science Ф. Д. Бублейников Земля

В книге в очень доступной форме описаны физические свойства Земли как планеты, так и места где мы живем.

ru
Tekel FictionBook Editor Release 2.6 28 January 2011 http://www.infanata.com/2006/03/27/f._d._bublejjnikov__zemlja.html 46B0F73A-217C-4500-A776-0D5E44680878 1.0

Создание файла — Tekel.

Земля Государственное издательство технико-теоретической литературы Москва 1953 Редактор И Б Швецов. Техн. редактор С. С. Гаврилов. Корректор Ц. С. Варшавская. Подписано к печати 1 8/VІІІ 1953 г. Бумага 82 х 108 1/32. 0,75 бум. л. 2,46 печ. л. 2,48 уч. — изд. л. 40723 тип. зн в печ. л. Тираж 200 000 экз. Цена книги 75 коп. Т-05298, Заказ № 2271. 3-я типография «Красный пролетарий» Союзполиграфпрома Главиздата Министерства культуры СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.

Ф. Д. Бублейников

Земля

Введение

Среди разнообразных знаний о природе одно из важнейших мест занимает наука о Земле.

Землю можно изучать как одну из девяти планет, обращающихся вокруг Солнца. Этим с давних пор занимается астрономия, одна из самых древних наук человечества.

Изучают форму и размеры земного шара — этим занимается геодезия.

Теперь изучают также состав, строение и физические свойства земного шара. Этим занимается геофизика, сравнительно молодая наука, получившая большое развитие в нашей стране.

Руководствуясь диалектическим методом познания природы, советские учёные успешно развивают науку о Земле, раскрывают всё новые её тайны. Это даёт советским людям всё бóльшую власть над природой, над её могущественными, неистощимыми силами.

В отличие от буржуазных стран в Советском Союзе научные открытия немедленно применяются в социалистическом хозяйстве, становятся достоянием народа.

Вся система нашего народного хозяйства построена на строго научных основах. Успешное развитие социалистического хозяйства тесно связано с процветанием науки. Поэтому Коммунистическая партия и Советское правительство всемерно поддерживают науку, помогающую нам строить коммунизм.

1. Форма Земли

Как и всё в природе, Земля не остаётся неизменной, она развивается, изменяя со временем свой вид. Благодаря перемещениям больших масс вещества внутри Земли на её поверхности происходят постоянные изменения: поднимаются горы, опускается или поднимается морское дно и т. д. С другой стороны, ветер, вода, резкие изменения температуры разрушают неровности земной поверхности, сглаживают её. Так постепенно меняется лицо Земли.

Далеко не сразу пришли люди к этой простой и ясной для нас мысли. Долгое время учёные считали, что Земля неизменна. Такой взгляд поддерживала церковь. Согласно религии всё то, что мы видим на Земле, существует в неизменности со дня её сотворения.

Только немногие учёные-материалисты осмеливались выступать против этого учения церкви. Одним из них был великий русский учёный М. В. Ломоносов.

«И так напрасно многие думают, — писал он в своей работе „О слоях земных“, — что всё как видим, с начала творцом создано; будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом; и потому де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно и натуральному знанию шара земного… хотя оным умникам и легко быть Философами, выучась наизусть три слова: бог так сотворил».

Издавна людей интересовал вопрос о форме Земли. Если верить непосредственному зрительному впечатлению, Землю можно принять за обширную плоскость, на которую опирается вдали голубой свод неба. Кое-где на этой плоскости возвышаются горные цепи. Однако уже давно доказано, что земная поверхность везде выпукла.

Убедиться в выпуклости Земли можно, наблюдая, как скрываются или появляются высокие предметы на той линии, где небо как будто сходится с земной поверхностью, то-есть на линии горизонта.

На суше нелегко найти место, откуда была бы ясно видна вся линия горизонта. Холмы, леса, не говоря уже о горах, скрывают её от глаз. Иное дело на море: там линия горизонта отчётливо видна. Вот почему именно моряки первые заметили, что земная поверхность выпукла.

Приближаясь к берегу, моряки видели, что сперва показывались только верхушки гор, а по мере приближения к ним корабля горы как бы вырастали на глазах, пока, наконец, становилось видным их подножие.

Удаляясь от берега, моряки наблюдали обратное — горы как бы погружались в море: сперва исчезали из виду их подножие и строения на берегу, а затем скрывались из глаз и вершины гор.

Это на первый взгляд странное явление легко объясняется. Если бы Земля была плоской, горы не исчезали бы из виду, а лишь казались бы по мере удаления от них всё меньше. Их можно было бы видеть за сотни километров с такой же лёгкостью, как мы видим за сотни метров обыкновенные дома. В действительности же, когда гора скроется за горизонтом, её нельзя увидеть даже в самую сильную зрительную трубу.

Однако если подняться на башню или высокую береговую скалу, то скрывшийся за горизонтом корабль можно снова увидеть.

Взбираясь на вершины гор или высокие деревья, мы замечаем, что горизонт как бы расширяется.

Расширение горизонта — одно из доказательств выпуклости земной поверхности; если бы Земля была плоской, этого явления не наблюдалось бы.

Другим доказательством выпуклости земной поверхности служит появление над горизонтом новых звёзд при далёких переездах вдоль меридиана, т. е. в направлении на юг, а также изменение высоты Полярной звезды над горизонтом.

Приехав, например, из Москвы в Крым или на Кавказ, можно убедиться, что там Полярная звезда стоит ниже над горизонтом, чем в Москве, а в южной части неба видны звёзды, невидимые в Москве.

Такие наблюдения убедили людей, что земная поверхность везде — на суше и на море — выпуклая, а не плоская.

Видимое суточное движение Солнца и Луны привело людей к другому важному открытию.

Ошибочно считая, что Солнце действительно обходит в течение суток вокруг Земли, учёные древности сперва придумывали разные «коридоры» в Земле, по которым будто бы Солнце проходит ночью, а затем пришли к правильному выводу, что Земля совершенно изолирована в пространстве.

Так неверное представление о движении Солнца вокруг Земли натолкнуло на правильную мысль об изолированном положении её в пространстве.

Тогда учёные древности стали строить догадки о форме Земли. Может быть Земля похожа на выпуклый щит? Так думали некоторые древние народы, которые представляли себе Землю в виде щита, лежащего на трёх слонах, стоящих на черепахе.

Или, может быть, Земля имеет форму куба? Некоторые полагали, что она похожа на невысокий пень спиленного дерева, на плоской поверхности которого и живут люди.

Но вид тени Земли убедил греческих учёных, что Земля шарообразна.

Как можно увидеть тень Земли? Оказывается, это возможно в тех случаях, когда тень Земли падает на Луну. Бывает это во время полнолуния, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Освещаемая Солнцем, она отбрасывает в пространство тень, которая и может упасть на Луну. Тогда мы наблюдаем полное или частное лунное затмение (рис. 1).

Рис. 1. Схема показывает, как происходят лунные затмения.

Лунные затмения — явление довольно частое в природе. Многим приходилось видеть, как земная тень надвигается на светлый диск полной Луны. Край земной тени всегда круглый — такой же круглый, как, скажем, у тени, падающей от апельсина на стену. Ясно, что такую тень может отбрасывать только шарообразное тело.

Учёным, наблюдавшим лунное затмение, стало ясно, что Земля — шар. Однако люди долго не могли свыкнуться с этой мыслью. Не только в древности, но и в средние века большинство людей считало Землю плоской поверхностью, на которую опирается небесный свод.

Такой взгляд усиленно поддерживался церковниками.

Особенно упорно и непримиримо выступала против учения о шарообразности Земли католическая церковь. Наука о Земле объявлялась ересью, учёные подвергались всевозможным преследованиям, их книги запрещались и уничтожались.

Однако с течением времени научные данные о Земле получали всё большее подтверждение. Сама жизнь требовала изучения Земли. Развивалось торговое мореплавание. Испанские и португальские моряки открыли путь в Индию. Начались поиски нового, более короткого пути в эту страну. Возникла мысль плыть туда, не огибая материк Африки, а прямо на запад вокруг земного шара.

Первое кругосветное путешествие не удалось. Предпринявший его в конце XV века Христофор Колумб встретил американский материк, преградивший ему путь.

В начале XVI века в кругосветное путешествие отправился от берегов Испании другой мореплаватель — Фернандо Магеллан.

Плывя всё время на запад, он пересёк Атлантический океан, обогнул Южную Америку через пролив, названный впоследствии его именем, и вышел в Тихий океан.

После смерти Магеллана в 1521 году последний оставшийся от его эскадры корабль, продолжая путь на запад, пересёк Индийский океан и в 1522 году вышел к мысу Доброй Надежды на южной оконечности Африки.

Так, плывя в одном направлении, всё дальше на запад, и обогнув мыс Доброй Надежды, корабль вышел опять в Атлантический океан, то-есть совершил плавание вокруг земного шара.

После путешествия Магеллана стало очевидным, что Земля — шарообразное тело. Библейское представление о Земле, как «фундаменте» вселенной, было окончательно опровергнуто.

Правда, кругосветное путешествие ещё не доказывало, что Земля — шар. Ведь если бы она имела форму, подобную, скажем, огурцу, то также можно было бы объехать вокруг неё. Однако в том, что Земля по своей форме близка к шару, нас убеждает ещё одно наблюдение — круговая линия горизонта.

Если бы Земля не была по своей форме близка к шару, мы не могли бы наблюдать горизонт в виде правильного круга. Поэтому долгое время учёные и считали Землю совершенно правильным шаром, конечно, пренебрегая неровностями гор и впадин дна морей и океанов.

Шарообразность Земли позволяла сравнительно легко измерить и её величину.

С развитием торгового мореплавания, особенно после первого кругосветного путешествия, определение величины земного шара получило практическое значение. Чтобы пуститься в кругосветное плавание, нужно знать, сколько времени оно продолжится. От этого зависит, какое количество продовольствия и разных материалов необходимо взять с собой.

2. Величина земного шара

Всем известен школьный глобус. Это — модель Земли, на которой нанесены материки, моря, океаны, горные хребты, реки.

Определить длину окружности глобуса совсем нетрудно: стоит лишь обернуть его лентой, разделённой на сантиметры. Но обмерить Землю таким способом нельзя, нужно найти какой-то другой способ. Для этого обратимся опять к глобусу.

