Для уточнения влияния гравитации на человеческий организм необходимо определить гравитационный потенциал материальной точки.
Как отмечалось выше, две материальные точки притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Выберем систему координат так, чтобы одна из материальных точек оказалась в начале этой системы. Тогда другая материальная точка будет иметь радиус-вектор r. Вектор напряженности гравитационного поля в точке с радиус-вектором r равен силе, которая действует на материальную точку с массой, равной единице. Вектор этой силы можно изобразить следующим образом F = -Gmr/r3, где G – гравитационная постоянная.
 (1.7)
Формулу (1.6) еще называют как закон обратных квадратов.
Обладая тяжестью (по-английски gravity), пробное тело (организм человека) взаимодействует с опорой (Земля). Первое давит на опору, второе дает отклик в виде реакции опоры. Эти две силы разной физической природы. Первая имеет гравитационное происхождение, а вторая – электромагнитное (упругая сила). Если бы тело находилось в покое, то обе силы были бы равны и противоположны по направлению. Однако любое тело, неподвижное относительно поверхности Земли, движется с ускорением, так как совершает вместе с Землей суточное вращение. По этой причине сумма сил, действующих на тело, не равна нулю. Результирующая этих сил направлена в сторону оси вращения и равна F = Rω2cosφ (1.8), где R – радиус Земли в сферическом приближении, ω – угловая скорость вращения, φ – геоцентрическая широта пробного тела.
Подчеркнем, что никакой физической природы центробежная сила не имеет.
Применим приведенные выше гравитационные закономерности, характерные для идеального шара, к определению гравитационных параметров Земли.
Экваториальный радиус Земли равен 6378,245 км, полярный радиус – 6356,863 км, полярное сжатие – 1/298,25. Объем Земли составляет 1,083 • 1012 км3, а масса – 6 · 1027 г. Ускорение силы тяжести на полюсе 983 см/с2, на экваторе 978 см/с2. Площадь поверхности Земли около 510 млн. км2, из которых 70,8% представляет Мировой океан и 29,2% – суша. В распределении океанов и материков наблюдается определенная дисимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61 и 39%, в Южном – 81 и 19%. Фигура Земли в первом приближении представляет собой эллипсоид вращения, у которого экваториальный радиус (а) больше полярного (b) на 21389 км. Отсюда полярное сжатие земного эллипсоида составляет:
 (1.9).
Это различие в длинах радиуса обусловливает современное изменение силы тяжести от полюса до экватора на величину 1,6 гал. Отношение центробежной силы Р к силе тяготения F называют геодинамической постоянной q:
 (1.10).
Оно показывает, что сила тяжести на поверхности Земли определяется главным образом притяжением ее массы, а вклад центробежного ускорения составляет всего 0,5%. Тем не менее эта величина действует на протяжении длительного времени, играет исключительно важную роль в дифференциации земного вещества, динамике водных и воздушных масс. Изменение силы Р по широте и сжатие Земли совместно определяют нормальное изменение поля силы тяжести у Земли.
Представляя фигуру Земли эллипсоидом вращения и вводя понятие геоида, мы предполагаем, что масса Земли сложена однородным по плотности веществом. При этом изменение силы тяжести на поверхности Земли должно быть обусловлено лишь изменением по широте потенциала центробежной силы и различием в экваториальном и полярном радиусах. Однако в реальных условиях характер изменения силы тяжести отличается от теоретического нормального распределения, рассчитанного для поверхности однородного геоида, или эллипсоида. Такого рода отклонения силы тяжести от нормальной величины вызваны неоднородным распределением плотностей в теле Земли и, особенно, в верхних ее частях, назовем их аномалиями силы тяжести.
Разность между наблюдаемым значением ускорения силы тяжести g и нормальной величиной 0, полученной по международной формуле, называется аномалией силы тяжести g: g = g – 0.
