Fuerza de la Tierra

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"¡Oh, si esto también, un cuerpo demasiado pesado se derritiera, se disolviera, se convirtiera en rocío!" El famoso geofísico inglés Harold Jeffries tomó estas palabras de Hamlet como epígrafe de uno de los capítulos de su libro. "Tierra".

De hecho, ¿qué sería de la Tierra si se convirtiera en líquido? Sabiendo por experiencia diaria que los sólidos pierden su forma cuando se derriten, podríamos esperar que suceda lo mismo con la Tierra. Pero en realidad esto no sucederá. En aquellos objetos con los que nos ocupamos en la vida práctica, la capacidad de mantener la forma se debe a las fuerzas que actúan entre átomos cercanos. Pero tal "Exceso de peso" En los cuerpos, como la Tierra, la fuerza gravitacional también comienza a jugar un papel esencial, con lo cual toda la masa de la Tierra atrae cada una de sus partículas. Básicamente, habría asegurado la preservación de la forma actual de la Tierra, incluso si nuestro planeta se hubiera convertido en un cuerpo líquido. En consecuencia, al calcular las deformaciones de la Tierra y evaluar su resistencia en su conjunto (y no en muestras individuales de rocas), es necesario tener en cuenta tanto las propiedades elásticas de la sustancia terrestre como el efecto de la gravedad sobre ella.

Los laboratorios estudian las propiedades mecánicas de las rocas extraídas de la capa exterior de la Tierra de solo unos pocos kilómetros de espesor. Esta capa afecta la fuerza de la Tierra en su conjunto un poco más que una fina capa de pintura aplicada a su superficie afecta la fuerza de una bola de metal.

La información sobre las capas más profundas de la Tierra nos la proporciona principalmente el estudio de la propagación de ondas sísmicas. No en vano el académico B. B. Golitsyn llamó al terremoto una linterna que, parpadeando por un momento, nos permite ver el interior de la Tierra. Pero, al desarrollar esta comparación, debemos decir que la luz de dicha linterna se atenúa a una profundidad de 2.900 km de la superficie de la Tierra. A continuación se muestra el núcleo de la Tierra, a través del cual solo pasan ondas sísmicas longitudinales.

Entonces, para estimar la fuerza de la Tierra en su conjunto, uno tiene que considerar el problema de las deformaciones y tensiones de una bola gravitante, que consta de una capa elástica no homogénea y un núcleo. Se puede considerar conocido cómo la densidad y las propiedades elásticas del caparazón cambian con la profundidad. Con respecto al núcleo, hay que partir de hipótesis. Por tanto, es natural suponer que el núcleo, posiblemente con la excepción de su parte central, está en estado líquido, ya que las ondas sísmicas transversales no lo atraviesan. (Tenga en cuenta que la hipótesis del núcleo líquido de la Tierra se consideró incluso antes de la aparición de la sismología. Pero luego fue refutada, porque se creía que la capa de la Tierra tenía solo unos pocos kilómetros o decenas de kilómetros de espesor, y una capa con un núcleo líquido, como mostró W. Thomson, era sería destrozado por la marea en el núcleo).

Fuerza de la Tierra Para probar hipótesis sobre las propiedades del núcleo, es natural recurrir a la experiencia. Pero, ¿de qué tipo de experiencia podemos hablar cuando se trata de un cuerpo del tamaño de la Tierra? De hecho, para probar la resistencia de cualquier producto, una muestra de este producto se coloca en una máquina especial, se estira, se retuerce o se comprime. En este caso, tanto las fuerzas aplicadas como la deformación de la muestra se registran simultáneamente. Pero no tenemos la oportunidad, a nuestra discreción, de aplicar fuerzas a la Tierra suficientes para cambiar su forma ni siquiera levemente. Tenemos que contentarnos con lo que nos da la naturaleza.

Las fuerzas de las mareas actúan constantemente sobre la Tierra, estirándola a lo largo de líneas rectas que conectan el centro de la Tierra con los centros de la Luna y el Sol. La superficie de la Tierra se dobla bajo la carga de masas de aire en áreas con alta presión atmosférica. Todas las partículas de la Tierra se ven afectadas por una fuerza centrífuga dirigida perpendicularmente al eje de rotación de la Tierra.Está claro que la dirección de esta fuerza cambiará si cambia la posición del eje de rotación en el cuerpo de la Tierra. Y el hecho de que esto realmente esté sucediendo se estableció a fines del siglo pasado.