На глобусе нанесены линии — меридианы, проходящие через полюсы. Каждый меридиан разделён на 360 градусов. Если измерить длину градуса, то легко вычислить и длину всей окружности глобуса. Предположим, что часть меридиана на глобусе, равная 20 градусам, будет иметь длину 5 сантиметров, тогда один градус будет равен 1/4 сантиметра, а вся окружность глобуса — 1/4 · 360 = 90 сантиметрам. Таким образом, не обмеряя всей окружности глобуса, можно вычислить её длину.

Таким же путём можно вычислить и длину окружности земного шара.

Для этого нужно прежде всего найти способ наметить на поверхности Земли дугу меридиана в один или несколько градусов. А определив её длину, легко будет вычислить и окружность Земли.

Направление меридиана на земной поверхности наметить не трудно, наблюдая суточное движение Солнца.

Начиная с момента восхода, Солнце поднимается всё выше. Так продолжается до тех пор, пока оно не пересечёт воображаемую вертикальную плоскость, проходящую вдоль меридиана данного места.

Этот момент — полдень. Солнце находится в полдень на наибольшей высоте. Далее оно начнёт медленно спускаться к точке захода.

Наблюдая за движением Солнца по небу, можно определить направление на него в момент наибольшей высоты над горизонтом, то-есть направление меридиана.

Теперь представьте себе, что на одном и том же меридиане стоят два наблюдателя на расстоянии согни или более километров друг от друга.

Полдень для обоих наступит в один и тот же момент. Но высота Солнца над горизонтом или, другими словами, угол между солнечным лучом и плоскостью горизонта, будет различна: чем южнее стоит наблюдатель, тем она больше.

Например, пусть один наблюдатель находится в Ленинграде, а другой в Киеве. Эти города лежат почти точно на одном меридиане, дуга которого между ними равна примерно 10 градусам. Если оба наблюдателя измеряют в полдень одного и того же дня высоту Солнца над горизонтом, то окажется, что в Киеве оно будет приблизительно на 10 градусов выше.

В течение года высота Солнца, как известно, меняется. Но в какой бы день ни измерить высоту его в полдень в этих городах, разница будет одна — около 10 градусов.

Значит, разница высот полуденного Солнца в двух пунктах, лежащих на одном меридиане, равна числу градусов дуги меридиана между ними.

Этим и пользуются при определении размеров Земли.

В двух пунктах, лежащих на одном меридиане, измеряют в один и тот же день в полдень высоту Солнца. По разности его высоты находят, сколько градусов заключается в дуге меридиана между этими пунктами.

Теперь остаётся только измерить расстояние между ними в километрах. Но тут возникают большие затруднения.

Попробуйте точно измерить расстояние между двумя деревьями, находящимися даже в нескольких километрах одно от другого. Это очень трудно, так как между ними могут быть различные неровности почвы — холмы, долины, овраги. А длина дуги меридиана измеряется сотнями километров.

Как же выходят из этого затруднения учёные?

Первое определение размеров Земли было сделано ещё в древности греческим учёным Эратосфеном, жившим в III веке до нашей эры в египетском городе Александрии. Занимаясь астрономическими наблюдениями, он измерил летом, в 20-х числах июня, полуденную высоту Солнца.

Из рассказов водителей торговых караванов учёный знал, что в эти дни в более южном городе — Сиене — Солнце заглядывает в полдень на самое дно глубоких колодцев, то-есть стоит там прямо над головой, или, как говорят, в зените.

Разница в высоте Солнца в Александрии и Сиене оказалась немного больше 7 градусов. Значит, и отрезок меридиана между этими городами также заключает в себе приблизительно 7 градусов, что составляет около 1/50 длины окружности (рис. 2).

Рис. 2. Солнечные лучи, освещающие дно колодца в Сиене, в Александрии составляют с вертикальной линией угол, равный 7 градусам 12 минутам.

Теперь нужно было только узнать, каково же расстояние между этими городами. Но измерить его Эратосфен не мог. Ему пришлось поверить на слово водителям караванов, что от Александрии до Сиены 5000 египетских стадий[1].

После этого было уже нетрудно подсчитать, что окружность Земли составляет около 5000 · 50 = 250 000 стадий, что приблизительно равно 37 500 километрам. Это измерение было довольно точным. Как мы увидим далее, окружность Земли равна почти 40 000 километров.

После Эратосфена измерение Земли производилось многими другими учёными. Так например, в IX веке два арабских учёных-астронома измерили длину одного градуса меридиана на плоской равнине в Месопотамии (в Малой Азии).

Выбрав пункт начала измерений, они определили высоту Полярной звезды. Затем один из них двинулся на юг, а другой на север.

Помощники учёных измеряли деревянными шестами пройденное расстояние, а сами учёные с наступлением ночи определяли высоту Полярной звезды.

Измерение высоты Полярной звезды астрономом, шедшим к северу, показывало, что эта звезда постепенно становилась выше над горизонтом. Шедший же к югу видел, что эта звезда, наоборот, снижается.

Когда высота Полярной звезды по измерению обоих астрономов изменилась на 1 градус, учёные остановились. Каждый из них прошёл длину дуги в 1 градус. Значит, оба вместе измерили дугу в 2 градуса.

Однако и такое определение длины земной окружности было неточным. Ведь дорога, по которой шли астрономы, не была совершенно гладкой.

Лишь в XVII веке был найден способ точного измерения дуг меридиана. Этот способ заключался в том, что вдоль дуги меридиана, по обе стороны от нее, выбирают ряд таких пунктов, чтобы из каждого было видно не менее двух других. Если мысленно соединить эти пункты линиями, то получится сеть треугольников, покрывающая дугу меридиана (рис. 3).

Рис. 3. Определив величину углов треугольников и длину базиса, можно вычислить все стороны воображаемых треугольников и длину дуги меридиана АЖ.

Зная длину сторон и величину углов этих треугольников, можно вычислить и длину дуги меридиана.

Измерение углов этих треугольников не представляет затруднений. Их измеряют очень точно угломерным инструментом.

Более трудная задача — измерение длины сторон треугольников На учёные и здесь нашли выход. Измеряется только одна из самых коротких сторон какого-либо треугольника на ровной местности, так называемый «базис», связанный с сетью треугольников. Длина остальных сторон просто вычисляется.

После этого определяется вычислением и длина дуги меридиана. Таким способом можно измерять с большой точностью даже очень длинные дуги Этот способ получил название триангуляции.

Измерение дуг меридиана позволило найти неизменную единицу длины, за которую была принята одна десятимиллионная часть четверти меридиана, проходящего через Париж. Эта единица была названа метром.

Градусное измерение для определения длины метра было предпринято в 90-х годах XVIII века по распоряжению французского революционного правительства.

Полевые работы велись в разгар революции и последовавших после неё войн. Всеми работами руководил известный французский астроном Деламбр. Во время этих работ пришлось преодолеть множество трудностей. Была измерена дуга парижского меридиана от Дюнкерка на севере до острова Форментеры на юге.

Этим измерением и была определена длина одной десятимиллионной четверти парижского меридиана.

Образец метра был изготовлен в нескольких экземплярах, которые хранятся в странах, принявших метрическую систему мер.

В XIX веке, пользуясь таким способом, русские учёные измерили очень длинную дугу меридиана.

К концу XVIII века в России началось составление географических карт, основой которых служит триангуляционная сеть. Другими словами, чтобы нанести на карту положение рек, озёр, селений, лесов и других объектов, нужно предварительно покрыть снимаемую местность сетью треугольников. Такая работа и велась широко в конце XVIII и в начале XIX веков в России. Триангуляционная сеть позволяла измерить длинную дугу меридиана.

Мысль о таком измерении возникла у известного русского астронома В. Я. Струве, работавшего в 1813 году на обсерватории в г. Юрьеве (ныне Тарту, Эстонской ССР).

Этому учёному было предложено сделать триангуляционную съёмку Эстонии. Работа по съёмке была закончена в течение 1816–1819 годов.

Позднее триангуляционная съёмка была продолжена Струве до острова Гогланда в Финском заливе и далее на север до Торнео. Одновременно с этим такая же съёмка производилась и к югу от Эстонии — вплоть до Дуная, Связав эти съёмки, можно было определить дугу меридиана длиной более 20 градусов. Это и было сделано.

Позднее измеренную дугу меридиана удалось ещё удлинить, соединив сделанную съёмку с триангуляцией, произведённой от Торнео до берегов Баренцова моря.

Всё измерение дуги от Баренцова моря до Дуная было завершено в 1855 году. На концах этой дуги, заключающей более 25 градусов, были установлены гранитные столбы и чугунные призмы на каменном фундаменте, увековечившие память о гигантской работе, проделанной русскими учёными по определению размеров Земли. Это измерение дуги меридиана было одним из точнейших в мире.

Однако, как мы уже говорили, Земля — не вполне правильный шар. К такому выводу учёные пришли не на основании измерений градуса меридиана. Их навело на эту мысль вращение Земли.

3. Сжатие Земли

До XVI века учёные принимали кажущееся суточное движение Луны, Солнца и звёзд за действительное.

Многим из вас, вероятно, приходилось замечать, что в течение вечера созвездия в северной части неба поворачиваются вокруг Полярной звезды (точнее вокруг точки неба, которая лежит невдалеке от неё и называется полюсом мира).

Если бы звёзды были видны и днём, то мы могли бы наблюдать, что они совершают в течение суток на небе полный круг.

Чем дальше звёзды от полюса мира, тем больший круг они описывают. Если звезда очень далека от него, то часть её кругового пути проходит под горизонтом, то-есть она, как и Солнце, восходит, движется дугообразно по небу и потом заходит.

Но при этом расположение звёзд относительно друг друга не меняется, как будто они прикреплены к небу.

Если проследить в течение ночи за движением звёзд, то вам покажется, что весь небесный свод вращается целиком вокруг оси, упирающейся в Полярную звезду и проходящей через Землю.

Так в древности и думали греческие учёные. Видимое суточное движение звёзд они приписывали вращению «небесной сферы», как называли они видимый небесный свод, считая его внутренней поверхностью твёрдого полого шара — сферы.

Древние греческие учёные не представляли себе, чтобы небесные тела — Луна, Солнце и планеты — могли двигаться в пространстве по круговым путям. Поэтому они объясняли суточное движение Луны, Солнца и планет тем, будто эти тела прикреплены к особым сферам.

