Следующий раздел: Алфавитный индекс Выше по контексту: Проект Краткая Энциклопедия Физика (Вопросы Предыдущий раздел: 10. Тепловые фантазии и прочие   Алфавитный индекс

Разделы

11. Земля -- наша колыбель


11.1 Ядро Земли

Вопрос: Почему, несмотря на очень большую температуру, ядро Земли находится в твердом состоянии?

Ответ: Согласно геофизическим данным, ядро Земли состоит из трех слоев.

Внешний слой (на глубинах 2920 - 4980 км объемом 15,16% и массой 29,8% всей Земли) пропускает продольные, но не поперечные сейсмические волны. По этой причине считается, что этот слой находится в расплавленно-жидком состоянии. Об этом же свидетельствуют данные: о приливных колебаниях внутри Земли (если бы вся Земля была твердой, то приливные колебания на ее поверхности были бы слабее фактически наблюдаемых); о нутационных колебаниях земной оси с периодом около суток (которые без жидкого ядра были бы невозможными); о так называемых чандлеровских колебаниях полюсов (т.е. колебаниях Земли в целом относительно ее оси вращения) с периодом около 1,2 года.

Переходный слой между внешним и внутренним ядром имеет толщину около 140 км. Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, объем около 0,7% и массу около 1,2% всей Земли. Продольные сейсмические волны проходят через него с большими скоростями, по сведениям последних лет $ c_p=11,1--11,4$ км/с. В то же время данные об отражениях продольных волн от поверхности внутренней части ядра, а также регистрация сейсмических волн Аляскинского землетрясения 1964 г. показывают, что через нее проходят и поперечные волны (имея здесь довольно малые скорости $ c_p\sim 3,6$ км/с); по этим данным внутренняя часть ядра является твердым телом, по видимому, близким к плавлению.


Литература: А.С.Монин ``Популярная история Земли'', М., Наука, 1980.

То, что внутренняя часть ядра, несмотря на высокую температуру, является твердой, объясняется высоким давлением в недрах Земли: с ростом давления растет температура плавления. Например, для железа температура плавления увеличивается на 0,03 $ {}^{\circ}$С при увеличении давления на 10 атм. Оценим, при какой температуре будет плавиться железо в центре Земли. Если бы она была жидкой, то давление в недрах составляло бы более $ 10^5$ атм. Это увеличит температуру плавления более, чем на 3000 $ {}^{\circ}$С. Температура же в ядре Земли оценивается в 3000 - 4000 К.


Литература: А.В.Бялко ``Наша планета -- Земля'', Библиотечка ``Квант'' выпуск 29, М., Наука, 1989, стр.88-95.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru


11.2 Землетрясение

Вопрос: Как возникают землетрясения?

Ответ: Сейсмичность, т.е. способность космического тела посредством землетрясения (лунотрясения и т.п.) ``разряжаться'' и ``сбрасывать'' накопленную упругую энергию, по видимому, общее свойство для планет земной группы и больших спутников. Однако, если обратиться к карте землетрясений, видно, что если это и общеземное свойство, то проявляется оно далеко не равномерно на Земле. На нашей планете сейсмичность проявляется не повсеместно, а сосредоточена в окрестности Тихого океана и существенно меньше в нескольких других выделенных районах, как на континентах, так и в океанах. Обычно это либо ослабленные, либо наиболее напряженные зоны литосферы. Глубины землетрясений варьируют от 5 до 700 км.

Известен ряд корреляций, связывающих сейсмичность с параметрами Земли: высотой геоида, скоростью вращения Земли, магнитным полем и т. д. Рассматривать сейсмичность Земли можно только вместе с ее моделью образования, эволюции и внутреннего устройства. Научные основы сейсмологии как науки о физике землетрясений были заложены после того, как Ч.Ф.Рихтером для сравнения одного землетрясения с другим была предложена шкала магнитуд. (Магнитуда -- относительная величина.) Шкала определяет стандартное землетрясение и оценивает другие землетрясения по их максимальным амплитудам относительно этого стандартного масштаба при идентичных условиях наблюдения.

Магнитуда землетрясения $ M$ по определению Рихтера:

$\displaystyle M = \lg (A/A_0),$

где $ A_0$ и $ A$ -- максимальные амплитуды записи на определенном сейсмографе для стандартного и измеряемого события соответственно.

