Притяжение земли
В наш космический век часто говорят о невесомости. Вспомним, что такое вес. Это — сила, с которой тело, притягиваясь к Земле, либо давит на опору, либо натягивает нить, на которой висит. Когда тело ничто не удерживает, оно свободно падает, вес исчезает — наступает невесомость. Вес может отсутствовать, но сила тяжести — никогда. И космический корабль, на котором господствует невесомость, всё равно притягивается Землёй — сила земного притяжения и удерживает его на орбите вокруг Земли.
Маятниковые часы стали первым прибором, который показал, что сила тяжести, равно как и ускорение свободного падения, на Земле не везде одинакова. В 1676 г. французский натуралист Жан Рише, переехав из Парижа (49° северной широты) в Кайенну — столицу Французской Гвианы, колониального владения в Южной Америке (5° северной широты, вблизи экватора), обнаружил, что его маятниковые часы отстают на две с половиной минуты в сутки. Чтобы они не отставали, маятник пришлось укоротить. По возвращении в Париж потребовалось вновь восстановить его первоначальную длину, чтобы часы не «бежали». Рише очень удивился тому, что у экватора маятниковые часы идут медленнее, чем в Париже. Французские академики осмеяли Рише и решили, что виновата тропическая жара. И напрасно. Этот случай лёг в основу сделанного позже вывода: ускорение свободного падения на экваторе и вблизи него меньше, чем на полюсах. По современным данным его значение на экваторе составляет 978 Гал, а на полюсах — 983 Гал. (Гал — единица измерения ускорения свободного падения, названная в честь Галилео Галилея; 1 Гал = 1см/с
2.) Причина этого в том, что Земля немного сплюснута у полюсов.
Всё, что обладает массой, должно испытывать действие гравитации. Оно передаётся через любые тела. Преград для всемирного тяготения не существует. Поэтому физики называют гравитационные силы дальнодействующими. Гравитация связывает все тела во Вселенной.
Правда, мы не ощущаем притяжения большинства тел. Даже сила притяжения самых высоких гор составляет тысячные доли процента от притяжения Земли. Сила взаимного притяжения двух человек, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга, составляет 0,02—0,03 мГал. Гравитационные силы слабы. Однако они многократно усиливаются, когда взаимно притягиваются такие огромные массы вещества, как планеты. Взаимное притяжение Луны и Земли имеет силу приблизительно 210
16 т.
Гениальный Ньютон описал гравитацию, но не смог найти объяснение действия этих сил. В настоящее время природа гравитации тоже неясна, хотя гипотез на этот счёт вполне достаточно. Ньютон же к гипотезам относился отрицательно, считая, что «гипотезам нет места в экспериментальной физике».
Закон всемирного тяготения стал основой гравиметрии — одного из методов современной геофизики, который сегодня способен обнаружить изменение силы тяжести менее чем на одну стомиллионную.
В гравиметрии маятник был первым инструментом, с помощью которого начали измерять силу тяжести. Впервые сила тяжести была измерена в начале XIX в. с помощью маятниковых приборов в Америке, на островах Атлантического и Тихого океанов. Российский учёный Фёдор Петрович Литке (1797—1882) сделал вывод о том, что неоднородности геологического строения земной коры влияют на силу тяжести.
До конца XIX столетия маятниковые приборы были единственным средством измерения силы тяжести. Но их применение было сопряжено с некоторыми трудностями и невысокой производительностью. Превосходным дополнением к маятниковым приборам оказался гравитационный вариометр, созданный в 1896 г. венгерским физиком Лорандом Этвёшем. Он основан на принципе крутильных весов Кулона. Лёгкий стержень (коромысло) с тяжёлыми грузиками на концах подвешен на упругой нити. Степень закручивания нити от нулевого положения служит мерой неоднородности гравитационного поля. Показания вариометра регистрируются на фотопластинке.
После того как Этвёш впервые применил гравитационный вариометр в Венгрии, он стал успешно исдользоваться и в других странах для поисков месторождений нефти. Позже появляются первые гравиметры — высокоточные пружинные весы. В 40-х гг. XX в. они вытесняют маятниковые приборы и вариометры. В гравиметре есть грузик, подвешенный на пружинке. При увеличении силы тяжести пружинка несколько растягивается, при уменьшении — сжимается, а отсчётное устройство это отмечает.