Особые сферы понадобились потому, что Луна, Солнце и планеты передвигаются между звёздами и поэтому их нельзя было считать прикреплёнными к звёздной сфере. Однако, объясняя движение небесных тел вращением сфер, нельзя было предсказывать вперёд положение на небе Луны, Солнца и планет.

Позднее, во II веке н. э., греческий астроном Клавдий Птоломей предложил чисто геометрическую схему движения небесных тел. Он считал, что каждая планета движется по кругу, центр которого, в свою очередь, совершает круговой путь вокруг Земли.

С помощью такого представления уже можно было вычислять движения планет среди звёзд. Однако нельзя было понять, почему же планета может двигаться вокруг воображаемой точки в пространстве, а эта воображаемая точка — двигаться вокруг Земли?

Не удивительно, что испанский король Альфонс X, любитель-астроном, живший в XIII веке, сказал, что если бы бог спросил его совета, то мир был бы устроен проще.

Эта фраза стоила Альфонсу престола, так как система Птоломея поддерживалась католической церковью, а церковь пользовалась в средние века огромным влиянием.

Согласно «священному писанию», т. е. тому, что написано в древних религиозных книгах, наша Земля — это центр всей вселенной, она не движется вокруг Солнца, а находится в неподвижности. Система Птоломея не противоречила этим взглядам.

Но вот в XVI веке знаменитый польский учёный Николай Коперник доказал, что мир действительно устроен гораздо проще, чем его себе представляют. Сложным же он казался потому, что люди принимали кажущееся движение небесных светил за действительное.

Земля вращается вокруг воображаемой оси, совершая полный оборот в течение суток. Находясь на ней, мы видим, как из-за выпуклости земной поверхности показывается Солнце. Тогда мы говорим, что оно «взошло».

Находясь на вращающейся Земле, мы сами движемся, а нам кажется, что Солнце катится по небу.

Самого вращения Земли мы не замечаем так же, как не чувствуем движения плавно идущего по спокойному морю судна, находясь в его каюте. Именно это сравнение приводил в XVII веке знаменитый итальянский учёный Галилей, защищая учение Коперника о вращении Земли.

Новое учение Коперника о солнечной системе явилось одним из величайших научных открытий. Оно опровергало всё старое мировоззрение, подрывало религиозное учение о Земле и небе. Ф. Энгельс писал, что издание бессмертного творения Коперника было вызовом «церковному авторитету в вопросах природы».

Система Коперника была подтверждена целым рядом бесспорных фактов.

В прошлом веке вращение Земли было доказано с помощью маятника. Но об этом мы расскажем дальше.

Пока же будем помнить, что земной шар вращается вокруг своей воображаемой оси. Продолжение этой оси упирается на небесной сфере в полюс мира.

Вращение Земли отразилось на её форме. Почему это так происходит, показывает опыт с каплей растительного масла, вращаемой в смеси воды со спиртом.

Налейте в стакан смесь воды со спиртом в такой пропорции, чтобы растительное масло не всплывало и не тонуло в ней. Вы увидите, что оно примет форму шара.

Теперь осторожно введите в масляный шарик лёгкую вертушку на тонком стержне. Если вам удастся сделать этот опыт, вы сможете наблюдать замечательное явление: при вращении вертушки постепенно начинает вращаться и масляный шар, и чем быстрее он вращается, тем больше сплющивается вдоль своей оси.

Чтобы понять, почему сплющивается масляный шарик, сравним вращающуюся вокруг оси частицу масла с тяжёлой гирькой на тонкой резинке, вращаемой вокруг руки.

По инерции гирька стремится двигаться прямолинейно, но резинка заставляет её искривлять свой путь. Гирька оказывает сопротивление, растягивающее резинку. Вследствие этого она отдаляется от оси на расстояние, зависящее от сопротивления резинки центробежной силе (так называют силу, растягивающую резинку).

По этой же причине удаляются от оси вращения частицы масла, и масляный шарик сплющивается.

Так как Земля вращается, то и на ней возникают центробежные силы. Эти силы также удалили частицы земного шара от оси вращения, и он сжался вдоль оси.

Такое объяснение сжатия Земли было дано английским учёным Ньютоном. Но французские учёные, наоборот, утверждали, будто Земля не сжата, а вытянута вдоль оси.

Чтобы решить этот спор, нужно было сравнить кривизну меридиана близ экватора и в полярной зоне.

Если Земля сжата у полюсов, то кривизна меридиана в полярной зоне меньше, чем в экваториальной. Значит, длина градуса меридиана близ полюса больше, чем близ экватора.

Для проверки французская Академия наук снарядила две экспедиции, одну в Лапландию, другую — в экваториальную зону Южной Америки. Только через семь лет удалось получить результаты их измерений. Когда сравнили измерение градуса в полярной и экваториальной зонах, то оказалось, что полярный радиус приблизительно на 21,5 километра короче экваториального.

Таким образом, Земля по своей форме напоминает, скажем, мандарин, хотя сжата она, конечно, гораздо меньше. Наблюдая Землю со стороны, например с Луны, мы не могли бы заметить его. Сжатие Земли определяется так: нужно разницу между радиусами Земли разделить на экваториальный радиус. Получится дробь, выражающая сжатие.

Вычисление радиусов Земли и сжатия её делалось многими русскими и иностранными учёными. В наше время этой задачей занимался советский учёный Ф. И. Красовский. Он сделал самое точное вычисление радиусов и сжатия Земли. Экваториальный радиус определён им в 6378,245 километра, полярный — в 6356,863 километра, а сжатие — в 1/298,3.

Обычно же радиус Земли принято теперь считать равным 6371 километру, потому что объём и поверхность правильного шара с таким радиусом почти точно равны объёму и поверхности Земли.

Изучение формы Земли советскими учёными показало, что Земля сжата не только вдоль оси вращения, но и в плоскости экватора, то-есть, другими словами, диаметры экватора не одинаковой длины. Правда, это сжатие незначительно: разница между наибольшим и наименьшим диаметрами экватора составляет всего около 213 метров. Однако, как ни незначительно это сжатие, оно существует.

Теперь, когда учёные так точно определили форму Земли, нужно сказать, чтó подразумевают они под земной поверхностью. Ведь Земля не гладка, подобно бильярдному шару. На ней есть возвышенности, горные хребты, долины, впадины морей и океанов. Поэтому учёные принимают за земную поверхность уровень океана.

Но что же считать поверхностью Земли на суше? — спросите вы.

Так же уровень океана, мысленно продолженный на пространство материков.

Представьте себе, что мы прорезали все материки такими глубокими каналами, что все океаны и моря соединились между собой. Уровень воды в этих воображаемых каналах и принимается учёными за поверхность Земли.

4. Тяготение тел к Земле

Почему отвалившийся от скалы камень, подстреленная на лету птица или оторвавшееся от ветки яблоко падают? Над этим вопросом задумывались многие мыслители древности, тщетно ища на него ответа.

Один из виднейших учёных древности — Аристотель — так ответил на этот вопрос: тела падают, потому что они тяжелы. Но в таком случае, в чём же причина тяжести, заставляющей их падать?

Это удалось узнать, изучая движение небесных тел в пространстве.

Все тела в мировом пространстве — звёзды, планеты, метеориты — движутся. При этом все они тяготеют друг к другу. Это всеобщий закон природы.

Если бы этого не было, они двигались бы всегда по прямолинейным путям, потому что все тела стремятся сохранить прямолинейное движение. Так, при резком неожиданном повороте скачущей лошади седок вылетает из седла вперёд, так как его тело стремится сохранить первоначальное направление движения.

Стремление каждого тела сохранить прямолинейное направление и скорость своего движения называется инерцией.

Мы уже говорили, кáк натягивает вращаемая гирька шнурок вследствие центробежной силы. Эта центробежная сила — не что иное, как сопротивление тела изменению направления его прямолинейного движения, то-есть сопротивление инерции. Если бы шнурок оборвался, то гирька вследствие инерции полетела бы по прямой линии, касательной к описываемой ею окружности в той точке, в которой она находилась в момент обрыва шнурка.

Подобным же образом удерживаются на своих путях и планеты. Только вместо шнурка их «привязывает» к Солнцу сила тяготения.

Солнце также притягивается планетами, но сила притяжения его каждой отдельной планетой во столько раз меньше силы притяжения Солнцем, во сколько масса этой планеты меньше массы Солнца.

Каждая планета солнечной системы стремится двигаться в пространстве по инерции прямолинейно, но притяжение Солнца непрерывно отклоняет её от этого пути. Поэтому направление её движения постоянно искривляется, и планета перемещается по более или менее правильному кругу.

Эта идея была высказана в XVII веке английским учёным Гуком. Но он не развил эту мысль, не вывел законов движения планет. Создать теорию движения космических тел удалось только Ньютону.

Ньютон предположил, что сила тяготения между Солнцем и планетами изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, то-есть при уменьшении расстояния в 2 раза, сила тяготения увеличивается в 4 раза и, наоборот, при увеличении расстояния, например, в 3 раза, — уменьшается в 9 раз.

Сделав такое предположение, учёный сумел объяснить движение Луны вокруг Земли и всех планет вокруг Солнца, вычислить, по каким путям, с какой скоростью и в какие периоды времени они должны обращаться вокруг своего центрального тела. Расчёты были подтверждены данными, полученными путём наблюдений.

После этого уже нельзя было сомневаться в том, что всемирное тяготение действительно существует и управляет движением небесных тел.

А не действует ли сила тяготения и на земной поверхности? — задался вопросом Ньютон. Может быть всемирное тяготение и сила тяжести — одно и то же?

Но если это так, то сила тяжести должна подчиняться тому же закону, что и всемирное тяготение, то-есть изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния.

Это можно было проверить по движению Луны: если Луна движется под действием тяжести, то она должна «падать» к Земле, как, например, пушечное ядро после выстрела из орудия.

Учёные доказали, что выброшенное из пушки в горизонтальном направлении ядро в первую же секунду вследствие падения отклонится от него на 4,9 метра, или 4900 миллиметров. В следующую секунду оно отклонится от нового направления опять на 4,9 метра и так далее.

Луна находится в 60 раз дальше от центра Земли, чем ядро на земной поверхности. Поэтому сила тяжести на расстоянии Луны в 602, или 3600 раз, меньше, чем на Земле.

Если бы из пушки, удалённой от Земли на расстояние Луны, выстрелить в том направлении, в каком движется Луна, то ядро отклонялось бы в 3600 раз меньше, то-есть на 4900/3600 = 1,36 миллиметра.

