big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Земные приливы

Под действием Луны и Солнца Земля деформируется, так как силы притяжения, действующие от этих светил на различные элементарные части Земли, различны. Разность между силой тяготения на единичную массу в некоторой точке Земли и в ее центре тяжести называется приливной силой.

Приливные силы стремятся растянуть Землю в направлении приливообразующего светила и сжать ее в перпендикулярных направлениях. Образующаяся под действием приливных сил приливная деформация Земли при вращении Земли вокруг своей оси распространяется внутри Земли как упругая приливная волна. Внешняя поверхность Земли при этом также деформируется. В каждом пункте земной поверхности под действием приливных сил происходят почти периодические изменения его высоты, изменения силы тяжести, а также наклонов поверхностных слоев к линии отвеса, которая колеблется под действием этих сил. Поверхностные слои Земли, как и все ее части, претерпевают периодические сжатия и растяжения, а также небольшие смещения. Любой кусок, вырезанный мысленно в теле Земли, испытывает при этом изменения своей формы и объема. Величины таких изменений, наблюдаемых у поверхности, зависят от внутреннего строения Земли — от распределения плотностей и упругих свойств материала Земли во всей ее толще от центра до поверхности. Поэтому измерения различного рода приливных деформаций дают дополнительные сведения о внутреннем строении Земли. Возможность использования наблюдений, связанных с земными приливами, для изучения внутреннего строения Земли была понята еще В. Томсоном (Кельвином) почти сто лет назад и затем развивалась в работах Д. Дарвина (1879), Г. Херглотца (1905), A. Лява (1909—1911 гг.), А. Пуанкаре (1910), В. Швейдара (1916), Г. Джеффриса и X. Такеучи (1950), а в нашей стране в работах Л. С. Лейбензона (1910), А. Я. Орлова (1915) и М. С. Молоденского (1953, 1961).

Все основные наблюдаемые приливные эффекты могут быть выражены через три постоянных: h и k, введенных А. Лява, и I, введенную B. Ламбертом и Г. Сида. Постоянная h показывает, во сколько раз уменьшаются вследствие жесткости Земли амплитуды приливных поднятий поверхности Земли по сравнению с амплитудой, какую имела бы поверхность воображаемого легкого океана, покрывающего всю Землю, считаемую абсолютно твердой, т. е. по сравнению с амплитудой вертикальных смещений уровенной поверхности потенциала приливообразующих сил. Приливные колебания поверхности почвы на экваторе могут достигать немногим более 50 см. Значение к показывает, на какую долю изменяется потенциал приливообразующих сил из-за приливной деформации Земли; наконец, I — это отношение действительных горизонтальных смещений к тем смещениям, которые равны изменениям координат точки, соответствующим приливному изменению направления отвеса под действием прямого воздействия Луны и Солнца. Наблюдения над приливными изменениями силы тяжести позволяют определить величину δ, а наблюдения над приливными изменениями наклонов почвы относительно вертикали дают величину γ.

Число I можно получить либо из астрономических наблюдений над приливными колебаниями отвеса (широты) через комбинацию А = 1 +  к I, либо с помощью горизонтальных или объемных деформографов, хотя эти определения делаются пока с малой относительной точностью, что и естественно, так как приливные колебания отвеса для основной полусуточной волны M2* достигают амплитуды всего в 0",01.

Таким образом, использование приливных деформаций Земли для изучения ее внутреннего строения упиралось в две трудные задачи: с одной стороны, в получение наиболее точных значений чисел Лява h и к из наблюдений с помощью гравиметров (δ) и наклономеров (γ), а с другой — в теоретических расчетах этих величин для различных моделей внутреннего строения Земли.

До 20-х годов текущего столетия теоретические работы по изучению связи между земными приливами и внутренним строением Земли ограничивались рассмотрением упрощенных гипотетических моделей Земли, из-за отсутствия, с одной стороны, сейсмических данных, а с другой — из-за невозможности строгого аналитического решения сложных уравнений теории упругости для неоднородных моделей Земли. Числовые методы решения в те времена были не в моде. После большого затишья с начала 50-х годов вновь интенсифицируется теоретическая работа по земным приливам и по теории нутаций земной оси. X. Такеучи в 1950 г. и независимо М. С. Молоденским в 1953 г. рассчитываются приливные деформации для сложных моделей Земли. Более полно статическая теория приливов рассмотрена М. С. Молоденским. Им заново исследована теория для общего случая двухсоставной Земли с неоднородными как по плотности, так и по упругим свойствам, сжимаемыми оболочкой и ядром Земли. Рассчитаны числа Лява для 16 различных моделей внутреннего строения Земли с использованием современных сейсмических данных. Им показано, насколько сильно зависят наблюдаемые величины от твердости ядра Земли или значения модуля сдвига µ для его вещества. Так, при абсолютно твердом ядре = ∞) h = 0,124. Это число растет монотонно до значения 0,619 для жидкого ядра (µ = 0) при одном и том же строении оболочки. В теории М. С. Молоденского показано, как мало отношение k/h зависит от внутреннего строения; рассчитано влияние степени неоднородности ядра Земли и его размеров на числа Лява; получена интерполяционная формула для вычисления числа к в зависимости от значения модуля сдвига в ядре.

