Природничі науки. 2 частина. 10 клас. Гільберг

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Земля та її поля

Під час вивчення нашої планети, слово «поле» найчастіше асоціюється у нас з безмежним простором. Для зображення неозорих українських ланів і полів Тарас Шевченко створив навіть епітет «широкополі». Але мова далі піде про інші поля, ті, які людина бачити не може, але завдяки яким забезпечується зв’язок земних масивів гірських порід у єдині системи, здійснюється передача дії одних тіл на інші, утримується гідросфера та атмосфера, підтримуються процеси перенесення енергії, які необхідні для існування життя на Землі.

До геофізичних полів Землі належать: гравітаційне, магнітне, теплове, електричне, сейсмічне, а також певним чином — радіаційний фон. Існують певні зв’язки між різними фізичними полями. Кожне поле відрізняється від іншого умовами виникнення та дією на навколишнє середовище.

Як ви знаєте, гравітація — це фундаментальна взаємодія, притаманна всім тілам, що мають масу і яка проявляється у взаємному притягувані тіл. Гравітаційне поле Землі (від лат. Gravitas — тяжіння) зумовлене її масою (мал. 3.6). Теоретично гравітаційне поле Землі поширюється до безкінечності. За фізичними властивостями характеризується відповідною силою (тяжіння) й енергією.

Ближче до поверхні Землі проявляється відцентрова сила, зумовлена обертанням Землі навколо своєї осі, яка відштовхує тіла від поверхні. Рівнодіюча двох сил — гравітаційної та відцентрової — і є силою тяжіння Землі. Відцентрова сила на полюсах відсутня, тому тіла з однаковою масою на полюсі важать більше, ніж на екваторі.

Мал. 3.6. Гравітаційне поле

Незначний вплив на гравітаційне поле Землі мають сили тяжіння Сонця, Місяця й деяких інших небесних тіл, а також атмосферних мас Землі.

Вплив гравітаційного поля на розвиток планети величезний. Сила тяжіння визначає справжню форму земної поверхні — геоїд, зумовлює рухи земної кори. Під її впливом відбувається переміщення нещільних гірських порід, води, льоду, повітря. Гравітаційне поле Землі є однією з причин кругообігів у літосфері, атмосфері, гідросфері. У гідросфері сила тяжіння рухає воду в струмках, потічках, ріках, дає можливість воді стікати в моря, океани та проходити глибоко в землю. Ця само сила змушує величезні маси води, які падають з греблі гідроелектростанцій, обертати їхні турбіни та дозволяє отримувати людству мільярди кіловат дешевої електроенергії.

Якщо ж згадати роль сили тяжіння в атмосфері, то вона, безумовно, зберігає й підтримує саму можливість існування життя на нашій планеті, бо втримує унікальну газову оболонку, придатну для дихання, біля поверхні Землі.

Фактично літосфера, мантія та ядро Землі виникли та розвивалися внаслідок дії сил всесвітнього тяжіння, окремим випадком яких є сила тяжіння. Саме ці гравітаційні сили й визначають тиск у земних глибинах, тектонічні рухи, зміни в потужності земної кори.

Гравітація визначає максимальну висоту гір, які формуються на планеті. Так для Землі гори не можуть перевищувати висоти в 15 км.

Людство постійно протягом свого розвитку відчуває дію гравітаційного поля. У теорії люди можуть жити на планетах, сила гравітації яких відрізняється від Земної не більше, ніж у три рази. В іншому разі буде порушена подача крові в головний мозок.

Гравітаційне поле, якщо і змінювалося упродовж існування планети, то, вочевидь, не дуже. Це дозволяє припустити, що Земля існує при відносно стабільному гравітаційному полі.

Магнітне поле Землі є силовим геофізичним полем, спричиненим електромагнітними процесами в ядрі Землі, у верхніх шарах йоносфери та намагніченістю гірських порід земної кори. Останній чинник формує аномальне магнітне поле, яке відображає наявність у земній корі порід з різною концентрацією магнітних мінералів.

Причини походження магнітного поля Землі намагалися пояснити вчені з різних країн. З багатьох теорій, які розглядалися для пояснення виникнення магнітного поля Землі, найбільш поширеною є теорія динамо. Згідно з нею Земля є швидше електромагнітом, ніж постійним магнітом: електричний струм, що генерується внаслідок конвекції в рідкому ядрі, утворює навколо себе постійне магнітне поле (мал. 3.7, а).

