2.8. Сжатие Земли

2.8.1. Земля: эллипсоид вращения

Земля не сжимается на полюсах,

она расширяется на экваторе.

Земля – не шар, она имеет форму эллипсоида вращения, сплюснутого у полюсов. Для оценки сжатия Земли человечеству потребовалось немало усилий. А началось все это из-за расхождения хода часов. Француз Жан Рише в 1672 г. заметил, что его маятниковые часы, точно показывающие время в Париже, вдруг стали отставать на 2,5 минуты в сутки близ экватора в г. Кайенне (Французская Гвиана). Возникло подозрение, что почему-то полегчал груз, приводящий в движение механизм часов. Об этой истории стало известно Ньютону, который дал первую численную оценку величины сжатия Земли с учетом центробежной силы вращения. По его данным, разница между полярным и экваториальным радиусами должна составлять 1/230 долю от среднего радиуса. Эта оценка в течение почти столетия оставалась лучшей и наиболее обоснованной.

Рис. 2.7. Расширение Земли на экваторе. 1 – ось вращения, 2 – геоид, 3 – расширение за счет центробежной силы, 4 – расширение за счет электромагнитных сил излучения, 5 – расширение Земли.

Сжатие Земли экспериментально было подтверждено после обработки данных геодезических измерений двух французских экспедиций в Перу и Лапландию в 1730 г.

Исследованием фигуры Земли Занималось много ученых: Клеро, Пуанкаре, Лаплас, Лежандр, Стокс, Вихерт, Дарвин, Маклорен, Якоби и др. Было создано научное направление – теория фигур равновесия небесных тел.

Быстрое уточнение фигуры Земли началось с момента запуска искусственных спутников Земли. Сейчас величина сжатия вычислена довольно точно и в действительности равна 1/298.25.

Отношение разности большой экваториальной полуоси (а) земного эллипсоида и малой полярной полуоси (b) к большой полуоси, т. е. дробь: (a-b) /a называется сжатием Земли. Иногда это соотношение называют сплюснутостью Земли. Я не совсем согласен с признанным и устоявшимся в науке словосочетанием «сжатие Земли», на мой взгляд, более адекватным было бы словосочетание «расширение Земли». Земля не сжимается на полюсах, она расширяется на экваторе. За счет каких сил расширяется Земля, рассмотрим это явление подробнее.

2.8.2. Расширение Земли

Ньютон для определения сжатия Земли воспользовался моделью с двумя перпендикулярными сообщающимися скважинами (колодцами), пробуренными через центр Земли: одна – по оси вращения, другая – от экватора, и заполнил их водой. По логике, за счет центробежной силы вода в данных скважинах должна установиться на разных уровнях – в экваториальном колодце уровень воды должен быть выше. Во времена Ньютона не было практических данных измерения, сейчас эти данные есть, но они не согласуются с расчетными.

Приведу один из таких расчетов.

На тело массой m на поверхности Земли действует центробежная сила F_c и сила тяжести F_g.

F_c=mω²R

F_g=GmM/R²

M – масса Земли, R – ее радиус.

При этом угловая скорость будет равна:

ω=2π/86400 об/с (24 час=86400 с)

Найдем отношение F_c к F_g для шарообразной Земли:

F_c/F_g=ω²R³/ (G·M) (2.14)

После подстановки значений и вычислений получим:

F_c/F_g=3,45·10^—3.

На экваторе любое тело должно весить примерно на 0,3% меньше, чем на полюсах. В действительности это различие не превышает 0,55% [6].

Можно воспользоваться другим способом вычисления, если приравнять вес каждого элементарного объема вещества на полюсе и на экваторе, при средней плотности Земли (5,52∙10³ кг/м³). Иначе, для равновесия на любом расстоянии r от центра Земли будет справедливо соотношение:

mg_pr=mg_er-mω²r (2.15)

Зависимость ускорения свободного падения от радиуса в полярной и экваториальной скважинах одинаково:

g_p·r=g_e·r=Gm/r²

где m – масса, заключенная внутри радиуса r.

mr=ρ4πr³/3

ρ – плотность вещества, заполняющего скважины.

