Планета Земля и ее атмосфера. Земля как планета. Форма и размеры. Гравитационное поле. Магнитное поле.

Материалы лекции № 2.5-6.

Планета Земля и ее атмосфера.

*****

Земля как планета. Форма и размеры. Гравитационное поле. Магнитное поле. Электрическое поле Земли Структура атмосферы Земли. Газовый состав атмосферы. Ионосфера Земли. Радиационные пояса Земли. Магнитосфера Земли. Земля как источник излучения.

Приложения:

Приложение 1. - Причины, обуславливающие слоистость атмосферы Земли.

Приложение 2. - Облака.

Приложение 3. Ветры Земли.

Приложение 4. Параметры дождя.

*****

2.5-6.1. Земля как планета.

Земля – третья от Солнца планета солнечной системы. Движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце. Период обращения Земли вокруг Солнца — год — равен 365,25636 средних солнечных суток. Масса всей Земли равна 5,98•10²⁴ кг. Момент инерции Земли относительно оси вращения 8,104·l0³⁷ кr·м². Угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси равна 7,292115·10^–6 с^–1. Продолжительность суток удлиняется на 0,0014с в столетие вследствие замедления вращения Земли.

Наиболее мощное влияние на земные процессы оказывает излучение Солнца. На весь земной шар падает 1,7·10¹⁴ кВт лучистой энергии Солнца. Около половины этой энергии поглощается атмосферой и почвой, остальная ее часть отражается в мировое пространство.

Корпускулярное и ультрафиолетовое излучение Солнца существенно влияет на состояние земной атмосферы, на распространение радиоволн и на геомагнитные явления. Некоторые данные о земной поверхности приведены в таблицах 2.5-6.1. и 2.5-6.2.

2.5-6.2. Форма и размеры Земли.

Земля имеет форму геоида – фигуры, которую имел бы в океане средний уровень воды (при отсутствии волн, приливов и течений), а на материках – уровень воды в воображаемых узких каналах, сообщающихся с океаном. Фигура геоида зависит от внутреннего строения Земли и имеет неправильную и сложную форму, но она довольно близка к земному эллипсоиду (сфероиду). Средняя величина отступления геоида от наиболее удачно выбранного эллипсоида не превосходит ±50 м, а максимальная 100 м. Наиболее обоснованные размеры эллипсоида вычислены профессором Ф. Н. Красовским, поэтому он носит название эллипсоид Красовского. Данные по нему приведены в таблице 2.5-6.3.

Для эллипсоида Красовского, составленного из однородных слоев, нормальное (т. е. действующее по нормали) ускорение свободного падения на его поверхности описывается выражением

где φ΄— географическая (астрономическая) широта.

На экваторе (φ΄= 0) g₀^(Э) = 9,78049 м/с², а на полюсе (φ΄= 90°) g₀^(П) = 9,83235 м/с².

На высоте h над данной точкой Земли , где г - расстояние от данной точки земного сфероида до его центра.

Геоцентрические широта φ и расстояние ρ точки, астрономическая (географическая) широта φ΄ и высота h над уровнем моря которой известны, вычисляются по формулам:

где S и С – коэффициенты (определяются из таблицы 2.5-6.4.).

Гравитационное поле Земли характеризуется потенциалом

где μ – гравитационный параметр Земли; r - модуль радиуса - вектора, проведенного из центра Земли в рассматриваемую точку гравитационного поля; I₂, I₃,… I₆ — коэффициенты, соответственно равные:

2.5-6.3. Магнитное поле Земли.

Земля — слабый постоянный магнит, ось которого не совпадает с осью вращения планеты и имеет наклон около 11°. Геомагнитные полюсы, экваторы и широты не совпадают с географическими и не являются диаметрально противоположными. Линия, связывающая оба геомагнитных полюса, проходит на расстоянии около 1100 км от центра Земли. Наличие магнитного поля Земли обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь очень медленные вековые вариации, а также действием внешних источников, зависящих от географической широты, местного времени и солнечной активности. Соответственно различают главное и переменное магнитные поля Земли. Природа и происхождение этих полей различны, но между ними существует глубокая взаимосвязь.

Главное магнитное поле Земли. Магнитное поле в любой точке поверхности Земли характеризуется напряжённостью Н и направлением, составленным вектором поля с плоскостью горизонта (угол наклонения l и плоскостью географического меридиана (угол склонения D). В первом приближении распределение напряжённости и направления магнитного поля Земли подобно распределению этих характеристик поля вокруг однородно намагниченного шара или магнитного диполя с магнитным моментом М. Горизонтальная составляющая напряжённости магнитного поля Н = Mr^–3cosθ, вертикальная составляющая Z = 2Mr^–3sinθ, где г — расстояние от центра диполя до точки наблюдения, θ — магнитная широта. На поверхности Земли при г, равном радиусу Земли R_З, напряженность магнитного поля (вектор Н лежит в плоскости горизонта), максимальной на геомагнитном экваторе (Н = Н₀), и обращается в ноль на магнитных полюсах. Z же обращается в ноль на магнитном экваторе и максимальна на полюсах. Магнитное поле Земли характеризуется значениями: М = 6,35*10²¹ А_*м², горизонтальная составляющая Н на геомагнитном экваторе меняется в диапазоне (23,1…31,8) А/м (среднее значение принято 24,7 А/м), вертикальная составляющая различна для северного и южного магнитных полюсов (угол наклонения 90°) и равна 46,2 А/м на северном полюсе (78°31' с. ш., 70^о01' з. д.) и 54,1 А/м на южном (78°31' ю. ш., 109°59' в. д.)