Так именно и движется Луна по своей орбите, отклоняясь от прямолинейного направления, касательного к её орбите, на 1,36 миллиметра в каждую секунду. Но движением Луны управляет всемирное тяготение, а ядром — сила тяжести. Значит, всемирное тяготение и сила тяжести — одно и то же.

Если бы Земля была правильным шаром равномерной плотности и не вращалась, то сила тяжести в любой точке сё поверхности была бы одинакова.

Но, как показали наблюдения, сила эта меняется от места к месту, хотя и очень слабо.

Со времени этого открытия изучение силы тяжести стало одной из важнейших задач науки о Земле.

5. Измерение силы тяжести

Взвесив с помощью чрезвычайно чувствительных пружинных весов гирю в 100 граммов на высокой горе, мы увидели бы, что там она стала весить немного меньше, чем весила у её подножия.

Силу тяжести изучают по движению падающего тела. В механике силой называют действие одного тела на другое, изменяющее состояние тела. Пока на тело действует сила, которая привела его в движение, скорость тела постоянно увеличивается. Прирост скорости в каждую секунду называется ускорением.

Непрерывное действие силы тяжести на падающее тело можно сравнить с толчками, очень быстро следующими один за другим. Под действием таких «толчков» падающее тело в каждую секунду увеличивает скорость своего падения. Во вторую секунду падающее тело проходит большее расстояние, чем в первую. В третью — большее, чем во вторую, и так далее. Это увеличение скорости называется ускорением свободного падения. Его можно определить, измеряя скорость падающего тела в первую, вторую и последующие секунды. Но скорость движения падающих тел очень велика, и до XVI века учёные не могли её измерить.

Между тем знание законов падения тел очень важно, например для расчёта дальности полёта снарядов. Ведь вылетевший из пушки горизонтально или наклонно вверх снаряд во время полёта непрерывно падает (рис. 4). Не зная, как падают тела, каково ускорение падения, нельзя рассчитать и расстояния, которое пролетит снаряд.

Рис. 4. Полёт пушечного ядра. Каждую секунду ядро отклоняется вследствие своего падения от прямолинейного направления на расстояние бв, гд, еж.

Впервые опыты по изучению падения тел проделал в конце XVI века Галилей. В итальянском городе Пизе, где он жил, стояла высокая наклонная башня. С неё особенно удобно было сбрасывать тяжёлые предметы.

И вот молодой учёный стал делать опыты. Он сталкивал с площадки башни чугунные ядра разного веса либо сбрасывал оттуда кирпич или два кирпича, связанные вместе.

Все эти тела достигали Земли одновременно.

До опытов Галилея все учёные были уверены, что чем тяжелее тело, тем оно падает быстрее. Галилей опроверг это ошибочное мнение.

Правда, при опытах Галилея наблюдалась незначительная разница в скорости падения небольших и крупных ядер. Но она объясняется только сопротивлением воздуха, оказывающим относительно большее влияние на ядра меньших размеров. Если бы чугунные ядра падали в безвоздушном пространстве, они достигали бы земли одновременно. В школах на уроках физики часто показывают простой опыт, который доказывает это. В длинную стеклянную трубку, наглухо закрытую по обоим концам, помещают пушинку, мелкие кусочки бумаги, пробку и свинцовые дробинки. Когда трубку перевёртывают, помещённые в ней предметы падают. Дробинки и пробка сразу же пролетают всю длину трубки. Мелкие кусочки бумаги падают уже не так скоро. А пушинки медленно опускаются вслед за ними.

Но стоит с помощью воздушного насоса выкачать из трубки воздух, как вся картина меняется: не только кусочки бумаги, но и пушинка падают одновременно с дробью. Так доказывается, что только сопротивление воздуха замедляет падение кусочков бумаги и пушинки. А сила тяжести сообщает им одинаковое ускорение, от которого зависит скорость.

Может быть, у вас возник вопрос: а почему же всё-таки ускорение падения всех тел одинаково? Ведь когда падают тяжёлое ядро и пуля, то на ядро действует большая сила тяжести, а ускорение падения одинаково.

Это на первый взгляд странное явление объясняется различной массой этих тел.

Если взять два ядра различного веса, то одинаковый заряд пороха сообщит им различную скорость: ядро в два раза более тяжёлое вылетит со скоростью в два раза меньшей. Это зависит от различного сопротивления, которое оказывает масса ядра силе взрыва.

Когда на тело действует сила тяжести, заставляющая его падать на Землю, она также встречает сопротивление массы тела. Это сопротивление тело оказывает ускоряющему действию силы тяжести во всё время падения тела.

Теперь понятно, почему как один кирпич, так и два связанных вместе кирпича, сброшенные с высоты, падают одновременно. Хотя сила тяжести, действующая на два кирпича, вдвое больше силы тяжести, действующей на один кирпич, но зато она встречает и вдвое большее сопротивление.

Массу тела можно измерять его весом, потому что масса и вес пропорциональны. Так обычно и делают, взвешивая тела на весах. Не нужно, однако, забывать, что вес тела, то-есть сила притяжения его Землёй изменяется в зависимости от расстояния до центра Земли.

Когда мы взвешиваем тело, то сравниваем его массу с массой гири. На рычажных весах тело, весящее, скажем, 1 килограмм, везде будет уравновешивать эту гирю.

Но если взвешивание производить на пружинных весах, то при удалении от центра Земли мы заметим изменение веса тела.

Если бы мы удалились в мировое пространство на расстояние 60 земных радиусов от центра Земли, то увидели бы, что взятое нами ядро весом в 3600 граммов там весило в 602, или в 3600 раз, меньше, то-есть только 1 грамм.

Мы легко держали бы это ядро на конце мизинца, но чтобы бросить его рукой в пространство, понадобилось бы такое же усилие, как и на Земле, потому что сопротивление силе руки оказывает масса ядра, которая не изменилась. И брошенное ядро полетело бы с такой же скоростью, как и на земной поверхности.

Как показали наблюдения, вес тела не одинаков и в разных местах на земной поверхности. Оказалось, что сила притяжения тела Землёй меняется по мере движения вдоль меридиана: чем ближе к экватору, тем она меньше, чем ближе к полюсу — тем больше. Правда, изменение тяжести при этом очень невелико, но всё-таки учёные измерили его по изменению ускорения падающих тел.

Теперь посмотрим, кáк удаётся изучать падение тел при такой большой скорости, какая наблюдается на земной поверхности.

Предположим, что пуля падает с высокой стены вдоль разделённой на сантиметры рейки. Было бы трудно проследить с часами в руках, сколько делений в каждую секунду она пролетает, так как падает очень быстро.

Поэтому для изучения свободного падения тел были придуманы другие способы.

Учёные замедляют свободное падение, но так, чтобы движение тела оставалось вполне сходным со свободным падением. Например, вместо сталкивания со стены можно скатывать шар по гладкому жёлобу.

Шар катится свободно и его движение вполне сходно со свободным падением. Но зато оно происходит медленнее. За ним легко уследить глазами. Поэтому, наблюдая катящийся шар, можно легче изучать свободное падение.

Для этого нужно проследить, какой путь проходит шар, скатывающийся по очень пологому жёлобу в течение первой, второй, третьей и последующих секунд.

Из этих скоростей легко определить, насколько ускоряется скатывание шара под действием силы тяжести.

Зная же, как меняется скорость скатывания шара, можно вычислить по наклону жёлоба и ускорение свободно падающего тела.

Такие опыты были впервые осуществлены Галилеем. Он установил наклонную плоскость, длина которой превосходила в 12 раз высоту.

Шар скатывался на такой плоскости достаточно медленно, чтобы не принимать во внимание сопротивление воздуха. Наблюдая медленное скатывание шара по этой наклонной плоскости, Галилей мог определить длину пути, пройденного шаром в каждую секунду. Зная же наклон плоскости, он мог вычислить расстояния, проходимые в каждую секунду и свободно падающим телом.

Но если бы учёные исследовали падающие тела только с помощью наклонного жёлоба, им не удалось бы узнать, что сила тяжести на Земле меняется в зависимости от места наблюдения. Это открытие было сделано с помощью маятника.

Прежде чем говорить об исследованиях с помощью маятника, нужно познакомиться с его свойствами. Простой маятник — это тяжёлый шарик на тонкой нити, раскачивающийся из одной стороны в другую. Чтобы пользоваться им, нужно узнать, от чего зависит продолжительность одного колебания маятника, или, как говорят, величина его периода.

Подвесив небольшой груз на нитке, легко можно видеть, как влияет на период колебаний маятника его длина.

Укоротив нить маятника, например, в четыре раза, легко по часам определить, что маятник стал колебаться вдвое быстрее, то-есть период его колебания стал в два раза короче. Если же удлинить маятник, скажем, в девять раз, то период его колебаний увеличится в три раза.

Но на период колебаний маятника большое влияние оказывает и сила тяжести. Причину этого влияния понять нетрудно. Предположим, что маятник висит неподвижно. Отведите его в сторону, и он немного приподнимется. Если теперь отпустить его, то груз маятника начнёт падать.

Правда, он не падает по вертикали, а движется под действием тяжести ускоренно по дуге круга. Его движение сходно с движением скатывающегося по наклонному жёлобу шара. Когда груз маятника достигнет низшей точки своего пути, падение прекращается. Но по инерции он продолжает движение по дуге круга вверх. Теперь сила тяжести замедляет его движение на столько, на сколько ускоряла его на первой половине пути.

Значит, скорость колебаний маятника зависит, кроме его длины, ещё и от ускорения падения. Но ведь лёгкие и тяжёлые тела падают с одинаковой скоростью. Поэтому понятно, что свинцовый груз и лёгкая пробка, подвешенные на нитях равной длины, колеблются с одинаковой скоростью, то-есть период колебаний этих маятников не зависит от их веса.

Однако если подняться с маятником на высокую гору, то там сила тяжести ослабевает и уменьшается ускорение свободного падения. Понятно, что и маятник на высокой горе будет колебаться немного медленней.

Вот почему маятник может служить при изучении изменения силы тяжести: если она увеличится, маятник начинает колебаться быстрее; при уменьшении её он колеблется медленнее.

Это свойство маятника сделало его очень важным прибором при изучении изменения силы тяжести на земной поверхности.