Позднее М. С. Молоденский (1961) методом, отличным от приближенного метода английских ученых Г. Джеффриса и Р. Вицента (1957), разработал новую объединенную теорию нутаций земной оси и приливных деформаций Земли с учетом инерционных членов и динамического воздействия жидкого ядра на оболочку. Им был вычислен точный период свободной суточной нутации Земли, возможность существования которой была теоретически открыта еще в 1895 г. независимо Ф. А. Слудским и С. Хафом. Числовые расчеты, сделанные для модели строения Земли с твердым вторым ядром внутри основного жидкого ядра, определили период этой суточной нутации. Он оказался на 7 мин 2 сек короче средних суток.

Суточная нутация именно с этим периодом и была обнаружена впервые Н. А. Поповым в 1963 г. при исследовании длинного ряда широтных наблюдений по двум зенитным звездам в Полтаве. Г. Джеффрисом и Р. Вицентом для более схематических моделей земного ядра были получены значительно отличающиеся периоды суточной нутации.

При изучении земных приливов наличие этой суточной нутации существенно потому, что между суточными земными приливами, возбуждаемыми Луной и Солнцем, и свободной собственной суточной нутацией Земли имеется явление резонанса. Это вызвано тем, что суточные приливы так распределяются на Земле, что приводят к небольшому нутационному движению оси симметрии Земли. Расчеты М. С. Молоденского показали, что в его новой динамической теории приливов для последней модели Земли 1961 г. значения фактора δ1, полученного для суточной приливной вюлньг К1 с периодом в звездные сутки, должно быть на 2% меньше, чем для суточной приливной волны O1 с периодом в 25 час 49 мин, для которой влияние резонанса уже почти не ощутимо.

Длительные наблюдения приливных изменений силы тяжести в Ташкенте, Фрунзе и Талгаре (близ Алма-Аты), проведенные Институтом физики Земли АН СССР за последние пять лет, показали, что числовое различие δ(K1) и δ1) находится в полном согласии с теорией М. С. Молоденского. При сравнительно небольшом повышении точности гравиметрических измерений можно будет использовать наблюдаемое значение этой разности для уточнения внутреннего строения Земли, тем более что эта разность зависит от сжатия жидкого (основного) ядра Земли.

Одно из двух первых измерений приливных наклонов было проведено в 1893 — 1895 гг. в России, в Николаеве, директором этой обсерватории И. Е. Кортацци с помощью горизонтальных маятников Ребер-Пашвица. Было получено значение γ = 0,58, хотя метод обработки наблюдений был еще весьма несовершенен. С 1906 г. А. Я. Орлов начал фундаментальные работы по изучению земных приливов, сперва теоретические, а с 1909 г. и экспериментальные по измерению приливных колебаний наклонов земной поверхности относительно вертикали с помощью горизонтальных маятников системы Цельнера — Репсольда — Левицкого. В 1909—1911 г. А. Я. Орловым получены значения γ в Юрьеве (Тарту) и затем в Томске (работы впоследствии продолжались В. К. Абольдом и Н. Н. Горячевым); им же обработаны наблюдения О. Геккера, сделанные в Потсдаме. Уже из сравнения значений Y» определенных в этих трех пунктах, выяснилось большое различие у как между пунктами, так и между величинами: γп, полученной для направления север—юг, и γе, полученной по наклонам в направлении восток — запад.

Таким образом, в России до Октябрьской революции существовало только три пункта (Николаев, Юрьев и Томск), в которых были определены приливные изменения наклонов. Приливные изменения силы тяжести еще совсем не наблюдались, да и за рубежом были сделаны только первые опыты в этом направлении в 1913 г. в Потсдаме В. Швейдаром. В 1915 г. А. Я. Орлов жаловался на трудности научных исследований в царской России: «Важные научные предприятия гибнут у нас вместе с их инициатором, они забываются, а если и получают свое дальнейшее развитие, то уже за границей». Это отражало истинное положение дел, поскольку научная работа в ряде областей проводилась тогда отдельными учеными, а не коллективами.