Se pueden calcular las magnitudes y direcciones de las fuerzas anteriores. Si luego tomamos cualquier modelo de la Tierra, entonces teóricamente también podemos encontrar la deformación de la Tierra cuando se le aplican estas fuerzas, por ejemplo, calcular cómo cambiarán las distancias de varios puntos en la superficie de la Tierra desde su centro.

Tomemos, por ejemplo, la fuerza de la marea, que, como se ha dicho, estira la Tierra a lo largo de una línea recta que conecta su centro O con el centro L de la luminaria perturbadora: la Luna o el Sol. Bajo su influencia, la superficie de la Tierra, si fuera una esfera regular de radio R, tomaría la forma de un elipsoide de revolución con el semieje mayor a dirigido a L. Supongamos que logramos calcular cuál es la diferencia a - R para este modelo. Entonces podemos encontrar el cambio de longitud el radio del vector p de cualquier punto de la superficie terrestre.

Estos cambios son pequeños. Para ninguno de los modelos de la Tierra teóricamente considerados, las fluctuaciones máximas en la longitud p bajo la influencia combinada de la Luna y el Sol no alcanzan un metro. Está claro que tales cambios no se pueden medir directamente.

¿Por qué tuvimos que inventar un océano "ingrávido"? Sí, porque la marea en el océano real complica un poco el fenómeno: conduce a cambios en el potencial gravitacional de la propia Tierra. Las deformaciones elásticas de la Tierra dan un efecto similar. La relación entre el cambio en el potencial gravitacional de la Tierra y el potencial externo, causando este cambio, se designa con el símbolo k. Los parámetros hyk se denominan números de amor, en honor al geofísico inglés que introdujo por primera vez estos parámetros para caracterizar las propiedades mecánicas de la Tierra en su conjunto. Son estos parámetros los que se calculan teóricamente para diferentes modelos de la Tierra; intentan determinarlos a partir del análisis de observaciones de varios fenómenos. ¿Cuáles son estos fenómenos? Enumeremos los más importantes de ellos:

Mareas de larga duración en océanos y lagos.
Vibraciones de la plomada con respecto a la corteza terrestre, que se observan con péndulos horizontales.
Variaciones de la gravedad en magnitud observadas con gravímetros.
Mareas en embalses subterráneos.
Cambios en las distancias lineales entre puntos de la superficie terrestre, medidas con extensiómetros.
Las fluctuaciones de las mareas en latitud y longitud, que se estudian por métodos astronómicos.
El movimiento del eje de rotación de la Tierra en el espacio (nutación).
El movimiento del eje de rotación de la Tierra con respecto a la Tierra misma (desplazamiento de los polos).
Variaciones de las mareas en la tasa de rotación diaria de la Tierra (cambios periódicos en la duración del día).

Fuerza de la Tierra Si el eje de rotación de la Tierra es perpendicular al plano del anillo, es decir, coincide con el eje de simetría del modelo, la fuerza centrífuga no afectará la rotación del modelo, solo estirará el anillo. Pero en cuanto el eje de rotación se desvía del eje de simetría, la acción de la fuerza centrífuga comienza a manifestarse como la acción de un par de fuerzas, que, por así decirlo, busca conciliar los ejes mencionados. Sin embargo, el efecto resulta algo inesperado: el eje de rotación no está alineado con el eje de simetría, sino que comienza a moverse a su alrededor, describiendo una superficie cónica en el cuerpo de la Tierra. Este movimiento se denomina nutación libre y su período es más corto cuanto mayor es la masa del anillo.