6. Как меняется тяжесть на Земле

Прежде всего учёные применили маятник в часах. Измерение времени было одной из важнейших задач науки и практики.

Время измеряют часами, которые делят на минуты и секунды. Более длительные периоды времени измеряются сутками и месяцами. Продолжительность жизни людей определяют годами.

Откуда же взялись все эти единицы времени?

Они не произвольны, а связаны с явлениями в природе, происходящими всегда через равные промежутки времени.

Первыми часами людей было само Солнце. Все знают, как меняется в течение дня длина тени от деревьев и столбов. Ранним утром она очень длинна, а чем ближе к полудню, тем становится короче. Кроме того, меняется и её направление.

Значит, по тени столбика, падающей на гладкую площадку, можно определять время. На месте, освещаемом солнечными лучами, устанавливали столбик, отбрасывавший тень. Направление тени при восходе солнца было началом суток, продолжавшихся до следующего восхода. Конец тени, перемещающийся в течение дня вместе с движением Солнца, указывал часы.

Ясно, что в этом случае мы измеряем время скоростью вращения Земли, потому что видимое движение Солнца — только отражение этого вращения.

Когда были открыты законы движения маятника, были изобретены часы, ход которых регулировался колебаниями маятника.

В основу была положена остроумная идея: колебания маятника регулируют опусканием гири, а от неё, в свою очередь, маятник получает толчки, поддерживающие его колебания.

Выверив такие часы по Солнцу, учёные были уверены, что маятник будет точно регулировать их ход в любом месте земной поверхности, если не менять его длину.

Однако оказалось, что учёные ошибались. Их ожидало новое открытие: когда один из них предпринял путешествие из Парижа в Кайену (экваториальная зона Южной Америки), его часы по прибытии туда стали отставать, хотя длина их маятника не изменилась.

Причина этого явления заключалась в том, что скорость колебаний маятника зависит не только от его длины, но и от силы тяжести. Так как длина маятника не изменилась, значит, вблизи экватора уменьшилась сила тяжести.

В этом случае период колебаний маятника становится длиннее и часы должны отставать.

Сделанное открытие очень удивило учёных XVII века. Они не сразу согласились с тем, что это происходит от изменения силы, с которой грузик притягивается Землёй.

Прежде всего учёные подумали, что в отставании часов, привезённых на юг, виновата жара. Ведь маятник в часах — это не нить с грузом на конце, а металлический стержень. От нагревания он удлиняется, и, следовательно, должен колебаться медленнее.

Но удлинение маятника при температуре 30–40 градусов ничтожно. Поэтому скоро пришлось оставить эту мысль и согласиться с изменением силы тяжести на земной поверхности.

От чего же оно зависит? Учёные скоро нашли одну причину, изменяющую тяжесть на земной поверхности, — центробежную силу, возникающую вследствие вращения Земли.

Центробежная сила на земной поверхности стремится как бы удалить тело от оси вращения Земли и, следовательно уменьшает его вес, то-есть ослабляет силу тяжести.

Конечно, на полюсах, где тело не движется вокруг оси, не возникает и центробежной силы. Но чем дальше от полюсов, тем описываемый телом в течение суток круг становится всё больше. Движение тела делается всё быстрее, а вместе с ним растёт и центробежная сила.

Наибольшей величины она достигает на экваторе. Там каждое тело вследствие центробежной силы становится легче на 1/280 часть своего веса на полюсе.

К северу и югу от экватора потеря веса менее заметна. Но всё-таки она есть. Вот почему и маятник при переезде к экватору колеблется медленнее.

Таким образом, получается, что та сила, которая заставляет все тела на Земле падать, слагается из двух сил: силы притяжения тел Землёй и силы центробежной. Эту суммарную силу и называют силой тяжести.

Однако действием только центробежной силы нельзя полностью объяснить наблюдаемое при переездах вдоль меридиана изменение хода часов.

Как показали наблюдения над колебаниями маятника, сила тяжести ослабляется близ экватора на 1/190 веса тела на полюсе, то-есть уменьшается немного больше, чем от одной центробежной силы.

Чем же объяснить эту разницу? Значит, есть ещё одна причина, уменьшающая силу тяжести на экваторе по сравнению с полюсом.

Её нашёл Ньютон, указавший, что это «дополнительное» ослабление силы тяжести происходит вследствие сжатия Земли.

Так как Земля приплюснута у полюсов, то там тела находятся ближе к её центру, чем на экваторе. Поэтому и сила тяжести на полюсе вследствие сжатия Земли больше, чем на экваторе.

Вот как удалось, наконец, полностью объяснить отставание часов, перевезённых из Парижа к экватору.

Чтобы измерить силу тяжести в любом месте земной поверхности, можно было бы воспользоваться очень чувствительными пружинными весами. Так, например, отвешенные на полюсе 190 граммов песка на экваторе весили бы на тех же весах только 189 граммов. Подобным способом можно было бы определять изменение силы тяжести по весу тела и в других местах земной поверхности.

Но вместо этого учёные предпочитают определять ускорение свободного падения, которое пропорционально силе тяжести.

Наблюдая колебания маятника, легко определить в любом месте земной поверхности ускорение падения. Для этого нужно только сосчитать, сколько размахов сделает маятник, например, в течение пяти минут, и определить продолжительность периода его колебаний.

Так, например, если маятник сделает в течение 5 минут 600 колебаний, значит период одного колебания — полсекунды.

Зная период одного колебания и длину маятника, легко вычислить по очень простой формуле и ускорение свободного падения.

Передвигаясь от экватора вдоль меридиана, можно, пользуясь маятником, определять изменение ускорения свободного падения, которое характеризует силу тяжести.

Принимая Землю за правильный сжатый эллипсоид с равномерной плотностью, можно по географической широте данного места вычислить, какова там сила тяжести.

Но вычисленная величина силы тяжести почти всегда немного отличается от измеренной с помощью маятника.

Это доказывает, что форма Земли, то-есть уровень океана и воды в воображаемых каналах, прорезающих материки, немного отличается от поверхности сжатого эллипсоида.

Эту истинную форму Земли назвали геоидом.

На колебания маятника влияет много обстоятельств. Температура изменяет его длину, сопротивление воздуха и трение подвеса задерживают его движения. Даже изменение атмосферного давления влияет на колебания маятника.

Каждое наблюдение и обработка его результатов занимают много времени. Однако наблюдения колебаний маятника остаются одним из главнейших способов измерения силы тяжести.

Лишь в последние десятилетия для определения силы тяжести стали применяться другие приборы — гравиметры.

Идея газового гравиметра была дана ещё М. В. Ломоносовым, который называл этот прибор универсальным барометром. Ломоносов вообще уделял много внимания гравиметрическим измерениям, считая, что они очень важны для практических нужд, например для мореплавания.

Действие гравиметра основано на том, что с изменением силы тяжести изменяется давление столба ртути на сжимаемый им объём газа. Это изменение давления можно измерить и таким путём вычислить, на сколько изменилась сила тяжести.

Применяются гравиметры и другого устройства. Например, наблюдается изменение сжатия пружины грузом.

Маятник (отвес) оказал ещё одну услугу учёным: с его помощью удалось заметить изменение формы Земли под действием притяжения Луны и Солнца.

7. Изменение формы Земли

Вращение Земли заставило её сжаться вдоль своей оси. Постепенно частицы Земли пришли в равновесие. Однако форма её и теперь незаметно меняется под влиянием действующих на неё сил, например, притяжения Луны и Солнца и центробежных сил.

Как могут эти силы изменять форму Земли, нам показывает влияние их на водную оболочку, то-есть на океаны, покрывающие около 5/8 земной поверхности.

Представьте себе, что скорость вращения земного шара вдруг увеличилась. Что произошло бы при этом на Земле?

Вдоль экватора прокатилась бы волна вследствие отставания массы воды от ускорившей вращение твёрдой Земли, а затем подвижные воды океанов, поддавшись увеличившейся центробежной силе, переместились бы ближе к экватору и затопили бы огромные пространства.

К счастью, резкие изменения вращения Земли невозможны. Наблюдаемые же ничтожные ускорения и замедления вращения не оказывают заметного влияния на уровень океанов.

При изменении скорости вращения Земли изменилась бы и форма её.

Правда, понадобилось бы чрезвычайно продолжительное время для того, чтобы Земля ещё больше сплюснулась у полюсов и вытянулась в плоскости экватора. Но всё-таки это произошло бы с ней в случае ускорения её вращения.

Даже ничтожнейшие изменения в скорости вращения, которые замечены учёными, не могли пройти совершенно бесследно для формы Земли.

В природе есть и другие силы, влияющие на изменение её формы.

Ведь Земля — одна из планет солнечной системы. На неё действуют силы притяжения Луны, Солнца и планет. Наибольшее влияние на форму Земли оказывает Луна, так как она — наша ближайшая «соседка» в мировом пространстве.

На каждую частицу Земли действует лунное притяжение. Оно давно замечено людьми по морским приливам и отливам, то-есть периодическому поднятию и опусканию уровня воды у берегов океана.

У берегов Чёрного или Балтийского морей почти не замечается приливов и отливов. Уровень их в течение суток остаётся почти неизменным, так как это закрытые моря с небольшим количеством воды.

В Средиземном море уже наблюдаются приливы и отливы, хотя значительно меньшей силы, чем в океане.

Когда в океане во время прилива поднимается вода, то кажется, что на берег катится волна. Приливная волна подпирает воду впадающих в океан рек. Подъём воды наблюдается в таких реках далеко от их устья.

Морякам очень важно знать час наступления и высоту прилива. Поэтому люди потратили много труда, чтобы составить таблицы приливов и отливов в разных частях земной поверхности.

Приливы издавна привлекали внимание учёных. Ученые заметили, что прилив следует за суточным движением Луны, хотя и запаздывает иногда на несколько часов, вследствие трения между частицами воды (последнее доказано уже в наше время).

Объяснить причины приливов было очень трудно. Никто из учёных не мог понять этого явления, пока не был открыт закон всемирного тяготения. Только тогда стала проясняться тайна морских приливов и отливов. Оказалось, что это перемещение водных масс тесно связано с движением Земли и Луны в пространстве и с притяжением Луной вод океанов.

