Legtöbben magától értetődőnek vesszük, hogy A Földön a gravitáció mindig ugyanaz...mint egyfajta állandó erő, ami a földhöz ragad minket. De amint elkezdjük kapargatni a felszínt, rájövünk, hogy a téma sokkal összetettebb: a gravitációs mező intenzitása a ... szerint változik. hol vagy a bolygón és milyen mélységben?Nem csak akkor változik a helyzet, ha repülőre szállsz vagy a Nemzetközi Űrállomásra utazol, hanem akkor is, ha elképzeled, hogy a Föld belsejébe utazol.
E látszólag egyszerű ötlet mögött ott rejlik klasszikus fizika, a bolygó belső szerkezete és műholdadatokNewton híres egyetemes gravitációs törvényétől kezdve a részletes geofizikai modellekig, mint például Dziewonski előzetes referencia Földmodellje (PREM), minden összeillik, hogy megválaszoljon egy nagyon konkrét kérdést: Hol a legerősebb a gravitáció a Földön? És ne feledd, a válasz sem nem „a felszínen”, sem nem „közvetlenül a középpontban” van, ahogy azt elsőre gondolnánk.
Hogyan működik a gravitáció, és miért nem mindenhol egyforma
Hogy a dolgokat perspektívába helyezzük, érdemes megjegyezni, hogy a gravitáció az kölcsönös vonzóerő tömeggel vagy energiával rendelkező testek közöttEz felelős azért, hogy a lábunk nem sodródik el, hogy a Föld a Nap körül kering, és hogy a Hold körülöttünk kering. Isaac Newton több mint három évszázaddal ezelőtt megfogalmazta, hogy két tömeg közötti gravitációs erő csökken a közöttük lévő távolság növekedésével. a távolság négyzete ami elválasztja őket.
Ez azt jelenti, hogy ha kétszer akkora távolságra mozdulunk el egy hatalmas testtől, a gravitációs erő a negyedére csökkenPontosan ugyanaz a kapcsolat szabályozza a két töltés közötti elektromos erőt: ha megduplázzuk a távolságot, a kölcsönhatás intenzitása a negyedére csökken. Ez az egyszerű matematikai kapcsolat lehetővé teszi számunkra például annak kiszámítását, hogy mekkora gravitációt érez egy személy. Hold a pályáján vagy milyen erőhatás éri a Nemzetközi Űrállomást, miközben a Föld körül kering.
Az ISS esetében, amely nincs olyan messze a felszíntől, mint ahogy sokan hiszik, a gravitáció még mindig körülbelül egy Amit a földön érzünk, annak 89%-aAz űrhajósok nem azért lebegnek, mert eltűnt a gravitáció, hanem azért, mert bent vannak. folyamatos szabadesés, amely egy pályát ír leVízszintes sebességük kompenzálja a Föld felé irányuló vonzást, így továbbra is forognak anélkül, hogy "leesnének" a földre.
Eddig minden egészen ésszerűnek tűnik: távolodunk a Földtől, és a gravitáció csökken. Az érdekes kérdés akkor merül fel, ha az ellenkezőjét vesszük figyelembe: Mi történik, ha ahelyett, hogy eltávolodnánk, a felszín alá merülünk? Első pillantásra azt hihetnénk, hogy minél közelebb kerülünk a középponthoz, annál erősebb lesz a vonzás. A fizika és a bolygó belső szerkezete azonban mást mutat.
A felszínen elfoglalt helyzetünktől függően az általunk érzékelt erő sem pontosan ugyanaz. Egy egyszerű mérleg otthoni tesztként szolgálhat: A testsúlyunk akár 0,7 kilogrammal is változhat. a bolygó különböző területei között. Nem a tömegünk változik, nyilvánvalóan, hanem a ránk ható gravitációs gyorsulás. A lényeg az, hogy a Föld nem egy tökéletes és homogén gömbDomborzata, különböző sűrűségű rétegei és nagyon szabálytalan tömegeloszlása van.
Az ideális modell: egy homogén és tökéletesen gömb alakú Föld
Ahhoz, hogy teljes mértékben megértsük, miért tér el a valóság, hasznos egy tankönyvi példával kezdeni. Képzeljünk el egy Teljesen szilárd, gömb alakú, állandó sűrűségű FöldEz a tipikus példa, amit a tudósok szeretnek, amikor túl sok plusz bonyodalom nélkül akarják elmagyarázni a fogalmakat. Ebben az ideális világban a tömegeloszlás tökéletesen szimmetrikus lenne, és matematikailag könnyen leírható.
Ebben az egyszerűsített modellben, ha a felszínről indulnánk, és a bolygón keresztül fúrva a középpont felé haladnánk, a A gravitáció intenzitása nem növekedne ahogy közelebb érünk, de elmúlik fokozatosan csökkenő amíg el nem éri a nullpontot pontosan a Föld geometriai középpontjában. Igen, elsőre ellentmondásosnak hangzik, de nagyon is konkrét logikája van.