На малюнку 3.7, б схематично показано лінії індукції магнітного поля Землі. Як видно, поблизу Північного географічного полюса розміщується Південний магнітний полюс, у який входять магнітні лінії, а поблизу Південного географічного полюса — Північний магнітний полюс, з якого лінії магнітного поля виходять.

Мал. 3.7. Магнітне поле Землі

У наш час Південний магнітний полюс віддалений від Північного географічного полюса приблизно на 2100 км. Магнітна вісь складає кут 11° 53' з віссю обертання Землі (земною віссю) (мал. 3.7, б).

Область навколоземного простору, в межах якої виявляється земне магнітне поле, називається магнітосферою (мал. 3.7, в). Магнітосфера простягається на 70-80 тис. км в напрямку Сонця. Вона екранує поверхню Землі, захищає від шкідливого впливу заряджених частинок, високих енергій і космічних променів, визначає характер погоди.

Учені-геофізики навчилися визначати, яким було магнітне поле Землі тисячі й мільйони років тому. Багатьом гірським породам властиво зберігати незмінним напрям власного магнітного поля, утвореного під дією магнітного поля Землі. За віком породи, можна виявити, який напрямок мало магнітне поле Землі в той час. Дослідження таких гірських порід показали, що магнітні полюси, а разом з ними й усе магнітне поле Землі з часом переміщується, причому це переміщення досить складне. Більш того, вчені виявили, що за останні мільйони років магнітні полюси Землі «мінялися місцями» сім разів! Причому останній раз це відбулося приблизно десять тисяч років тому і здійснювалося за фантастично короткий термін — декілька десятків років. Для Землі (їй понад чотири мільярди років) — це коротка мить. Подорожування й перевертання магнітних полюсів Землі можна пояснити одним — у ядрі земної кулі, що містить розплавлену металеву рідину, циркулюють потужні електричні струми, і напрям магнітного поля залежить від напрямку струмів.

Магнітне поле Землі змінюється. Існують постійні й короткочасні зміни магнітного поля. Причиною постійних змін є наявність корисних копалин. На Землі є такі території, де її власне магнітне поле сильно спотворюється наявністю покладів залізної руди. Причиною короткочасних змін магнітного поля Землі є сонячний вітер. Результатом взаємодії заряджених частинок «сонячного вітру» з атмосферою Землі є магнітні бурі, а в північних широтах — північне сяйво.

Магнітне поле захищає жителів Землі та штучні супутники від згубного впливу космічних частинок (магнітне поле змінює траєкторію руху космічних частинок і спрямовує вектор їх руху вздовж ліній магнітного поля). Магнітне поле Землі допомагає багатьом живим організмам орієнтуватися в просторі. Деякі морські бактерії розміщені в придонному мулі під певним кутом до силових ліній магнітного поля Землі, що пояснюється наявністю в них маленьких феромагнітних частинок.

З магнітним полем Землі тісно пов’язані електричне та радіаційне поля.

Електричне поле Землі спостерігають у земній корі, морях, океанах, атмосфері й магнітосфері.

Вимірювання електрометром показали, що біля поверхні Землі існує електричне поле, навіть якщо поблизу немає заряджених тіл. Це означає, що наша планета має певний електричний заряд, тобто є зарядженою кулею великого радіуса. Дослідження електричного поля показали, що його силові лінії вертикальні й направлені до Землі. Найбільше значення напруженість електричного поля має в середніх широтах, а до полюсів й екватора вона зменшується. Вважають, що наша планета має негативний заряд, а атмосфера заряджена позитивно. Виникає своєрідний конденсатор, де ізолятором є щільні шари атмосфери (мал. 3.8).

Мал. 3.8. Електричне поле Землі

Назва конденсатор походить від лат. слова condense — конденсувати, тобто накопичувати, збирати. Конденсатор — це пристрій, призначений для накопичення та утримання електричного заряду (мал. 3.9). Конденсатори широко використовують у всіх електронних та радіотехнічних схемах. Вони разом з транзисторами й резисторами є основою радіотехніки. Найпростіший конденсатор — це дві металеві пластинки й шар діелектрика між ними (діелектриком можуть бути різні матеріали: повітря, конденсаторний папір, слюда, кераміка, скло, різноманітні полімери, напіврідкі хімічні сполуки).