Este es el caso de la Tierra absolutamente sólida. Pero si consideramos que la Tierra se deforma bajo la influencia de diversas fuerzas, el panorama resultará más complicado. Las fuerzas de las mareas deforman la Tierra de modo que su compresión cambia algo todo el tiempo. Esto significa que en nuestro modelo la masa del anillo cambiará y esto, a su vez, se manifestará en débiles fluctuaciones periódicas en la velocidad angular de rotación de la Tierra. Cuando su compresión disminuye, la velocidad aumenta y la Tierra comienza a adelantar de manera uniforme
horas de funcionamiento.(A medida que aumenta la compresión, el efecto será, por supuesto, el opuesto.) De la teoría de las mareas, se sabe con qué períodos debe cambiar la velocidad angular de rotación de la Tierra: el más pequeño de ellos está cerca de 9 días, el más grande - alrededor de 19 años. Por lo tanto, la cuestión en última instancia se reduce a comparar el ángulo de rotación de la Tierra, que se determina a partir de observaciones astronómicas, con las lecturas de un reloj impecablemente funcionando. Estos relojes están ahora disponibles, son estándares de frecuencia atómica y molecular, y solo después de su introducción en la práctica de las mediciones del tiempo, existía la esperanza de detectar variaciones de marea en la velocidad de rotación de la Tierra. Ahora ya han sido encontrados por varios autores. El número de amor k, determinado de esta manera, se acerca a 0,3.

Este es un lado del problema. Pero las deformaciones de la Tierra afectan su rotación de otra manera. Para explicar exactamente cómo, hagamos el siguiente experimento mental. Imaginemos que la rotación de la Tierra se ha detenido y la fuerza centrífuga ya no actúa sobre ella. Además, si la Tierra fuera un cuerpo absolutamente sólido, su forma seguiría siendo la misma. Si la Tierra fuera un cuerpo líquido, tomaría la forma de una bola normal. El exceso ecuatorial de masas, y con él el anillo en nuestro modelo, desaparecería por completo. Pero en la Tierra real, cuando se detiene su rotación, entran en juego fuerzas elásticas internas. Se opondrán a las fuerzas gravitacionales, y gracias a esto, la Tierra seguirá siendo un esferoide comprimido, aunque su compresión disminuirá. Esto significa que la masa del anillo de nuestro modelo también disminuirá. ¿Cuánto cuesta? Esta es la pregunta principal, de cuya solución depende la evaluación de la dureza de la Tierra.

Notamos que el período de nutación libre es más corto, mayor es el exceso ecuatorial de masas, es decir, la masa del anillo. Para una Tierra absolutamente sólida, este período sería igual a 305 días. En realidad, como muestra el análisis de los datos sobre el movimiento de los polos de la Tierra durante los últimos 70 años, se acerca a los 430 días. Esto se explica por el hecho de que el período de nutación libre no depende de todo el exceso ecuatorial de masas, sino solo de esa parte que no desaparecería si cesara la acción de la fuerza centrífuga. Por tanto, es fácil calcular que el cese de la rotación reduce la masa del anillo de nuestro modelo en un 30%. (Más precisamente, este anillo se divide en dos, y uno de ellos, que contiene aproximadamente un tercio de la masa total, siempre se instala en un plano perpendicular al eje instantáneo de rotación, y no afecta el movimiento de este eje en el cuerpo de la Tierra). El número anterior muestra en qué condiciones, habría un equilibrio entre las fuerzas gravitacionales que luchan por convertir la Tierra en una bola, y las fuerzas elásticas que luchan por mantener su forma sin cambios.

En el transcurso de estos trabajos se afinaron algunas conclusiones de la teoría de la rotación de la Tierra con núcleo líquido.

Así, resultó que la influencia del núcleo líquido debería conducir a cambios en las amplitudes de algunas oscilaciones del eje terrestre en el espacio (nutación forzada). También se manifiesta en el hecho de que a los componentes ya conocidos del movimiento de los polos de la Tierra se le suma un movimiento circular más débil con un período cercano a los días. Encontrar estos efectos es un desafío que se encuentra en el límite de las capacidades de la astronomía moderna. Pero valió la pena intentarlo. Los astrónomos ucranianos hicieron tal intento. Resultó ser un éxito. En particular, N.A. Popov logró detectar, en observaciones a largo plazo de dos estrellas cenitales en Poltava, fluctuaciones débiles en la latitud con un período predicho por la teoría de MS Modensky. Así, se obtuvieron nuevos argumentos a favor de la hipótesis del núcleo líquido de la Tierra.

