологических методов. Первая такая шкала для последних 3,5 млн. лет была создана в 1963 году А. Коксом, Р. Доллом и Г. Далримплом. В пределах этого интервала они установили две зоны прямой полярности (как современное поле) и одну зону обращенной. С тех пор составлено много магнитостратиграфических шкал, полнота и нижний возрастной предел которых все увеличиваются, а само расчленение становится все более дробным. Временные интервалы преобладания какой-либо одной полярности получили название геомагнитных эпох, и части из них присвоены имена выдающихся геомагнитологов Брюнесса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. В пределах эпох выделяются меньшие по длительности интервалы той или иной полярности, называемые геомагнитными эпизодами. Наиболее эффектно выявление интервалов прямой и обратной полярности геомагнитного поля было проведено для молодых в геологическом смысле лавовых потоков в Исландии, Эфиопии и других местах. Недостаток этих исследований заключается в том, что процесс излияния лав был прерывистым процессом, поэтому вполне возможен пропуск какого-либо магнитного эпизода.

Задача №6. Что такое инверсия магнитного поля? Когда произойдёт очередная инверсия магнитного поля Земли?

Инверсия магнитного поля — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом). При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования Homo sapiens. Предположительно, последний раз оно произошло 780 тысяч лет назад. Инверсии магнитного поля происходят через интервалы времени от десятков тысяч лет, до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. Таким образом не обнаружено никакой периодичности в смене полюсов, и этот процесс считается стохастическим. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать периоды многократных инверсий с различной длительностью и наоборот. Некоторые исследователи полагают, что во время инверсий магнитосфера Земли ослабевала настолько, что космическое излучение могло достигать поверхности Земли, поэтому это явление могло наносить вред живым организмам на планете, а очередная смена полюсов может привести к ещё более серьёзным последствиям для человечества вплоть до глобальной катастрофы.

Задача №7. Имеются ли магнитные полюса у Солнца и других планет Солнечной системы?

Магнитные поля присутствуют, по-видимому, на всех звёздах. Впервые магнитное поле было обнаружено на ближайшей к нам звезде - Солнце - в 1908 г. американским астрономом Дж. Хейлом, измерившим зеемановское расщепление спектровых линий в солнечных пятнах (см. Зеемана эффект). Согласно современным измерениям, макс. напряжённость магнитного поля пятен 4000 Э. Поле в пятнах есть проявление общего азимутального магн. поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в Северном и Южном полушариях Солнца. Магн. поле Солнца не остается неизменным. Осесимметричное крупномасштабное поле квазипериодически изменяется с периодом прибл. 22 года (Солнечный цикл). При этом каждые 11 лет происходят обращение дипольной составляющей и смена направления азимутального поля. Неосесимметричная секторная составляющая поля изменяется прибл. с периодом обращения Солнца вокруг своей оси. Мелкомасштабные магн. поля изменяются нерегулярно, хаотически.

Магнитное поле Меркурия было открыто космическим аппаратом «Маринер-10». Дипольное поле вблизи поверхности оказалось примерно в 100 раз слабее земного. В результате вокруг Меркурия существует магнитосфера, качественно подобная земной, но уменьшенная во много раз. В ней установлен факт ускорения частиц. В подсолнечной точке магнитопауза удалена всего на 1500 км от поверхности. Таким образом, в отличие от Луны Меркурий сохранил, видимо, жидкое ядро со слабым динамо-процессом в нем, связанным, возможно, с прецессией осей вращения планеты.

Венера, которую за подобие с Землей по размерам и массе часто называли планетой-близнецом или сестрой Земли, показала практически полное отсутствие магнитного поля. Измерения проведены на автоматических станциях «Венера-4», «Пионер-Венера» и искусственных спутниках планеты «Венера-9» и «Венера-10». Поле на экваторе не превышает 10—15 у. Но и такое поле является не собственным, а наведенным — оно возникает вследствие взаимодействия солнечной плазмы с ионосферой Венеры. Частицы солнечного ветра тормозятся в верхней атмосфере (ионосфере) планеты на высотах 450—600 км над ее поверхностью и обтекают атмосферу с образованием ударной волны. Ток, текущий вдоль поверхности ударного фронта, и создает наведенное магнитное поле Венеры. Собственное поле не превышает 3y, т. е. по крайней мере в 10 000 раз слабее земного. Отсутствие собственного поля планеты с заведомо горячим расплавленным ядром связано, видимо, с очень медленным вращением Венеры.