Если все это подставить в уравнение равновесия (2.14), сократить на m и проинтегрировать по всему радиусу Земли (левую часть – от 0 до полярного радиуса R_p, правую – от 0 до экваториального радиуса R_e), то в результате получится соотношение:

R_p=R_e (1—3ω²/ (4πρG))^1/2 (2.16)

Подставив в уравнение (2.16) среднюю плотность Земли 5,52 г/см³ и экваториальный радиус R_e=6 378 140 м, получим R_p~6 367 140 м, т. е. полярный радиус должен быть меньше экваториального примерно на 11 км (в действительности – на 21 км), а отношение:

f= (R_e—R_p) /R_e=1/580 (2.17)

Величина f называется сжатием Земли, в действительности равна 1/298,257

Вычисления дают практически 50-процентное рассогласование с реальными измерениями. Тогда как это объяснить?

Поскольку геофизики не обнаружили никакой дополнительной силы, то находят объяснение в том, что: «Расчет плохо согласуется с реальной формой земной поверхности, поскольку мы не учитывали зависимость плотности от радиуса, а также – отличия реального распределения масс в недрах Земли от сферически-симметричного» [6].

Статистически распределение массы в недрах Земли мало изменится, так как течение жидкой магмы за 4,5 млрд лет уже давно уравновесило чаши весов, поэтому нужно искать другие силы.

2.8.3. Расширение Земли электромагнитными силами

На мой взгляд, такое расхождение в результатах объясняется не отсутствием учета каких-то статистически не устоявшихся факторов, а присутствием дополнительной силы.

Этой дополнительной силой является электромагнитная сила! Их даже две: 1) сила радиационного излучения самой Земли, 2) магнитная сила.

Вышеприведенные расчеты показывают: чтобы растянуть экваториальный радиус до разницы с полярным в 21 км, центробежной силы явно не хватает.

Как известно, Земля – не холодная планета, и она имеет мощное излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн. Особенно сильное излучение в тропической зоне. Это красное (краснофотонное) излучение, я его кратко называю крафонным излучением. На экваторе максимальный нагрев поверхности, здесь максимальное расширение и оттяжка ее в сторону Солнца. По мере удаления на север или на юг (к полюсам) эта сила ослабевает. На полюсах излучение минимально (относительно). Если бы на полюсах была такая же температура, как и на экваторе, то мы наблюдали бы расчетное сжатие. Жаркий пояс Земли занимает около 40% ее поверхности. Посмотрите на рисунок ниже, где отражена тепловая картина нашей планеты.

Рис. 2.8. Annual Mean Temperature (Среднегодовая температура) [7]

2.8.4. Расширение Земли магнитными силами

И это не последняя сила, которая растягивает поверхность Земли.

Работая над магнитным полем Земли, я нашел еще одну составляющую, которая тоже вносит свою лепту в экваториальное расширение Земли и удлинение экваториального радиуса.

Еще одно дополнение в расширении Земли, и можно подвести баланс.

Магнитное поле Земли формируется методом индукции от прохождения прерывистого тока в виде разрядов молний на границе между земной корой и ее мантией. Каждый разряд между обкладками «конденсатора» следует рассматривать как проводник, по которому течет электрический ток. Поскольку разряды идут в одном направлении, то возникает магнитное взаимодействие соседних проводников и их притяжение между собой [8].

Вот здесь возникает еще один интересный эффект. Поскольку проводники в земном тороиде имеют притяжение друг к другу, то возникают моменты сил, которые пытаются все параллельные проводники объединить (стянуть). Под действием этих сил магма постепенно стягивается к магнитному экватору, к главному руслу мантийной реки (рис. 2.9).

На данном рисунке в разрезе условно показаны проводники с током (4). Объединенное магнитное поле пытается сблизить данные проводники, создавая между ними давление на верхнюю мантию. Почему это происходит?

