Введение. Московский государственный университет им

В.Л. Пантелеев

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова
Физический факультет
Курс лекций
Москва 2001

Оглавление

• Оглавление
• 1. Геофизика
• 1.1 Введение
• 1.2 Планеты Солнечной системы
• 1.3 Космогонические гипотезы
• 2. Элементы сейсмологии
• 2.1 Сейсмологическая модель Земли
• 2.2 Годограф сейсмических волн
• 2.3 Определение плотности внутри планеты
• 2.3.1 Уравнение Адамса Вильямсона
• 2.4 Собственные колебания Земли
• 2.5 Поверхностные волны
• 2.6 Землетрясения
• 3. Гравитационное поле планеты
• 3.1 Гравитационный потенциал
• 3.1.1 Гравитационный потенциал материальной точки
• 3.1.2 Гравитационный потенциал тела
• 3.2 Свойства гравитационного потенциала
• 3.3 Гравитационный потенциал шара
• 3.3.1 Потенциал шара во внутренней точке
• 3.3.2 Гравитационный потенциал однородного шара
• 3.4 Гравитационное поле планеты
• 3.4.1 Определение массы планеты
• 3.4.2 Определение характеристик гравитационного поля Земли
• 4. Гравитационное поле и внутреннее строение Земли
• 4.1 Потенциал тяжести
• 4.2 Фигуры равновесия небесных тел
• 4.2.1 Основные теоремы
• 4.2.2 Эллипсоид как фигура равновесия
• 4.2.3 Модель "планеты Роша"
• 4.2.4 Сфероид Клеро
• 4.2.5 Два предела сжатия для фигур равновесия
• 4.3 Гравитационные аномалии и строение Земли
• 4.3.1 Гравитационные аномалии
• 5. Тепловое поле и возраст Земли
• 5.1 Источники тепла
• 5.2 Температура в недрах Земли
• 6. Приливы
• 6.1 Приливообразующий потенциал
• 6.1.1 Приливная деформация уровенной поверхности планеты
• 6.1.2 Преобразование формулы для приливообразующего потенциала
• 6.2 Типы приливных волн
• 6.2.1 Долгопериодические приливы
• 6.2.2 Суточные приливы
• 6.2.3 Полусуточные приливы
• 6.3 Наблюдения приливных явлений на Земле
• 6.3.1 Вариации силы тяжести
• 6.3.2 Отклонения отвесной линии
• 6.3.3 Наблюдения деформаций земной поверхности
• 6.3.4 Наблюдения за вариациями скорости вращения Земли
• 6.4 Космогоническое значение исследования приливов
• 7. Геофизика на Луне
• 7.1 Основные задачи
• 7.2 Хронология первых Лунных исследований
• 7.2.1 Сейсмические исследования
• 7.3 Гравитационное поле Луны
• 8. Планеты земной группы
• 8.1 Меркурий
• 8.2 Венера
• 8.3 Марс
• 9. Планеты гиганты
• 9.1 Юпитер
• 9.2 Сатурн
• 9.3 Уран
• 9.4 Нептун
• 10. Плутон

Введение

Раздел физики, изучающей состояние вещества и строение нашей планеты, носит название геофизики, то есть физики планеты Земля. Невозможно описать все свойства внутреннего строения планеты в одном курсе лекций, настолько они многообразны. В зависимости от того, что именно изучает наш предмет, в названии курса вносится уточнение. Под геофизикой часто понимают физику всей планеты Земля. Тогда это -- глобальная геофизика. Однако нас могут интересовать лишь отдельные сферы нашей планеты. Отдельно существуют физика атмосферы, физика гидросферы, физика Земной коры (разведочная геофизика) и т.п. Разностороннее изучение нашей планеты выполняется на разных факультетах и отделениях Московского университета. На геологическом факультете основное внимание уделяют физике земной коры и разведочной геофизике, на физическом факультете -- глобальной геофизике -- это тепловые потоки, магнитное и гравитационные поля. На астрономическом отделении нас интересует, кроме того, строение и физические поля других планет Солнечной системы. Фундаментальная геофизика является источником знаний о внутреннем строении наших космических соседей, таких как Луна, Марс, Венера. В эпоху, когда приборы, сделанные человеческими руками, могут быть доставлены практически на поверхности всех планет или их спутников, которые развиты для изучения планеты Земля, могут быть с успехом использованы для изучения других небесных тел.