После 1917 г. изучение земных приливов продолжалось А. Я. Орловым и его учениками. Были продолжены наблюдения в Томске, окончательно обработанные в 1951 г. 3. Н. Аксентьевой. Она же провела анализ приливов в оз. Байкал, позволивший также определить значение γ. В 1929 г. А. Я. Орлов организовал специальную гравиметрическую обсерваторию в Полтаве, где велись длинные ряды наклономерных наблюдений, наблюдений над движением полюсов Земли, а впоследствии и гравиметрические наблюдения. Эта станция стала теперь одним из главных научных центров по изучению земных приливов в СССР. В 1935 г. в Сейсмологическом институте Академии наук СССР была организована гравиметрическая лаборатория под руководством А. А. Михайлова,

Спектры приливных изменений силы тяжести в области полусуточных приливов в Талгаре

основным направлением которой было изучение изменений силы тяжести во времени. В этой лаборатории начал теоретические работы по земным приливам М. С. Молоденский. Впоследствии из этой лаборатории был образован отдел внутреннего строения Земли Геофизического института, преобразованный затем в Институт физики Земли имени О. Ю. Шмидта.

В этом отделе, руководимом после ухода А. А. Михайлова на пост директора Пулковской обсерватории сначала М. С. Молоденским, а затем Н. Н. Парийским, стали быстро развиваться работы по изучению земных приливов, как теоретические, так и экспериментальные. Институт физики Земли стал ведущим в области изучения земных приливов; с его помощью были организованы наблюдения над приливными деформациями Земли в академиях наук Туркменской ССР (Ашхабад), Таджикской ССР (Душанбе), Грузинской ССР (Тбилиси), Казахской ССР (Алма-Ата), в Татарской АССР (Астрономическая обсерватория имени Энгельгардта под Казанью), кроме того, своими силами Институт проводил наблюдения приливных деформаций в ряде пунктов СССР, а также в Центральном Китае (Ланчжоу), в Африке (Мали, г. Бомако) и в Чехословакии (Пржбрам, близ Праги). Взамен старых горизонтальных маятников Репсольда — Левицкого в Институте физики Земли А. Е. Островским была разработана новая модель маятников с дистанционной фотоэлектрической регистрацией, дающая более высокую точность и позволяющая определять значения амплитуд наклонов, происходящих от основной приливной волны М2, с точностью до 1% или около 0",00004. Уже более 20 комплектов этих вполне современных приборов работают в СССР.

С 50-х годов, в основном с начала Международного геофизического года, у нас стали определяться приливные изменения силы тяжести — значения фактора δ с помощью высокоточных современных гравиметров «Аскания» (ФРГ), наиболее распространенных сейчас в международной практике для изучения земных приливов. Эти гравиметры при длительных (около года) наблюдениях на одном пункте позволяют определять значение 6 или амплитуды основных приливных волн с точностью выше 0,5% или до 0,2 мкгл, что составляет 2∙10-10 от ускорения силы тяжести (Парийский, 1963). Для получения такой точности существенны и методы обработки и анализа наблюдений. Такие новые методы были разработаны в конце 50-х годов в Институте физики Земли Б. П. Перцевым. Они получили международное признание и распространение. Новые методы разработаны также в Полтавской гравиметрической обсерватории П. С. Матвеевым.

До 1917 г. в России были определены приливные наклоны всего в трех пунктах. В настоящее время, в основном за последнее десятилетие, в Советском Союзе приливные наклоны определены еще в четырнадцати пунктах и приливные изменения силы тяжести в десяти пунктах, из последних в восьми — Институтом физики Земли АН СССР. Изучение земных приливов за два последних десятилетия интенсивно стало развиваться и за рубежом, но наибольший вклад в измерения приливов дает сейчас Советский Союз.

Первоначальной задачей этих измерений было получение точных и представительных для всей Земли значений чисел Лява h и к с целью использования их для изучения внутреннего строения Земли. Однако наклономерные измерения приливных деформаций показали, что значения γ, полученные в разных районах, очень сильно отличаются друг от друга. Это различие достигает 30% от среднего. Так, для приливной волны М2 в Томске γе (О—W) = 0,46, а в Кандаре (близ Душанбе) γп (N-S) = 0,8. В скобках указаны направления: восток-запад, север-юг.