Вода океанов, находящихся на той стороне земного шара, которая обращена к Луне, испытывает притяжение Луны в наибольшей степени. Земля в целом вследствие того, что её центр находится дальше от Луны, чем океаны, обращённые к Луне, испытывает меньшее притяжение, и, следовательно, получает меньшее ускорение по направлению к Луне. А вода океанов, лежащих на противоположной от Луны стороне, притягивается ещё слабее и как бы отстаёт от земного шара, подвинувшегося к Луне больше, чем эти воды. Таким образом и получается, что на стороне, обращённой к Луне, и на противоположной стороне мы наблюдаем поднятие вод океанов, т. е. приливы.

Вследствие вращения Земли Луна совершает кажущееся суточное обращение вокруг неё. Волна прилива движется вслед за ней. Одновременно перемещается волна и на противоположной стороне Земли.

Приливообразующие силы влияют на частицы не только воды океанов, но и всей Земли. Но подвижные частицы воды легче поддаются им, чем частицы твёрдой Земли. Поэтому по поверхности твёрдой Земли и движется волна морского прилива.

Теперь представим себе, что Земля была бы жидким телом, то-есть её частицы не были бы связаны между собой.

Тогда прилив захватил бы жидкую Землю до большой глубины. По мере суточного движения Луны он перемещался бы вслед за ней.

Если бы мы посмотрели тогда на Землю «со стороны», то могли бы заметить, что она постоянно понемногу меняет форму, вытягиваясь по направлению к Луне.

Это изменение было бы, конечно, невелико. Земной диаметр увеличивался бы только на 130–180 сантиметров.

Твёрдая земная кора толщиной в несколько десятков километров не помешала бы изменению формы Земли. Под давлением изнутри она изгибалась бы, как тонкая резиновая оболочка.

Находясь на поверхности коры, покрывающей жидкую Землю, мы не смогли бы наблюдать движение отвеса, который всегда оставался бы перпендикулярным к земной поверхности.

Но если бы форма Земли вовсе не подвергалась изменению, то отклонение отвеса было бы заметно. Можно вычислить, что отвес длиной 120 километров отклонялся бы в этом случае на 1 сантиметр. Если бы можно было установить такой отвес, то его конец в течение суток вычерчивал бы замысловатую фигуру, следуя за суточным движением Луны (рис. 5).

Рис. 5. Кривая, которую описывал бы маятник (отвес) в течение суток под влиянием притяжения Луны. Цифрами указаны часы.

Однако спустить отвес с высоты 120 километров практически невозможно. Взамен его учёные придумали очень чувствительный прибор, позволяющий наблюдать изменение положения воображаемого очень длинного отвеса. С помощью этого прибора русский астроном А. Я. Орлов производил наблюдения на обсерватории в г. Юрьеве (ныне Тарту). Он установил, что в течение суток положение отвеса на земной поверхности меняется, но меньше чем показывает расчёт для Земли, не поддающейся изменению формы. Значит, Земля — твёрдое тело, но всё же немного поддающееся изменению формы под действием притяжения Луны и Солнца.

Твёрдая земная кора слегка «коробится», образуя под Луной бугор «твёрдого» прилива. Высота «твёрдого» прилива по вычислению учёных равна примерно 1/3 высоты волны прилива в открытом океане.

Мы не замечаем поднятия и опускания земной коры, совершающихся приблизительно через каждые 6 часов, так же как команда судна в открытом море не замечает поднятия воды: судно поднимается и опускается вместе с ней, и это плавное движение незаметно.

Когда же приливная волна поднимается возле берега, она становится заметной, так как берег неподвижен и уровень воды относительно него повышается.

Но, как уже было сказано, берег и дно моря также немного поддаются приливообразующим силам и поднимаются, хотя и меньше, чем вода океана. Вследствие этого видимое поднятие приливной волны кажется нам меньше, чем оно есть в действительности.

Как показывает расчёт, поднятие уровня воды в открытом океане могло бы достигать почти 0,8–0,9 метра, а на самом деле оно на 0,20–0,25 метра меньше.

Это уменьшение поднятия уровня океана происходит потому, что на 0,20–0,25 метра поднимается твёрдая земная кора.

По высоте «твёрдого» прилива можно судить о твёрдости Земли в делом.

Земля сопротивляется изменению её формы, как закалённая сталь. При этом Земля проявляет не только твёрдость, но и большую упругость: бугор «прилива» в твёрдой земной коре следует за видимым движением Луны без опоздания и немедленно же спадает, как только прекращается действие на него приливных сил.

Земля постоянно меняет форму, вытягиваясь по направлению к Луне под действием приливных сил. Но как только эти силы прекращаются в определённом направлении, она «выпрямляется», как сжатый резиновый мяч.

8. Вращение Земли

Как мы уже говорили, вращение Земли было открыто ещё в XVI веке, но доказано оно на опыте только в XIX веке.

Казалось бы, что, находясь на Земле, мы никак не можем заметить её вращения по каким-либо явлениям, происходящим на земной поверхности.

На самом же деле вращение Земли отражается на движениях тел на её поверхности. Это можно заметить.

Например, если сбросить шарик с высокой башни, то он немного отклонится от вертикали к востоку. Это произойдёт потому, что, находясь наверху башни, шарик при вращении Земли с запада на восток движется быстрее, чем основание башни. Падая, он сохраняет по инерции большую скорость своего движения и немного перегоняет земную поверхность.

Поэтому шарик и упадёт с отклонением от вертикали к востоку. Это отклонение, однако, невелико. Например, при падении с высоты колокольни Ивана Великого в Московском Кремле отклонение шарика к востоку должно быть менее 9 миллиметров.

В самом начале прошлого века этот опыт помог наглядно доказать вращение Земли. Позднее, в середине того же века, было сделано ещё одно замечательное наблюдение.

Из опыта было известно, что маятник стремится сохранить направление своих колебаний. Этот опыт может повторить каждый.

Подвесьте на тонкой нитке гайку или свинцовую пулю на стойке, которая может поворачиваться вокруг оси, проходящей через точку подвеса этого маятника.

При вращении стойки направление колебаний маятника останется неизменным.

Теперь представьте себе, что длинный тяжёлый маятник, могущий колебаться в течение нескольких часов, подвешен на полюсе Земли. И в этом случае маятник будет сохранять плоскость своих колебаний, а земная поверхность под ним будет вращаться.

Наблюдателю же, стоящему на вращающейся Земле, будет казаться, что поворачивается плоскость колебаний маятника, следуя за видимым суточным движением звёзд.

В средних широтах этот опыт был проделан впервые французским физиком Фуко в середине XIX века.

В наше время в Ленинграде в здании Исаакиевского собора был подвешен маятник длиной 98 метров. Так как Ленинград гораздо ближе к полюсу, чем Париж, где производил свой опыт Фуко, то отклонение плоскости было большим, чем в его опыте.

Итак, не подлежит никакому сомнению, что Земля — вращающийся шар. В этом движении она подчиняется тем же законам, как и обыкновенный волчок.

Волчок имеет вид конуса. Через центр его основания и вершину проходит ось, вокруг которой он вращается.

Волчок вращается на столе, опираясь на него вершиной конуса.

Сила тяжести стремится повалить волчок на стол. Но, быстро вращаясь, он сохраняет направление своей оси в пространстве. Сила тяжести только заставляет ось волчка описывать поверхность конуса с вершиной в точке его опоры. При этом угол, составляемый осью волчка с плоскостью стола, не меняется, пока вращение его не ослабеет.

Подобное же движение может совершать и воображаемая ось вращения Земли, если только на неё действует какая-нибудь сила, стремящаяся изменить её положение в пространстве.

Такой силой является притяжение Земли Луной и Солнцем.

Земля, как мы уже говорили, сплющена у полюсов и вытянута в плоскости экватора. Её можно представить себе в виде правильного шара, опоясанного по экватору тяжёлым кольцом.

Если бы это кольцо лежало в плоскости лунной орбиты (орбита — путь, описываемый космическим телом), то Луна не влияла бы на направление земной оси вращения.

Но кольцо наклонено к плоскости лунной орбиты, а Луна стремится притянуть его в эту плоскость. При этом, конечно, ось Земли должна бы отклониться от своего направления в пространстве.

Но, как и вращающийся волчок, Земля сопротивляется изменению направления её оси. Поэтому Луна не может притянуть кольцо, а только заставляет земную ось описывать в пространстве поверхность конуса с вершиной в центре Земли.

Это движение земной оси давно замечено астрономами.

Мысленно продолженная ось вращения Земли упирается в полюс мира, вокруг которого совершают суточное круговое движение звёзды. Вследствие движения земной оси по поверхности конуса полюс мира совершает круговой путь по небу. В настоящее время он находится вблизи Полярной Звезды, но через 12 000 лет приблизится к самой яркой звезде северного полушария — Веге, а через 13 700 лет после того вновь вернётся к Полярной Звезде.

Земля — гигантский волчок.

Движение её оси по поверхности конуса, которое у волчка совершается несколько раз в течение одной секунды, завершается в продолжение 25 700 лет.

Это не единственное движение земной оси. Она подвержена и другим колебаниям, которые можно наблюдать у вращающегося волчка.

9. Строение земного шара

В чём же причина большой твёрдости Земли? Одета ли она чрезвычайно твёрдой и толстой корой? Или, может быть, она целиком — очень твёрдое тело?

Пока о состоянии вещества Земли мы можем судить только по тому, чтó наблюдаем на её поверхности.

Люди пробурили скважины на 5–6 километров вглубь Земли. Оказалось, что на такой глубине температура горных пород выше 100 градусов.

Поднятие температуры, наблюдающееся при углублении в земные недра, препятствует проведению шахт глубже 2,5 километра.

В верхних слоях земной коры температура обычно повышается на 1 градус через каждые 30–50 метров. Но в некоторых местностях, например на Камчатке и в районе Минеральных Вод на Северном Кавказе, она повышается гораздо быстрее, в других же местностях, например в западной части Донецкого бассейна, наоборот, — значительно медленней.

Пока ещё не известно, как быстро повышается температура на глубине, бóльшей 6 километров. Однако извержения огненно-жидкой лазы вулканами доказывают, что на глубине 2–3 десятков километров температура очень высока.

Вулканическая лава имеет температуру около 1000 градусов. Значит, горные породы на той глубине, откуда поднимается лава, нагреты не меньше, чем до той же температуры.

Всё это говорит как будто о том, что Земля внутри расплавлена. Так именно и считали учёные до недавнего времени. Однако теперь это мнение отвергнуто: по современным данным науки Земля — твёрдое тело.