Мал. 3.9. Конденсатори

На практиці використовують різні типи конденсаторів. Найчастіше конденсатори містять багатошарові стрічки електродів, скручених у формі циліндра або паралелепіпеда й розділених між собою шарами діелектрика.

У момент підключення конденсатора до джерела живлення на одній пластині будуть збиратися негативно заряджені частинки — електрони, а на іншій — позитивно заряджені частинки — йони. Діелектрик слугує перешкодою для їх перескакування з однієї пластини на іншу. Та найцікавіше відбувається потім.

Якщо від’єднати джерело живлення, заряд на пластинах конденсатора не зникне, а буде утримуватися на конденсаторі ще якийсь час (скільки, то вже залежить від певних факторів). Якщо заряджений конденсатор підключити до навантаження, то він ніби перетвориться у джерело струму.

Головною характеристикою конденсатора є його електрична ємність — величина, що характеризує відношення накопиченого електричного заряду до різниці потенціалів на його пластинах.

Застосування конденсаторів

Якщо підключити послідовно конденсатор і лампочку до джерела постійного струму (батарейки), то вона не буде світитися. Але якщо підключити до джерела змінного струму, то вона спалахне. І світитися буде тим яскравіше, що вища ємність конденсатора. Завдяки цій властивості конденсатори широко застосовуються як фільтр, який здатний досить успішно пригнічувати пульсації напруги й коливання змінного струму. Здатність конденсаторів довгий час накопичувати заряд і потім швидко розряджатися робить їх незамінними для функціонування фотоспалахів, прискорювачів, лазерів тощо. Здатність конденсатора накопичувати й зберігати електричний заряд на тривалий час зробило можливим його використання в елементах для збереження інформації. А також як джерело живлення для малопотужних пристроїв. Наприклад, «індикатора фази змінного струму», який потрібно вставити в розетку на кілька секунд, доки в ньому зарядиться вбудований конденсатор, і потім його можна використовувати весь день.

Останні технологічні досягнення дали змогу створити йоністори, або ж супер-конденсатори. Ще їх називають «золотими конденсаторами», не тому, що там є золото, а тому що властивості такого елементу, за своїми характеристиками, оцінюються на вагу золота. Ці конденсатори мають дуже велику ємність, і, на відміну від акумулятора, здатні практично миттєво заряджатися й від давати накопичену енергію до повного розряду. Так звані «графенові» акумулятори належать саме до сімейства йоністорів.

Сплески сонячної активності змінюють електричне поле Землі. Це спричинює зміну електромагнітних полів в атмо- і літосфері. У літосфері виникають природні електричні струми, що отримали назву телуричних. Електроди, вкопані в ґрунт і з’єднані з амперметром, фіксують телуричні струми. У літосфері поширені також постійні та змінні електричні поля, утворені циркуляцією мінералізованих підземних вод, електрохімічними процесами тощо. Зміна електричного поля використовується для вивчення глибинної будови Землі, оскільки всі гірські породи мають питомий електричний опір (і відповідно, питому електропровідність).

Із часів існування життя на Землі всі організми перебувають під впливом природного електромагнітного випромінювання (мал. 3.10), джерелами якого є космічні об’єкти: зорі, пульсари, туманності. З розвитком техніки й технологій, крім природних джерел, у великій кількості з’являються штучні джерела, які випромінюють електромагнітні хвилі різних діапазонів.

Оскільки на виробництві й у побуті людина піддається впливу магнітних й електричних полів, для електромагнітних хвиль були розроблені допустимі безпечні норми.

У магнітосфері Землі розташовуються два радіаційних пояси (мал. 3.7, в; с. хх), які містять заряджені частинки сонячного вітру, захоплені магнітним полем Землі. Вони називаються радіаційними поясами Ван-Аллена. Наявність радіаційних поясів і їх характеристики враховуються при проектуванні супутників, оскільки тривале перебування електронної техніки в таких умовах може призвести до поломками. Небезпечні радіаційні пояси і для екіпажів космічних кораблів (щоправда, до сьогодні крізь радіаційні пояси Землі проходили тільки американські кораблі «Аполлон», що прямували до Місяця).

Внутрішню складову радіаційного поля складає земна радіація, що створюється сімейством природних радіоактивних елементів — урану, торію, актинію та ін., а також випромінювання від штучних (техногенних) радіонуклідів.