Ahora podemos decir que la Tierra en su conjunto parece ser más fuerte que una bola de acero hueca con un caparazón de unos 3.000 km de espesor. Sin embargo, lo siguiente puede objetarse a esta evaluación. Todas nuestras conclusiones se extrajeron del estudio de deformaciones muy débiles. ¿Podemos utilizarlos si tenemos que calcular las acciones de fuerzas que provocan deformaciones mucho más significativas e incluso amenazan la integridad de nuestro planeta? Aparentemente, es imposible sin ajustes importantes.Pero, ¿existe la amenaza de que surjan fuerzas tan poderosas que tales cálculos sean necesarios? ¿No sucederá esto, digamos, porque el régimen de rotación de nuestro planeta se verá afectado significativamente? Las razones naturales de esto son difíciles de encontrar. Sin embargo, con el tiempo, ¿las personas no podrán cambiar la rotación de la Tierra a su propia discreción? Esta no es la primera vez que se hace esta pregunta.

Fuerza de la Tierra Su historia comienza con una novela de Julio Verne. "De abajo hacia arriba"... Relata el proyecto de la Arctic Industrial Company de rotar el eje de la tierra en un ángulo de 23 °, utilizando para ello el empuje que el cañón puede dar a la tierra debido al retroceso al dispararse. Según los cálculos de los ingenieros de la mencionada empresa, para ello es necesario disparar un proyectil que pesa 180 mil toneladas desde el cañón. Este proyecto despertó primero interés, luego ansiedad y, finalmente, pánico, ya que su implementación traería muchas consecuencias desastrosas.

Sin embargo, el asunto terminó en nada. Resultó que en sus cálculos, los ingenieros de Arctic Company cometieron un grave error: no tomaron en cuenta el hecho de que la Tierra no es una bola, sino que tiene una masa adicional en el cinturón ecuatorial. Teniendo en cuenta esta masa, un ingeniero francés hizo nuevos cálculos y demostró que bajo la acción del disparo proyectado, los polos de la Tierra se moverían en su superficie solo 3 micrones.

Curioso que esta historia, como se cuenta en el libro "Rotación de la Tierra" Los geofísicos estadounidenses Munk y MacDonald, tiene una continuación moderna. En. Durante las elecciones presidenciales de 1956, el senador Estes Kefauver, candidato al cargo de vicepresidente, dijo que, como resultado de las pruebas de las bombas de hidrógeno, el eje de la Tierra podría desviarse 10 °. Sin embargo, los cálculos precisos muestran lo contrario. La energía liberada por la explosión de una bomba de hidrógeno de potencia media sería suficiente para dar a un proyectil de un millón de toneladas una velocidad de 11 kilómetros por segundo. Pero el retroceso de un cañón que hubiera disparado tal disparo habría desplazado el polo de la Tierra en solo una micra. "Y 70 años después de Julio Verne,- tenga en cuenta los autores, - los miembros del gobierno de Washington todavía se niegan a reconocer la existencia y la importancia del exceso ecuatorial de las masas "... En consecuencia, incluso los medios superpoderosos que posee la gente ahora no son suficientes para tener un efecto tangible en la rotación de la Tierra.

Entonces, nuestro planeta es lo suficientemente sólido y duradero como para resistir las fuerzas que actúan periódicamente o durante un corto tiempo: solo lo deforman sutilmente. Pero el efecto puede ser diferente si las fuerzas actúan en la misma dirección durante millones de años. Probablemente, en relación con tales fuerzas, la Tierra se comporta no como un elástico ideal, sino como un cuerpo de plástico que cambia de forma, aunque de forma lenta, pero significativa.

Aquí llegamos a los problemas de la evolución de la Tierra y el papel que juegan los procesos internos en esto. Crean tensiones en el cuerpo de la tierra, que a veces superan su fuerza máxima. Es posible que al mismo tiempo las deformaciones mareomotrices de la Tierra e incluso leves perturbaciones en la constancia de su rotación jueguen en ocasiones el papel de un "disparador", es decir, ese último choque que provoca rupturas y desplazamientos en la corteza y manto terrestre. Estos últimos fenómenos, a su vez, pueden influir en la rotación de la Tierra, y los geofísicos y astrónomos ahora están buscando activamente manifestaciones de esta influencia.

E. Fedorov