Твёрдым телом называют такое, у которого частицы сопротивляются сдвигу относительно друг друга без изменения объёма тела. Таковы, например, металлы. Стремясь изменить форму металлического кубика, мы встречаем большое сопротивление его частиц сдвигу.

Частицы жидкого тела, например, воды или расплавленного металла, не сопротивляются сдвигу. Поэтому жидкость принимает любую форму сосуда, в который она налита.

Изменению же объёма сопротивляются и твёрдые, и жидкие, и газообразные тела.

Как теперь предполагают, температура внутри Земли нигде не превышает 2000–2500 градусов. Правда, нагретые до такой температуры на земной поверхности горные породы расплавляются. Но внутри Земли они находятся под огромным давлением, которое препятствует расширению объёма, сопровождающего плавление почти всех тел.

Поэтому, несмотря на такую высокую температуру, горные породы внутри Земли остаются твёрдыми.

Только в тех случаях, когда земная кора раскалывается, образуя глубокие трещины, на дне которых давление резко уменьшается, раскалённые твёрдые горные породы расплавляются. Образующаяся лава поднимается по трещине и изливается на поверхность.

О состоянии горных пород на больших глубинах мы не можем узнать с помощью шахт и буровых скважин, которыми можно исследовать лишь самую верхнюю часть земной коры. Лишь наблюдения над распространением сейсмических колебаний в земле позволяют судить о том, какова она внутри.

Землетрясения — не редкое явление в природе. Земная кора почти всегда находится в колебательном состоянии, хотя это можно заметить только с помощью очень чувствительных приборов.

Иногда же, когда сотрясение почвы становится более сильным или даже разрушительным, говорят, что произошло землетрясение[2].

Толчки, колеблющие почву, происходят вследствие перемещения глыб земной коры. Эти сдвиги наблюдаются главным образом в горных странах, особенно вдоль берегов Тихого океана и на полосе, простирающейся с севера на юг по середине Атлантического океана. Широкая полоса землетрясений проходит от Охотского моря вдоль южной границы СССР до его западной границы.

После сильных землетрясений наблюдаются сдвиги в земной коре вдоль образовавшихся трещин. Большей частью земная кора по одну сторону трещины опускается, образуя так называемый сброс. Но бывает, что глыбы земной коры передвигаются вдоль трещины в горизонтальном направлении.

Так было, например, во время землетрясения в 1906 году в Калифорнии (Северная Америка). Калифорния перерезана трещиной длиной около 750 километров. Во время землетрясения участки земной коры вдоль этой трещины передвинулись относительно друг друга по горизонтали до 6 метров. Это было ясно видно по дорогам и изгородям, пересекавшим трещину.

Конечно, подобные передвижения больших масс земной коры сопровождаются резкими сотрясениями.

Прямо над центром землетрясения, находящимся глубоко под землёй, чувствуется вертикальный удар снизу вверх. Но чем дальше от центра землетрясения на земной поверхности, тем более наклонно к ней выходят колебания. В первом случае толчок подбрасывает тела, во втором он валит их.

Определив угол наклона выхода колебаний землетрясения и зная расстояние до центра его на поверхности, можно вычислить глубину, на которой произошёл толчок.

Оказалось, что толчок землетрясения большей частью происходит на глубине десятков километров. Изредка наблюдаются сильные толчки и на гораздо больших глубинах, но не глубже 800–900 километров.

От толчков, производящих землетрясение, происходят упругие колебания, которые распространяются в Земле во все стороны волнами.

Эти волны дают возможность судить о состоянии вещества глубин Земли: скорость упругих колебаний зависит от плотности и от сопротивления тела сдвигу его частиц, то-есть твёрдости тела; поэтому по скорости распространения этих колебаний можно судить о свойствах среды, в которой они распространяются.

Колебания бывают двух родов.

Если ударить по натянутой струне карандашом, то частицы её сдвинутся и этот сдвиг передастся вдоль струны, причём колебания частиц струны произойдут поперек неё.

Такие — поперечные — колебания могут происходить только в твёрдой среде — металле, камне и им подобных телах, частицы которых сопротивляются сдвигу. В воде, масле и других жидкостях их не может быть, потому что сдвигаемая в сторону частица жидкости не сопротивляется и не возвращается в прежнее положение.

Но возникают и другие — продольные — колебания. Они подобны колебанию частиц воздуха при распространении звука. В этом случае частицы колеблются по направлению их распространения. Продольные колебания возникают и в жидких телах.

В начале нынешнего века русский учёный Б. Б. Голицын начал изучение колебаний, которые распространяются через глубины Земли от очень далёких землетрясений.

Нелегко заметить колебания, которые, возникнув от землетрясения, скажем на Камчатке, достигли Москвы, пройдя через глубины не менее 2000 километров.

На Камчатке, где произошло землетрясение, почва колебалась очень сильно. Но, достигнув Москвы, колебания настолько ослабевают, что смещения почвы из стороны в сторону не превышают десятых или даже сотых и тысячных долей миллиметра.

Б. Б. Голицын изобрёл и построил чувствительнейшие приборы, сейсмографы, которые отзываются и на такие ничтожные колебания почвы.

Сейсмографы Б. Б. Голицына основаны на очень простом явлении.

Представьте себе, что в подвале, куда не достигают сотрясения почвы от проходящих грузовых машин и поездов, неподвижно висит маятник.

Когда приходит колебание от далёкого землетрясения и почва сдвигается вправо, маятник по инерции остаётся в покое, а наблюдателю кажется, что маятник отклоняется влево. Когда почва затем двинется влево, будет казаться, что маятник качнулся вправо.

На конце маятника укреплено перо, которое чертит при этих кажущихся колебаниях на движущейся ленте зигзагообразную линию — сейсмограмму. По ней можно видеть, сколько раз в секунду и с каким размахом «отклонялся» маятник.

Чтобы приборы давали правильные показания, необходимо соблюдение некоторых условий. Главное из них, чтобы сам маятник не раскачивался, в противном случае он начнёт записывать собственные колебания, а не колебания почвы.

Сейсмограф — это обычно горизонтальный стержень с грузом на свободном конце. За середину он подвешен к верхней части стойки, а за один из концов прикреплён нитью к её основанию. Так стержень висит горизонтально, поддерживаемый в пространстве двумя нитями (рис. 6).

Рис. 6. Горизонтальный маятник.

Стержень колеблется в горизонтальной плоскости. Регулируя длину нити, на которой он подвешен за середину, можно добиться того, что его собственные колебания будут во много раз медленней, чем колебания почвы.

Такой маятник сам не выйдет из состояния покоя и будет показывать только отклонения почвы. Им и воспользовался Голицын для своего сейсмографа.

Однако отмечаемые этим прибором отклонения составляют лишь десятые или даже сотые доли миллиметра. Для записи же нужно увеличить их в сотни и тысячи раз.

Самый простой способ увеличения — прикрепить к маятнику маленькое зеркальце, которое отбрасывает свет лампы — «зайчик» — на далеко отставленный экран. При малейшем повороте зеркала «зайчик» будет заметно передвигаться.

Маятник остаётся неподвижным, а почва со стоящими на ней лампой и экраном колеблется из стороны в сторону, и «зайчик» передвигается по экрану.

Отражённый свет падает на фотографическую плёнку, и его движение запечатлевается на ней. Светочувствительная лента приводится в движение часовым механизмом, и светлое пятнышко чертит на ней зигзаги сейсмограммы, так что прибор работает автоматически.

Для регистрации вертикальных колебаний почвы применяется такое устройство. Стержень, один конец которого с помощью шарнира вращается на вертикальной стойке, подвешен за середину на спиральной пружине. На другом конце стержня укреплён груз с пером, которое касается ленты на вращающемся барабане (рис. 7).

Рис 7. Сейсмограф, отмечающий вертикальные колебания почвы.

При вертикальном колебании почвы груз остаётся в покое, а стойки и барабан перемещаются то вверх, то вниз. Наблюдателю же кажется, что колеблется перо и чертит на движущейся ленте зигзагообразную линию.

Советские учёные изобрели приборы ещё более совершенные, чем построенные Голицыным. Особенную известность получили сейсмографы Д. П. Кирноса, П. М. Никифорова, Г. А. Гамбурцева, Д. А. Харина и других советских учёных. В основном они сходны с сейсмографами Б. Б. Голицына, но показания их более точны, и они удобнее для работы.

Сейсмографы, установленные на сейсмических станциях нашей страны и других стран мира, отмечают приход колебаний на различные станции, а также определяют угол, под которым выходят эти колебания на поверхность Земли.

Изучая сейсмограммы, можно мысленно наметить путь, по которому колебания пришли на станцию, и узнать их среднюю скорость.

Но как определить, с какой скоростью шли колебания на разной глубине?

Это — сложная задача. Её можно решить, сравнивая время прихода колебаний на разные станции, находящиеся на различном расстоянии от центра землетрясения.

С помощью таких наблюдений и сложных расчётов учёные доказали, что чем глубже внутрь Земли, тем быстрее распространяются колебания. Это значит, что с глубиной увеличиваются её твёрдость и упругость.

Наблюдения показали также, что поперечные волны, распространяющиеся только в твёрдых телах, глубже 2900 километров не проходят.

Повидимому, глубже 2900 километров резко меняются свойства Земли: в центральном ядре Земли, как в жидкостях, не распространяются поперечные колебания.

Но мы не можем считать вещество ядра Земли жидким, так как оно находится под давлением около двух миллионов килограммов на один квадратный сантиметр.

При таком давлении сходное с жидкостью пластичное тело может обладать совсем новыми, незнакомыми нам свойствами.

Это доказывают даже лабораторные опыты. Например, лепёшка из глиняного теста под давлением в десятки тысяч атмосфер слегка вдавливается в твёрдые стальные плиты. Мягкий парафин под таким давлением проникает в сталь.

Поэтому пока ещё нельзя судить о физических свойствах центрального ядра Земли, находящегося под давлением, в сотни раз большим. Однако по отношению к поперечным колебаниям ядро Земли ведёт себя, как жидкое тело.

Новейшими исследованиями советских геофизиков доказано, что внутри ядра диаметром около 7000 километров находится меньшее ядро диаметром около 2800 километров. Это меньшее ядро проявляет свойства твёрдого тела, так как в нём, повидимому, могут распространяться и поперечные колебания.