Автоматические станции «Марс-2, 3, 5» обнаружили на Марсе заметно большее, чем у Венеры, магнитное поле; 30—60 у у экватора, Это поле существует, несмотря на значительно меньшие размеры планеты и поэтому более холодное ядро. Геометрия поля близка к дипольной. Ось магнитного диполя наклонена к оси вращения на угол ~15°. Северный полюс диполя расположен в южном полушарии на долготе ~270°. В полярных областях на магнитных широтах 40° поле сносится солнечным ветром в магнитный шлейф (хвост магнитосферы), который на ночной стороне прослежен до расстояния 26 000 км. В приэкваториальной зоне с дневной стороны существует магнитосфера, вращающаяся вместе с планетой.

Юпитер обладает самым большим магнитным полем из всех планет Солнечной системы. Поле близко к дипольному с магнитным моментом, примерно в 104 раз большим, чем у Земли. Магнитный диполь наклонен на угол 9°,5 к оси вращения планеты и сдвинут относительно оси вращения примерно на 0,2 радиуса планеты и относительно центра примерно на 0,1 ее радиуса к северу. В результате максимальная магнитная индукция у северного полюса равна 1,44 мТл (14,4 Гс), а у южного только 1,08 мТл (10,8 Гс). У экватора она составляет в среднем 0,42 мТл (4,2 Гс). В противоположность Земле у Юпитера северный и южный магнитные полюса расположены соответственно в северном и южном полушариях планеты, т. е. магнитный диполь Юпитера как бы перевернут относительно земного.

У Урана и Нептуна можно также ожидать умеренные магнитные поля, но их существование пока не подтверждено. Сведения об этих планетах пока очень скудны. Весьма неопределенны (с точностью до 1,5—2 раз) даже их периоды вращения. Радиусы жидких электропроводных ядер также неизвестны, так как согласно моделям их внутреннего строения ядра состоят в основном из более тяжелых соединений, чем водород, условия металлизации которых определить гораздо сложнее.

Последняя планета — Плутон представляет маленькое тело размером в несколько тысяч километров, но с очень близко расположенным (около 20 000 км) спутником Хароном соизмеримых с ним размеров. О магнитном поле Плутона и Харона пока ничего не известно. Скорее всего оно отсутствует.

Задача №8. Как рассчитать аномальное магнитное поле?

Аномальное магнитное поле существует благодаря намагниченности земной коры по всей ее толщине (~ 40 км), а нижележащие горные породы уже немагнитные. Поэтому среди физических полей континентов и океанов аномальное магнитное поле одно из наиболее информативных для изучения внутреннего строения земной коры. Среднее его значение ~ 200 нТл, а в крупных магнитных аномалиях поля превышают 1000 нТл (например, в Курской магнитной аномалии 10³—10⁴ нТл). Для его исследования нужен богатый экспериментальный материал, получаемый во время наземных, аэромагнитных и спутниковых съемок. При аэромагнитных съемках из-за недостаточной высоты полетов (0,5—3 км) поверхностные источники магнитных полей подавляют сигналы, идущие из глубинных областей коры. К тому же съемки проводятся на ограниченных площадях, на неодинаковых уровнях и в разное время. Увязать все эти данные и получить региональную карту, отображающую поля глубинных источников, трудно, если вообще возможно. Ведь аномальное магнитное поле не стационарно, к тому же оно имеет еще и так называемый вековой ход.

Задача №9. В сосуде с жидкостью плотностью ρ_ж помещен шарик плотностью ρ_ш. Определить положение, которое займет шарик массой m при вращении сосуда с жидкостью вокруг оси О – О с угловой скоростью ω, если ρ_ш<ρ_ж; ρ_ш=ρ_ж; ρ_ш>ρ_ж.

1. ρ_ш<ρ_ж: поскольку шарик легче жидкости, то он будет плавать на ее поверхности. При вращении сосуда с жидкостью он будет стремиться к оси вращения с ускорением a=ρ_ж/ρ_ш ω^2, так как F_(2)будет больше F_1 (например: все плавающие в водовороте предметы затягиваются в осевую часть воронки).

2. ρ_ш=ρ_ж: при равенстве плотностей жидкости и шарика, последний останется при вращении сосуда с жидкостью там, где мы его поместим, так как F_1=F_(2).

3. ρ_ш>ρ_ж: в этом случае F_1 будет больше F_(2)и шарик (по принципу центрифуги) будет прижиматься к стенке сосуда.