Магнитуда связана с энергией землетрясения. Изменение магнитуды на единицу эквивалентно повышению (понижению) энергии землетрясения в 32 раза. К примеру, магнитуда $ M = 8,0$ соответствует $ E = 6,3\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}10^{23}$ эрг; $ M = 7,0$; $ E = 2,0\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}10^{22}$ эрг и т.д.

Гутенберг и Рихтер установили закон повторяемости землетрясений. Число мелкофокусных землетрясений ($ h<50$км) в год зависит от магнитуды в соответствии с формулой

$\displaystyle \lg \Delta N = -0,48+0,90(8-M),$

где $ \Delta N$ -- число землетрясений в год в интервале $ \Delta M = 0,1M$. Смысл закона повторяемости землетрясений состоит в том, что землетрясения с высокой энергией происходят на Земле сравнительно редко, с меньшей -- чаще, с еще меньшей -- еще чаще. Средняя годовая энергия землетрясений в целом по Земле приходится в основном на землетрясения с магнитудой более 7.

Один из важнейших вопросов сейсмологии заключается в выяснении природы механизма землетрясения, т.е. физики процессов в его очаге. Несмотря на то, что этот вопрос стоит перед исследователями не один десяток лет, современные представления базируются, тем не менее, на идеях, заложенных 80 лет назад Дж.Рейдом.

Суть теории Рейда состоит в накоплении упругих деформаций при постепенном нарастании перемещения блоков, образовании разрыва и резкого смещения сторон разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформации. Разрыв, трещина, собственно очаг землетрясения, по Рейду, могут либо выходить на поверхность -- и тогда мы наблюдаем сильное землетрясение, либо находиться под ней -- во всех случаях слабых землетрясений. Несмотря на неоднократные попытки критики этих положений, другие известные модели очага землетрясения недалеко ``ушли'' от модели Рейда, ничего принципиально нового в модели очага землетрясения так и не было сделано.

Возникает естественный вопрос: возможно, теория Рейда полностью удовлетворяет существующую сейсмологическую практику и не находит противоречия? В действительности это совсем не так. Рассмотрим возражения Ф.Стейси, обсуждающего одно из положений теории Рейда: напряжения на разломе линейно растут со временем и землетрясение происходит тогда, когда достигается определенный предел. Если принять, рассуждает Стейси, интервал времени между землетрясениями равным 100 годам, предел напряжения перед землетрясением порядка $ 10^7$ дин/см$ {}^2$, то получается скорость роста напряжения $ 3\mathchar8705\nobreak\discretionary{}{\usefont{OMS}{cmsy}{m}{n}\char1}{}10^{-3}$ дин/ (см$ {}^2$ с), что в 1000 раз меньше скорости изменения напряжений при лунных приливах в земной коре 7 дин/ (см$ {}^2$ с). Тогда, казалось бы, лунный прилив должен абсолютно четко проявляться в периодичности появления землетрясений, чего в действительности не наблюдается.

Таким образом, фактический материал не допускает однозначного толкования наблюдаемых явлений. Гипотезы, описывающие очаг землетрясения, связывают излучение упругих волн с быстрой разгрузкой вследствие разрушения твердого тела в очаге.

Обратим внимание на следующие общепризнанные положения. Во-первых, сейсмическая энергия черпается за счет изменения упругой энергии сдвига в очаге. Во-вторых, очаг землетрясения достаточно локализован, и энергия излучаемых волн пропорциональна объему очага. (Некоторое различие величин накопленной энергии в единице объема для разных по глубине и протяженности очагов не имеют принципиального значения, учитывая огромный диапазон изменения энергий землетрясений.) В-третьих, повторяемость землетрясений свидетельствует об установившемся или квазиустановившемся процессе деформирования.


Литература: Л.В.Тарасов ``Физика в природе'', М., Просвещение, 1988, глава 17, В.Н.Родионов, И.А.Сизов, В.М.Цветков ``Основы геомеханики'', М., Недра, 1986, В.В.Кузнецов ``Физика земных катастрофических явлений'', Новосибирск, ``Наука'', 1992.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru



E.M.Baldin@inp.nsk.su
23 Января 2000