10. Состав и происхождение Земли

Итак, мы познакомились с физическими свойствами Земли, но теперь остаётся ещё один интересный вопрос: а из чего же состоит наша планета и как она образовалась?

О составе Земли мы можем судить только по горным породам земной коры и средней плотности или удельному весу всей Земли в целом, или по каким-либо иным, но косвенным признакам.

Учёные уже давно исследовали горные породы земной коры. Как оказалось, земная кора состоит в основном из окислов, то-есть соединений с кислородом нескольких лёгких металлов — кремния, алюминия, кальция, магния, натрия и калия.

Как показали расчёты учёных, удельный вес земной коры в среднем равен 2,75, то-есть 1 кубический метр горных пород в среднем весит 2,75 тонны.

Если бы весь земной шар состоял из таких же горных пород, то легко было бы вычислить его массу. Для этого нужно было бы помножить 2,75 тонны на число кубических метров, заключающихся в объёме земного шара. Но мы не знаем, из чего состоит Земля внутри.

Как же всё-таки определить массу Земли? О ней можно судить только по силе притяжения Землёй других тел, так как сила притяжения Земли зависит от её массы.

Не только Земля, но и все другие тела притягивают друг друга. Мы не замечаем этого лишь потому, что притяжение их очень незначительно.

Но такое огромное тело, как гора, уже в состоянии чуть-чуть отклонить отвес, оттягивая в свою сторону его грузик.

Пользуясь этим, можно сравнить массу горы и Земли. Нужно только измерить действие притяжения грузика горой, а потом сравнить с силой притяжения его Землёй, учитывая при этом, что отвес находится гораздо ближе к центру тяжести горы, чем к центру Земли.

Производя наблюдения вблизи горы, учёные установили, что отвес действительно немного отклоняется в её сторону. Угол отклонения очень мал, по всё-таки его удалось измерить, а по этому углу вычислить и силу притяжения грузика горой.

Оказалось, что если бы Земля была вся из таких горных пород, как гора, то она притягивала бы отвес в два раза слабее, чем это происходит в действительности.

Такое наблюдение несколько раз производилось учёными ещё в XVIII веке. Они тщательно обмеряли гору, чтобы поточнее определить её объём и вес.

Но это задача не из лёгких. Тут всегда возможны большие ошибки. Нелегко, например, найти точно центр тяжести горы и определить расстояние от него до отвеса.

Поэтому учёные искали другой способ определения «веса» Земли.

Вот если бы сравнить притяжение маленького шарика Землёй и свинцовым шаром, то определить её массу можно было бы несравненно точнее: шар весь виден, его диаметр и вес известны точно, а расстояние от него до маленького шарика легко измерить.

Однако заметить притяжение большим свинцовым шаром маленького шарика долго не удавалось: для этого нужен был очень чувствительный прибор.

Только так называемые крутильные весы (рис. 8) позволили обнаружить притяжение между свинцовыми шарами.

Рис. 8. Крутильные весы — прибор, позволивший измерить притяжение между большими и маленькими свинцовыми шарами.

Крутильные весы устроены несложно: лёгкий деревянный стержень с маленькими свинцовыми шариками по концам подвешен за середину на тонкой металлической нити, которая слабо сопротивляется закручиванию.

Это легко видеть, повернув стержень в горизонтальной плоскости и затем отпустив его: стержень не останется в покое, а начнёт колебаться в горизонтальной плоскости так же, как колеблется обыкновенный маятник. По периоду колебаний стержня можно вычислить и силу сопротивления нити.

С помощью крутильных весов и было впервые определено притяжение маленького свинцового шарика большим шаром.

К концам стержня крутильных весов придвинули по большому свинцовому шару так, что шары находились по разным сторонам от него. Маленькие шарики потянулись к ним, как железо к магниту, закручивая металлическую нить.

По углу закручивания нити учёные вычислили силу притяжения между большим свинцовым шаром и маленьким шариком. Вес же маленького шарика есть сила притяжения его Землёй.

Сравнивая их, конечно, нужно помнить, что Земля и большой свинцовый шар притягивают маленький шарик с такой силой, как будто масса каждого из этих тел сосредоточена в его центре.

С помощью крутильных весов учёные очень точно определили массу Земли. Она оказалась в 5,52 раза больше массы водяного шара таких же размеров.

Но средний удельный вес горных пород земной коры вдвое меньше, чем всего земного шара. Значит, внутри Земля состоит из каких-то других, более тяжёлых горных пород.

В природе есть много руд, значительно более тяжёлых, чем обычные горные породы — гранит, базальт и другие, слагающие земную кору. Таковы, например, железные руды. Если Земля внутри богата железом, то этим можно объяснить её большой «вес».

И, действительно, изучая состав горных пород земной коры, учёные пришли к заключению, что чем они глубже, тем в них больше железа.

Верхнюю часть суши составляют слоистые горные породы. Под ними залегает гранитная оболочка — «фундамент» материков.

Гранитная оболочка Земли имеет толщину 10–15 километров. Под ней лежит базальтовая оболочка, состоящая из тёмных горных пород — базальтов, гораздо более богатых железом, чем гранит и слоистые породы.

В некоторых местах на земную поверхность выходят с больших глубин ещё более богатые железом так называемые ультраосновные горные породы.

Поэтому учёные предполагают, что под базальтовой оболочкой Земля до глубины приблизительно 1200 километров состоит из таких ультраосновных оливиновых пород (оливин — тёмно-зелёный минерал, в составе которого много железа и магния).

Части Земли, лежащие глубже 1200 километров, должны состоять из ещё более тяжёлых пород: только в этом случае средний удельный вес Земли может быть равен 5,52.

Хотя среди земных горных пород не найдено более тяжёлых, чем оливиновые, в природе они существуют.

Таковы, например, железо-каменные и железные метеориты, падающие из мирового пространства на земную поверхность.

Железо-каменные метеориты состоят из оливина и чистого железа в различной пропорции. Они тяжелее и богаче железом любой земной горной породы.

Академик А. Е. Ферсман предполагал, что из пород, подобных железо-каменным метеоритам, и состоит оболочка земного шара между мощным слоем оливиновых пород и земным ядром.

В этом случае естественно предположить, как это и делает большинство учёных, что земное ядро, подобно железным метеоритам, состоит из чистого железа.

* * *

Ответ на вопрос о том, как произошла Земля, даёт теория происхождения планет солнечной системы, предложенная советским учёным академиком О. Ю. Шмидтом.

Солнце движется в мировом пространстве, увлекая за собой окружающие её планеты, вокруг центра нашей звёздной системы.

Как предполагает О. Ю. Шмидт, Солнце некогда было окружено «облаком» космической пыли, газа и более крупных частиц. Частицы «облака» обращались вокруг Солнца по различным путям. Сталкиваясь друг с другом, они «слипались» и образовали несколько скоплений, которые двигались вокруг Солнца в том направлении, в котором теперь обращаются планеты.

Это были зародыши будущих планет. Двигаясь в облаке частиц, они всё увеличивались, подобно снежному шару, катаемому по покрытому снегом полю.

Так, по теории академика О. Ю. Шмидта, образовалась и Земля.

Сперва накопление частиц шло очень быстро. Но чем крупнее становились планеты, тем больше редело «облако».

Когда частицы образовали скопления (планеты), состав планет был сперва однородным.

Под большим давлением отдельные частицы уплотнились. Земля стала сплошным телом, в котором началось перемещение лёгких и тяжёлых частиц.

Это перемещение вследствие чрезвычайно большой вязкости вещества твёрдой Земли (превосходящей в сто миллиардов раз вязкость твёрдого сургуча) очень медленно; оно происходит и сейчас.

Тяжёлые железные частицы опускаются всё глубже. Каменные «всплывают» вверх, образуя земную кору.

Частицы, образовавшие Землю, были холодны. Хотя при столкновениях они могли нагреваться, по это тепло быстро рассеивалось в пространстве.

Но в каменных частицах, поднимавшихся к поверхности земного шара, заключались радиоактивные вещества[3], которые в процессе своего распада выделяют тепло. Вследствие плохой теплопроводности земной коры их тепло накоплялось в толще земной коры. Этим и объясняется повышение температуры горных пород с глубиной, которое наблюдается в шахтах и буровых скважинах.

Как полагает академик О. Ю. Шмидт, разогревание земного шара в его глубоких центральных частях продолжается и теперь.

Но в земной коре, по мнению О. Ю. Шмидта, «…температура уже прошла через свой максимум и теперь медленно падает. В отдельных местах земной коры, где накопилось больше радиоактивных веществ, разогрев доходит до плавления горных пород (1000–1300°), так что образуется магма, которая иногда выливается наружу через жерла вулканов. Но это явление местное».

«Новая теория, — продолжает О. Ю. Шмидт, — в этом вопросе резко расходится с господствующим до сих пор в геологии взглядом, что Земля была вначале горячей, даже огненно-жидкой, и постепенно остывала, покрываясь корой».

Заключение

Теперь, познакомившись со свойствами Земли, мы видим, что её нельзя изучать как тело, изолированное от остального мира. Земля живёт в тесной взаимосвязи с другими небесными телами.

Земля продолжает развиваться — на ней поднимаются и разрушаются горы, внутри неё продолжается перемещение больших масс вещества. Под влиянием трения волн приливов постепенно вращение Земли замедляется, что в свою очередь влияет на форму Земли.

Воздух, вода, резкие изменения температуры разрушают неровности земной поверхности, сглаживают её.

Так постепенно меняется лицо Земли.

Советские учёные — геологи, геодезисты, геофизики, геохимики — всё глубже проникают в тайны Земли, развивая единственно научное материалистическое понимание процессов, протекающих в Земле, ставят богатства недр на службу человеку.

Содержание

Введение… 3

1. Форма Земли… 3

2. Величина земного шара… 8

3. Сжатие Земли… 13

4. Тяготение тел к Земле… 17

5. Измерение силы тяжести… 20

6. Как меняется тяжесть на Земле… 25

7. Изменение формы Земли… 29

8. Вращение Земли… 33

9. Строение земного шара… 35

10. Состав и происхождение Земли… 42

Заключение… 48


Примечания

1

Егигетская стадия равнялась примерно 0,15 км.

2

О землетрясениях подробно рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки»: проф. Г. П. Горшков, Землетрясения.

3

О радиоактивных веществах см. брошюру «Научно-популярной библиотеки»: К. Б. Заборенко, Радиоактивность.