Сейсмічне поле Землі спостерігається у вигляді механічних коливань на поверхні ґрунту, або в шахтах, печерах, штольнях і свердловинах. Коливання збуджуються сейсмічними хвилями (поздовжніми, поперечними, поверхневими, каналовими), які поширюються від джерела, загасають, відбиваються, заломлюються і перевипромінються в інші типи на неоднорідностях геологічного середовища. Залежно від джерела, сейсмічне поле може бути природного або техногенного походження.

Вивчення техногенних сейсмічних полів, генерованих спеціальними вибухами, дозволило одержати унікальні дані про внутрішню будову Землі, які використовуються для пошуку корисних копалин і розв’язання ряду інших важливих геолого-геофізичних задач.

Теплове поле Земля має як будь-яке нагріте тіло. Фактори, що зумовлюють нагрівання Землі, діляться на зовнішні (сонячна енергія, тертя внаслідок припливів, космічне випромінювання) і внутрішні (теплопередача з глибин Землі, термальні води, вулканізм, землетруси, господарська діяльність людини). Основним джерелом теплового поля є Сонце. Загальна кількість енергії, що випромінюється Сонцем, величезна — 3,83 • 10²⁶Вт. Із цієї кількості тільки 1,74 • 10¹⁷ Вт потрапляє на Землю.

Мал. 3.10. Під впливом електромагнітного поля

Сонячне випромінювання, перш ніж дійти до земної поверхні, зазнає в атмосфері ряд змін. Частина випромінювання розсіюється молекулами повітря й аерозолями, що містяться в повітрі. У середньому на кожний квадратний метр земної поверхні припадає за рік 4,27 • 10¹⁶ Дж, що дорівнює спалюванню 400 000 т кам’яного вугілля. Усі існуючі на Землі запаси вугілля еквівалентні 30-річній кількості сонячної енергії, що потрапляє на Землю. Менше ніж за 1,5 доби Сонце віддає Землі стільки ж енергії, скільки всі електростанції світу за рік.

Кількість сонячної енергії, яка потрапляє на земну поверхню, залежить від географічної широти місцевості, пори року, хмарності й прозорості атмосфери. Земною поверхнею поглинається тільки частина сонячного випромінювання. Друга її частина відбивається. Частина поглинутого випромінювання залежить від відбивної здатності поверхні.

До внутрішньоземних джерел теплового поля належить тепло, яке утворюється за рахунок переміщення глибинної речовини в земне ядро, в процесі розпаду радіоактивних елементів і хімічних реакцій у гірських породах. Важливим джерелом тепла є енергія припливів, тобто деформацій Землі.

Внутрішнє теплове поле характеризується певною стабільністю. Воно не впливає на температуру поблизу земної поверхні або клімат, оскільки енергія, що потрапляє на земну поверхню від Сонця, у 1000 разів більша, ніж із земних надр.

Якщо вимірювати тепловий потік, узявши до уваги лише передачу внутрішнього тепла за рахунок теплопровідності, то його розподіл буде таким, як зображено на малюнку 3.11.

Мал. 3.11. Теплові потоки Землі

Усі організми на Землі відчувають теплове поле: люди, тварини, рослинний світ. Спостерігати дію теплового поля можна під час вулканічних вивержень. Гейзери з високими температурами води також ілюструють дане поле. Людство ще не вирішило завдання використання енергії земних надр, а це є дуже перспективний шлях отримання величезної енергії, прихованої в Землі. В даний час це тепло могло би розв’язати проблему нестачі енергії і могло би стати одним з напрямів розвитку енергетики багатьох країн (мал. 3.12).

Мал. 3.12. Геотермальна електростанція Несьявеллір в Ісландії

За даними Інституту відновлюваної енергетики НАН України, 7 центральних і західних областей України мають геотермальний енергетичний потенціал у 6-7 млрд кВт-год за рік кожна.

Тепловий насос (мал. 3.13, а) — це універсальний прилад, призначений для виконання трьох задач — опалення, гарячого водопостачання та кондиціонування. Основна відмінність теплового насосу від усіх інших джерел тепла полягає у винятковій можливості використовувати безкоштовну поновлювану низькотемпературну енергію навколишнього середовища на потреби опалення та нагріву води. Близько 80 % від потужності, яку видає тепловий насос, фактично«викачується» з навколишнього середовища, використовуючи розсіяну енергію Сонця.

Мал. 3.13. Схема дії: а — теплового насоса; б — припливної електростанції

Припливна електростанція (ПЕС) — особливий вид гідроелектростанції, що використовує енергію припливів.