Зная истинные значения силы тяжести для данной области, обнаруживают и исследуют отклонения от них — аномалии силы тяжести, которые вызваны различными породами, залегающими на глубине. Это позволяет судить о строении недр, не прибегая к дорогостоящему бурению. Над плотными породами сила тяжести больше, над лёгкими — меньше. Разница эта невелика. Но приборы позволяют измерять изменение силы тяжести с удивительной точностью.
Обычно полезные ископаемые сильно отличаются по плотности от вмещающих пород (т.е. пород, в которых они заключены). Чем больше это отличие, тем отчётливее аномалии силы тяжести, тем эффективнее применение гравитационного метода для поисков полезных ископаемых.
Наиболее широко применяется гравиметрия при поисках нефти и газа. При разведке рудных месторождений прямым поисковым методом нередко становится гравиметрический, т.к. с его помощью ищут непосредственно само рудное тело. Залегает оно, как правило, неглубоко, протяжённость залежи невелика, зато плотность рудного тела значительно превосходит плотность вмещающих пород.
Успешно применяют гравиметрию при поисках месторождений руд, содержащих серу, медь, а также для разведки месторождений апатитов, угля, соли. С помощью гравиразведки можно определить мощность (толщину) льда — это делается при исследованиях ледников Антарктиды и Гренландии.
Кроме того, данные гравиметрии — это важный источник сведений о структуре земной коры. С их помощью определяют границу между осадочным! чехлом и кристаллическим фундаментом на платформах, а также глубину залегания нижней границы земной коры — поверхности Мохо.
До сих пор речь шла об изменениях силы тяжести в пространстве. Однако она изменяется и во времени. Самое простое и общеизвестное изменение силы тяжести связано с гравитационным влиянием Луны и Солнца. Эти изменения вызывают на Земле приливы и отливы.
Однако сила тяжести может изменяться и благодаря некоторым природным процессам, происходящим на самой Земле. Если где-либо на глубине есть большая пещера — карстовая полость, весной её заполняют талые воды, и сила тяжести увеличивается, а летом, когда полость освобождается, сила тяжести уменьшается. Таким образом она будет меняться в течение года. С помощью гравиразведки можно даже следить за ростом подземных полостей.
На Красной площади в Москве с помощью гравиметрической съёмки установили место, где раньше располагались фундаменты сооружений. Полагали, что фундаменты торговых рядов, на месте которых затем построили ГУМ, остались целиком под его зданием. Однако съёмка установила, что это не так: торговые ряды занимали также и часть современной Красной площади перед ГУМом. На карте, построенной по результатам этой съёмки, отчётливо выделяется местоположение одной из уже не существующих церквей «на валу» — над засыпанным рвом, окружавшим Кремль. На Боровицкой площади, примыкающей к Кремлю с юго-западной стороны, аномалии силы тяжести показали, что здесь находятся туннель метро и река Неглинка.
Иногда случались и казусы. Археологи обратили внимание на две аномалии силы тяжести на Боровицкой площади, там, где стоял храм Святого Николая Стрелецкого. Одна из этих аномалий действительно соответствует подклету (части фундамента) церкви, другая же оказалась просто колодцем линии связи.
В подвале одной из церквей Успенского монастыря в городе Александрове (Владимирская область) была обнаружена гравитационная аномалия. Это позволило предполагать, что под полом подвала существует некое небольшое сооружение. Когда же пол вскрыли, то выяснилось, что более двух веков назад в грунт очень плотно забили десятка полтора деревянных свай. Они полностью сгнили и оставили после себя вертикальные цилиндрические отверстия. На дне их осталась древесная труха, позволившая установить, что сваи были сосновые...
Гравиметрический метод исследования сравнительно дёшев, оперативен в применении и совершенно безвреден. Он имеет хорошие перспективы. Неудачи и ошибки, как и в любом другом методе, могут быть всегда. Один из путей их устранения — применение совместно с гравиметрией и других методов.
Постоянная ссылка на страницу: http://pochemy.net/?n=1087
Случайная статья