Рис. 2.9. Расширение Земли магнитными силами.

Немного теории. Из электротехники известно, что движение постоянного электрического тока по параллельным проводникам в одном направлении создает магнитное поле, которое притягивает проводники между собой, т. е. между проводниками возникает сила притяжения (рис. 2.10). Действует закон Ампера для магнитного взаимодействия двух проводников с током I₁ и I₂ длиной dl

Рис. 2.10. Проводники с током объединяются магнитным полем, которое пытается их сблизить.

Любое расхождение (отклонение) от параллельности несколько уменьшает взаимное магнитное стягивание.

В случае с Землей объединяются уже не два проводника, а несчетное количество. Сейчас я не буду касаться аномалий, поэтому в основной массе проводников электрический ток течет в западном направлении, отсюда земной тороид можно рассматривать как один монолитный проводник. Это является базовой составляющей возникновения общего объединенного магнитного поля вокруг Земли, распространяющегося на десятки километров вокруг нее.

Как было показано в статье «Магнитные полюса Земли» [9], магнитный и географический экваторы пересекаются под острым углом 13,4^о, что дает нам право утверждать, что расширение от магнитных сил притяжения касается всей географической экваториальной зоны.

Магнитное стягивание является еще одной силой, которая, кроме центробежной силы и радиационной силы излучения, способствует растяжению экваториальной зоны, придавая Земле дополнительное расширение!

Как было отмечено выше, существует несоответствие между расчетом и реальным сжатием Земли. Полагаю, что добавление радиационной силы излучения и электромагнитной стягивающей силы в мантии должно установить полный баланс между расчетными данными и реальными размерами экваториального и полярного радиусов.

11 км растяжения приходится на центробежную силу, что составляет 52,4%. На оставшуюся часть в 10 км растяжения приходится 47,6%.

У меня пока нет точных данных, сколько процентов приходится на каждую из двух оставшихся электромагнитных сил, но, предположительно, радиационная часть излучения больше и должна оставлять около 70—80%.

В общем виде можно записать уравнение баланса растяжения радиуса Земли:

R_e=∆r₁+∆r₂+∆r₃ (2.19)

где R_e – экваториальный радиус Земли;

∆r₁ – приращение радиуса от действия центробежной силы вращения;

∆r₂ – приращение радиуса от растяжения крафонным излучением Земли и Солнца;

∆r₃– приращение радиуса от магнитных сил, стягивающих мантию к экватору.

Из приведенных данных можно заключить, что максимальный диаметр Земли (большая ось) проходит между двумя экваторами: географическим экватором и магнитным экватором, но ближе к первому (рис. 2.9).

Вся мантия Земли охвачена медленными вихрями мощных течений. Магма перемещается не только в пограничном слое, но возникают течения и в глубинных слоях мантии. Здесь могут присутствовать конвективные течения вверх и вниз, пересекая генеральное восточное направление. Любое течение магмы сопровождается трением в самих слоях магмы или с твердой поверхностью коры. Трение, в свою очередь, сопровождается выделением теплоты, а теплота возникает от замыкания все тех же электрических зарядов [8]. В результате ионизации верхних слоев мантии в ней возникают электрические заряды. Иначе говоря, в мантии постоянно течет электрический ток, который возбуждает магнитное поле Земли.

Поскольку возникают аномалии, то напряженность магнитного поля Земли не постоянна, вот поэтому геомагнитные полюса находятся в непрерывном движении. Отсюда и аномальные отклонения силы тяжести g от стандартного значения.

Экваториальное растяжение Земли (полюсное сжатие) происходит от действия трех составляющих сил:1) центробежной силы вращения F_c; 2) от растяжения краснофотонным излучением Земли и Солнца F_r; 3) от электромагнитных сил F_e, стягивающих мантию к экватору.

В случае с Землей электромагнитные силы (силы излучения F_r и магнитные силы F_e) плюсуются с центробежными силами F_c и создают общую силу (F_gf), создающую растяжение Земли.

Данные силы, судя по расчетным данным, примерно равны.