Аномалии силы тяжести создаются главным образом неоднородным распределением плотностей в земной коре и верхней мантии. Однако, чтобы выявить эту неоднородность, простого вычитания из полученной в результате наблюдения силы тяжести нормальной составляющей оказывается недостаточно. Дело в том, что величина силы тяжести зависит от целого ряда факторов, и в первую очередь от географической широты и высоты места (относительно уровня моря), рельефа окружающей местности, характера плотностных неоднородностей в верхних слоях Земли под точкой наблюдения и т.д.
При изменении высоты места воздействия силы тяжести, ее значение изменяется. Вертикальный градиент силы тяжести составляет приблизительно g/h = 300 мкГал/м. Заметим, что 1 мкГал составляет приблизительно 10-9g. Изменение высоты всего на 1 мм, вызывает изменение силы тяжести на 0,3 мкГал.
Для исключения влияния других факторов в значение g вводят поправки или, как их еще называют, редукции. Название редукции определяет название аномалии силы тяжести.
Гравитационные аномалии на Земле, как правило, меньше 100 мГал, их среднеквадратическая вариация по Земле составляет величину около 20 мГал. Следовательно, гравитационное поле Земли достаточно гладкое. Для экстремальных условий (островные дуги, глубоководные впадины) гравитационные аномалии достигают величины 400 мГал, что в 12,5 раза меньше разницы в значениях силы тяжести на полюсе и экваторе и составляют всего 0,04% от величины силы тяжести.
Существование гравитационных аномалий в земной коре, под дном океана, равно как и на суше, подтверждается в ряде случаев плотностными неоднородностями горных пород. Чем значительнее эти неоднородности, тем лучше они отражаются в аномальном гравитационном поле. Большое значение имеют также размеры и форма аномалиеобразующего тела.
Таким образом, аномальное гравитационное поле Земли отражает суммарное действие гравитирующих масс, расположенных на различных глубинах в земной коре и верхней мантии.
К физическим факторам, оказывающим гравитационное влияние, следует отнести еще одно интересное явление, возникающее под действием взаимного гравитационного притяжения планеты и обращающегося вокруг нее спутника. Внешним проявлением на Земле этого явления являются приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды поднимается и опускается дважды в сутки. Это объясняется притяжением Луны между двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей оси быстрей, чем Луна совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50 мин.
В ходе вращения Земли приливные волны дважды в сутки обходят ее поверхность. Высота прилива в океане не превышает 1 – 2 м. Однако, когда приливная волна подходит к шельфовому мелководью, она возрастает до нескольких метров. Волны прилива наблюдаются и в твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения Луны и Солнца. На Луне аналогичный приливной горб, направленный в сторону Земли, будет равен 13 м.
В массовом отношении полученный гравитационный эффект равен g/g 0,2/106, т.е. масса в 1 т (106 г) изменяется в результате лунно-солнечного притяжения на 0,2 г. На первый взгляд это незначительная величина, однако если сравнить ее с массой всей Земли, перисферы или гидросферы, наиболее подверженных приливным возмущениям, то получаются внушительные цифры: изменение массы Земли составит 11,9481020 г (Мз = 5,9741027 г), перисферы – 1018 г (Мп = 91025 г), гидросферы – 3,31017 г (Мг = 1,641024 г). Если учесть, что эти гигантские массы смещаются в теле Земли регулярно, периодически, на протяжении многих миллионов лет, то становится более понятной роль гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца в эволюции протовещества планеты и поддержании жизни на Земле.
Фронтами зон прилива являются 35 с.ш. и 3516´ ю.ш. Максимальная амплитуда достигается на полюсах. Поскольку склонение Луны изменяется с периодом 27,321 средних звездных суток, период зонального прилива составляет 14 суток. Зональный прилив во многом определяет сжатие Земли. Перераспределение масс на полюсах и экваторе (прилив на полюсах ведет к образованию отлива на экваторе) приводит к изменению экваториального и полярного моментов инерции, что вызывает изменение главного момента инерции и периодические колебания скорости вращения Земли.