Геофізичні поля пов’язані між собою. Можна продемонструвати експерименти, що підтверджують зв’язок гравітаційного й магнітного полів. Є певні зв’язки між тепловим і радіаційним полем Землі. Енергія розпаду радіоактивних елементів робить великий внесок у формування теплового потоку. До джерел цих полів належить й енергія Сонця, і внутрішня енергія земних надр. Зміни в енергії сонячної активності впливають як на теплове, так і на радіаційні поля.

Процес поширення в просторі електромагнітного поля — електромагнітна хвиля. Саме такими хвилями є і видиме світло, і радіохвилі, і теплове інфрачервоне випромінювання. Отже, поширення теплового поля при випромінюванні також пов’язане з електромагнітним полем. Енергія електромагнітного поля може переходити і в теплову енергію.

Усі закономірності фізичних полів не залежать від їх походження, природного або штучного.

Земля — не ізольована в космосі планета. Найбільше вона пов’язана з близько розташованими до неї тілами Сонячної системи — Сонцем і Місяцем. Гравітаційні поля утримують Землю на навколосонячній орбіті. Вони ж разом з осьовим обертанням викликають на поверхні планети періодичні припливи та відпливи. Рух Землі відбувається у сфері впливу сонячного вітру. Земля зазнає також впливу рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання, сприймає радіохвилі, променеву й теплову енергію, яка є рушійною силою розвитку неживої та живої природи.

Вплив космосу Земля сприймає не пасивно. За допомогою своїх індивідуальних унікальних планетних особливостей вона його трансформує, створює навколо себе середовище, відмінне від космічного. Потужні земні магнітне і гравітаційне поля взаємодіють з космічними, змінюючи їх усереднені характеристики, надаючи їм нових якісних властивостей і кількісних величин.

Якщо проаналізувати техногенний вплив на геофізичні поля, то найбільш стійким до впливу людини є гравітаційне поле, оскільки воно пов’язане з масою планети. Хоча за роки діяльності людей відбулися зміни, пов’язані з перерозподілом маси в приповерхневому шарі Землі: десь люди ці маси забирають, будуючи кар’єри, шахти, а десь їх збільшують, створюючи терикони, водосховища тощо. У результаті перебудовується структура гравітаційного поля Землі. Люди, переводячи великі кількості вугілля, нафти, газу, торфу та інших корисних копалин в тепло, все-таки зменшують загальну масу Землі.

Теплове поле Землі менш захищене від впливу людини. Штучне опалення планети за допомогою потужних ТЕС й АЕС, створення штучних водосховищ, розорювання степів, знищення лісів спотворило теплове поле Землі. На тепловий режим Землі впливає також викид в атмосферу великих кількостей вуглекислого газу, що поступово призводить до парникового ефекту.

На магнітне й електричне поля основний вплив справляє велика кількість комунікацій зв’язку й потужні лінії електропередач, які охоплюють всю планету. Важливе місце при цьому займають великі генератори електромагнітних сигналів космічного та земного призначення, системи кабельного зв’язку.

Радіаційні поля Землі дуже змінилися після відкриття людьми явища радіоактивності, побудови АЕС і також через аварії на АЕС, випробування зброї на ядерних полігонах.

У XX ст. діяльність людини більше вплинула на Землю, ніж окремі фізичні поля. Тому дбайливе господарське ставлення до природи є умовою безпечного існування на нашій планеті.

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Для чого потрібно знати внутрішню будову Землі?

2. Назвіть відомі вам методи вивчення внутрішньої будови Землі.

3. Укажіть, який із шарів Землі відіграє дуже важливу роль у географічних процесах на її поверхні.

4. Із чим пов’язана наявність у Землі досить сильного магнітного поля, що створює нездоланний бар’єр для заряджених космічних частинок, які чинять негативну біологічну дію?

5. Де розташовуються магнітні полюси? Чим пояснюється міграція магнітних полюсів?

6. Чи однакова інтенсивність магнітного поля? Що впливає на зміну інтенсивності магнітного поля?

7. Із чим пов’язанні радіаційні пояси?

8. Чому виникають електричні поля Землі? Що таке телуричні струми?

9. Як впливає Сонце на теплове поле Землі? Чим характеризується внутрішня теплота Землі? Де тепловий потік більше: над океанами чи континентами?

10. Для чого нам потрібні знання про геофізичні поля Землі?

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

1. Порівняння будови курячого яйця та внутрішньої будови Землі.