Исследование строения планет помогает нам понять и космогонические проблемы: как произошла Солнечная система, и что нас ждет в будущем? Кроме того, в преддверии космических экспедиций на другие планеты мы должны знать о них все, что поможет успешному выполнению этих экспедиций. Авторы популярной книги "Межпланетные полеты" Е.А. Гребенников и В.Г. Демин пишут: "Астрофизики составляют своего рода "лоции" межпланетных дорог, чтобы предупредить космонавтов об опасностях, о тех космических "рифах", которые могут встретиться в межпланетном полете." Не исключено, что земные экологические проблемы уже в нашем столетии настолько обострятся, что без освоения других небесных тел нам не обойтись.

Целью нашего курса является знакомство с исследованием строения Земли и других планет геофизическими методами. Источниками информации служат геофизические поля, прежде всего магнитное и гравитационное. В первой части курса "геофизика и физика планет" основное внимание уделено физике атмосферы и магнитному полю. В нашем курсе мы познакомимся с основами сейсмологии -- основному инструменту для построения модели планеты Земля -- и гравиметрии, как источника информации о распределении масс. Дополнительные сведения можно почерпнуть из книг:

"Общая геофизика". Под ред.акад. В.А Магницкого, изд-во МГУ 1995

В.Н. Жарков "Внутреннее строение Земли и планет" М. "Наука" 1978

М.Я. Маров "Планеты Солнечной системы" М. "Наука" 1981

Л.В. Ксанфомалити "Парад планет" М. "Наука" 1997

1.2 Планеты Солнечной системы

Геофизика является тем фундаментом, на котором строятся космогонические выводы. Очень важным фактором в понимании места нашей планеты в Солнечной системе является химический состав планеты.

Различные тела Солнечной системы образованы, в основном, тремя группами химических элементов. Первую группу составляют водород и гелий. Эти элементы составляют около 90% массы Солнца. Кроме того, из этих же элементов преимущественно состоят планеты гиганты Юпитер и Сатурн. Приблизительно 1,5% общей массы планет составляют углерод, азот и кислород. Эти элементы образуют вторую группу элементов. Наконец, третью группу химических элементов (около 0,25%) составляют магний, железо и кремний.

По строению и химическому составу планеты Солнечной системы делятся на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон, который по многим признакам стоит в этом ряду планет несколько обособленно. Планеты земной группы иногда называют внутренними остальные -- внешними. Планету Земля часто считают двойной, так как ее естественный спутник Луна по своим размерам и строению мало, чем отличается от других планет земной группы.

Что мы понимаем под словом планета? В последние годы часто под словом планета понимают тело, движущееся вокруг Солнца. К ним относятся и многие космические аппараты, сделанные руками человека, запущенные вокруг Солнца. Крупные космические камни, движущиеся по замкнутым траекториям вокруг Солнца, мы называем малые планеты или астероиды. В нашем курсе мы будем интересоваться планетами в классическом понимании: планета -- это космическое шарообразное тело с массой т. Тела меньшей массы остаются твердыми и сохраняют свою форму как угодно долго. Спутник марса Фобос, фотографию которого мы все видели, выглядит как большой камень с массой кг. Тела с массой больше кг обладают свойством пластичности, с течением времени они принимают форму с наименьшей площадью поверхности, то есть шаровидную. Однако, если масса планеты будет больше т, то начнется термоядерная реакция и планета превратится в маленькую звезду! Кстати, Юпитеру не хватает меньше двух порядков, чтобы превратиться в звезду.

Приведем таблицу основных характеристик планет, Солнца и Луны.

Table 1.1 Характеристики тел Солнечной системы.
Планета	Большая полуось орбиты (млн. км)	Средний радиус (км)	Масса (кг)	Период вращения
Меркурий	57,91			58,6 сут
Венера	108,21			-243,16
Земля	149,60			23 ч 56 мин 04 с
Марс	227,94			24 ч 37 мин 23 с
Юпитер	778,3			9 ч 50 мин
Сатурн	1429,3			10 ч 14 мин
Уран	2875,03			-10 ч 42 мин
Нептун	4504,4			15 ч 48 мин
Плутон				6,39 сут
Солнце	--			26 сут
Луна	60,27		0,0123	-27,32 сут

Приведeнные в таблице значения параметров со временем будут уточняться

В частности в книге М.Я. Марова "Планеты Солнечной системы" кроме приведенных значений периодов вращения планет Урана и Нептуна приводятся и другие, уточненные. Для Урана более поздние наблюдения дали ч, а для Нептуна ч. Такая большая разница по сравнению со значениями, определенными ранее объясняется, возможно, дифференциальным вращением планет: отдельные части поверхности обращаются вокруг оси с разной скоростью.