В результате вращения узлов лунной орбиты с периодом Т0 = 18,613 года образуется дополнительная волна прилива, амплитуда которой сравнима с амплитудой месячного прилива. Сложение ее с главной волной зонального прилива приводит к настолько сильному перераспределению масс в теле Земли и перисфере, что это находит выражение в периодичности землетрясений и вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. В частности, прогноз 19-летних циклов составляет до 94 % для сильных землетрясений с магнитудой М 7 и глубиной очагов 0 – 600 км, а также для мощного вулканизма. Кроме перечисленных приливных волн имеются аналогичные им солнечные приливные волны несколько меньшей амплитуды, которые, складываясь с лунными, усиливают их.
Гармонический анализ только месячной серии приливных наблюдений позволяет выделить еще целый ряд волн. В частности, по разложению Дудсона получается 115 секториальных полусуточных, 158 тессеральных суточных, 99 зональных долгопериодных и 14 секториальных третьесуточных волн. Взаимодействие всех этих фаз приводит к сложнейшим взаимным перемещениям возмущенных масс вещества в теле Земли и на поверхности.
Подчиняясь законам механики, Луна отдаляется от Земли со скоростью 3 см в год, двигаясь по спирали. Если предположить, что скорость "убегания" Луны от Земли за последние миллиарды лет сохранилась, то 1,5 млрд. лет назад Луна была в 10 раз ближе, а приливной эффект от нее в 1000 раз сильнее! Конечно, такие оценки слишком грубые, необходимо применять более строгую теорию эволюции системы Земля – Луна. [61]
На сегодняшний день существует ряд методик определения возмущающих гравитационных сил планет, направленных на взаимодействие с проходящим на относительно небольших расстояниях от них веществом (свет, спутники), а так же по видимым неравенствам в движении спутника. Сейчас построено достаточно много моделей гравитационного поля Земли разной детальности и точности.
В большей степени гравитационную природу имеют землетрясения, являющиеся источником сейсмических волн
Очаги землетрясений, как правило, лежат глубоко под землей. Обыкновенные землетрясения имеют очаги не глубже 70 км, очаги промежуточных землетрясений расположены от 70 до 300 км, а глубокие землетрясения имеют очаги от 300 до 700 км.
По интенсивности землетрясения оценивают по 12-балльной шкале Рихтера. Землетрясения интенсивностью в 1 балл могут отметить только приборы, а 12 баллов расценивается как катастрофа, которая сопровождается разрушением сооружений, изменением русел рек и т.п.
Самая мощная атомная бомба, которая испытывалась в Советском Союзе, имела эквивалентный заряд 57 мегатонн. Магнитуда землетрясения, соответствующая взрыву такой бомбы, будет равна 8,4 балла, что больше мощности Чилийского землетрясения 1960 года, магнитуда которого была 8,3 балла.
Сильное землетрясение порождает объемные волны, которые пронизывают тело планеты, как бы освещая его изнутри. Подобно лучу света сейсмический луч подчиняется законам оптической оптики, законам отражения и преломления. Наряду с этим Земля, как и любое упругое тело, после удара, подобно колоколу, совершает колебания.
Главная трудность – наблюдение таких низкочастотных колебаний. Как известно, ускорения, вызванные вертикальными колебаниями грунта, пропорциональны квадрату частоты и колебания с периодом несколько десятков минут, практически недоступны современным сейсмографам.
Впервые собственные колебания Земли были обнаружены в 1952 году после землетрясения на Камчатке, их период составлял 57 мин.
Длины поверхностных волн обоих типов составляют от десятков метров до сотен километров. При особо сильных землетрясениях поверхностные волны могут несколько раз обежать вокруг Земного шара.
Поскольку Земля имеет неоднородное строение, то и собственные колебания имеют достаточно богатый спектр.
Нужно отметить, что гравитационные силы, как физиовоздействие, не воспринимаются человеческими органами чувств, но влияют на функционирование систем и органов организма человека, поскольку сам организм имеет в своей структуре комплекс химических элементов и веществ, аналогичных химическим элементам и веществам, входящим в состав земной коры, а так же системы и механизмы, существующие в неустойчивом равновесии по отношению к влиянию этих веществ.
|