Для каждой приливной волны нормаль к земной поверхности описывает эллиптический конус относительно линии отвеса с периодом, определяющим эту волну. Для идеальной сферически симметричной Земли размеры и эллиптичность этого конуса зависят только от широты. Но в действительности оказалось, что ориентировка, размеры и сжатие соответствующих эллипсов меняются значительно от места к месту в зависимости от геологических условий, например от существующих разломов. И сейчас приливные измерения наклонов делаются не столько для получения средних значений у, сколько для изучения геологического строения земной коры — связи приливных деформаций наклонов с глубинными разломами и ее блоковой структурой. Только те пункты, в которых имеется нормальная ориентация и сжатие приливных эллипсов наклонов, можно использовать с большей надежностью для определения чисел Лява.

Существенно, что в СССР за последние годы развилось еще одно новое направление использования наклономерных наблюдений. Современные наклономеры А. Е. Островского настолько стабильны и чувствительны, что могут, кроме приливных наклонов, измерять одновременно систематические локальные изменения наклонов, если их величина порядка нескольких десятых секунды дуги в месяц. Поэтому они стали применяться для изучения современных движений и стабильности геологических структур вблизи проектируемых крупных гидроэлектрических сооружений.

Измерения приливных изменений силы тяжести показали значительно большую стабильность значения δ, нежели величин γ. Для наиболее надежных пунктов значения δ = 1 + h -3/2 ∙ к различаются в пределах от 1,14 до 1,20, т. е. в пределах 3% от средней величины для волны M2.

В основном благодаря работам, проведенным Институтом физики Земли АН СССР, удалось обнаружить систематическое различие в значениях приливных поднятий, полученных в Азии и в Европе. По наиболее надежным пунктам в Азии для прилива М2 δ = 1,147 ±0,002, а в Европе δ = 1,204 ± 0,004. Это различие не обнаруживает связи с геологическими структурами или толщиной земной коры и, возможно, указывает на глубинные горизонтальные неоднородности упругих свойств мантии Земли. Однако окончательное заключение может быть сделано только после учета влияния океанических приливов.

До последнего времени считалось, что приливы в открытых океанах, не превосходящие метра, оказывают незначительное влияние на земные приливы, наблюдаемые в пунктах, расположенных вдали от берегов, в глубине континентов. Точный расчет нельзя было сделать вследствие отсутствия данных о приливах на всей территории океанов. Но за последние десятилетия появились первые теоретически рассчитанные, хотя и приближенные, карты океанических приливов, дающие в каждой точке как амплитуды, так и фазы некоторых из приливных волн. Полные карты для наибольшего числа приливных волн составлены Институтом океанологии АН СССР для Тихого океана. Имея также карты приливов для основной лунной волны М2 в Атлантическом и Индийском океанах, можно было впервые попытаться учесть влияние океанических приливов на земные. Эта большая работа была в 1966 г. осуществлена в Институте физики Земли Б. П. Перцевым. Океанические приливы были разложены по сферическим функциям до 16-го порядка (289 членов) и учтено как прямое гравитационное влияние этих приливов на силу тяжести в ряде континентальных пунктов, так и косвенные влияния вследствие упругого прогиба или поднятия пункта наблюдений под влиянием давления океанических приливов и гравитационного действия деформаций Земли, вызванных приливными колебаниями водных масс. Неожиданно оказалось, что даже в Центральной Азии влияние водных приливов ощутимо на измеряемые изменения силы тяжести (δ) и наклоны (γ) для волны М2. При этом значения б для пунктов в Европейской и Азиатской части СССР после введения этих первых, еще приближенных поправок стали значительно ближе.

На основании работ советских ученых уже сейчас можно заключить, что среднее значение приливных изменений силы тяжести характеризуется фактором δ, близким к 1,16, а не 1,20, как считалось установленным лет десять назад. Эта разница весьма существенна для выбора среди различных моделей внутреннего строения Земли тех моделей, которые согласованы с общей массой Земли, ее моментом инерции и сейсмическими данными.

Уточнение чисел Лява, представительных для всей Земли, ведется в международном масштабе. Советский Союз является самым активным участником этих работ. Вся обработка наблюдений над приливами и теоретические расчеты могли вестись в современных масштабах только благодаря широкому применению быстродействующих электронно-вычислительных машин.

В последние годы в СССР начались и измерения приливных сжатий и растяжений поверхностных слоев Земли с помощью горизонтальных деформографов также под руководством Института физики Земли. Эти наблюдения, как и наклономерные, дают тоже ценные сведения о собственных колебаниях Земли, возникающих после катастрофических землетрясений. На этой основе делаются попытки поиска предвестников землетрясений.

Как теоретическое, так и экспериментальное изучение земных приливов в СССР за последние годы дало огромные результаты, но полный успех может быть достигнут только международными усилиями.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.