Az ok az, hogy ahogy lemegyünk, minden alkalommal kevesebb tömeg van alattunk hozzájárul a vonzáshoz. Az összes fenti anyagot "kompenzálja" az ugyanabban a mélységben a bolygó másik oldalán található anyag, így nettó hatásuk kiegyenlíti egymást. Az általa bemutatott tétel szerint Carl Friedrich GaussEgy homogén gömbben a gravitáció egy belső pontban csak egy képzeletbeli gömb tömegétől függ, amelynek sugara megegyezik a középponttól az adott pontig mért távolsággal.
Ez azt jelenti, hogy az összes tömeg, amely egy nagyobb sugár hogy a pozíciód nem járul hozzá a rád ható nettó gravitációs erőhöz. Minden egyes méterrel, amikor lejjebb mész, a téged vonzó "effektív gömb" kisebb lesz, így a gravitáció csökken. Ha a bolygó valóban ilyen egyenletes lenne, a gravitáció változásának görbéje a befelé majdnem lefelé irányuló egyenes vonal amíg a középpontban el nem éri a nulla értéket.
Ez az eredmény elméleti szempontból gyönyörű, és tökéletesen illik a gravitációs tér és a szimmetria fogalmainak oktatásához, de a valódi univerzum, és különösen a Föld, nem pontosan követi ezt az egyszerűséget. A bolygó belső szerkezete fontos árnyalatokat vezet be, amelyek a A belső gravitáció nem lineárisan viselkedik.
A valódi Föld: rétegek, sűrűségek és egy nagyon összetett belső tér
A való világban a Föld a következőkből áll: nagyon eltérő összetételű és sűrűségű rétegekÉs ez mindent megváltoztat. Nem egy egyenletes kőzetgömbről van szó, hanem egy rétegzett testről, amelyben a sűrűség általában a mélységgel növekszik, de nem egyenletesen vagy szabályosan. Vannak hirtelen változások, olyan területek, ahol alig változik, és nagyon eltérő anyagokból álló régiók.
A bolygó átlagos globális sűrűsége körülbelül 5500 kilogramm köbméterenkéntDe a kéreg, a legkülső rész, lényegesen kevésbé sűrű, mint a mag. A légkör gáznemű burkot képez a sziklás felszín körül; ezután találjuk a hidroszférát, amely magában foglalja az összes óceánt, víztestet és vízgátak, néhánnyal 4 kilométer átlagos mélység a tengerekben. Ezen óceánok és kontinensek alatt fekszik a szilárd kéreg, ahol élünk.
La FöldkéregMind kontinentális, mind óceáni, mindössze néhány tíz kilométer vastag, tipikus sűrűsége pedig kb. 5600 kg/m³Alább látható a palástA köpeny egy közel 2900 kilométer vastag réteg, amely nagy nyomásnak és hőmérsékletnek kitett kovasavas kőzetekből áll. A köpeny tetején a sűrűsége körülbelül 3400 kg/m³, de fokozatosan körülbelül ...-ra növekszik. 5600 kg/m³ alsó határának közelében.
A komoly ugrás akkor jön el, amikor belépünk a földmagElőször a külső maggal találkozunk, egy folyékony réteggel (főként vas és nikkel), amelynek sűrűsége a következő tartományok között mozog: 10 000 és 12 000 kg/m³Vagyis körülbelül négyszer-ötször több, mint a kéreg. Még mélyebben a szilárd, fémes belső mag sűrűsége körülbelül 5600 kg/m³, és az egész bolygó legkompaktabb és legnehezebb régiójává válik.
Ez a rétegzett szerkezet azt jelenti, hogy a gravitáció belül van Nem csökkenhet egyszerű és lineáris módon. mint a homogén modellben. A sűrűség növekedése bizonyos mélységekben a "minket vonzó" tömeg mennyiségének nem triviális változását okozza. Ennek a viselkedésnek a pontos leírására olyan modelleket alkalmaznak, mint a Előzetes referencia Földmodell (PREM) Dziewonski (1981) által végzett mérések, amelyek szeizmikus és fizikai adatokat is felhasználnak annak becslésére, hogy a sűrűség hogyan változik a sugárral.
Ezen modellek szerint a gravitációs gyorsulás megmarad szinte állandó az első 2000 kilométeres mélységben És meglepő módon enyhe növekedést tapasztal, ahogy közeledünk a köpeny aljához. Ebben a léptékben nem hatalmas változásokról beszélünk, hanem inkább olyan variációkról, amelyek geofizikai szempontból nagyon fontosak, és amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy szigorúan megválaszoljuk azt a kérdést, hogy hol a gravitáció a maximuma.
Ahol a Föld belsejében a legerősebb a gravitáció
A gravitáció mélységfüggvényben mutatott részletes viselkedése a PREM és más földfizikai tanulmányok szerint egyértelműen nemlineáris görbét mutat. Ahogy ereszkedünk le a felszínről, a A gravitációs gyorsulás (g) nem csökken hirtelende az első néhány ezer kilométeren viszonylag stabil marad. Sőt, a mélyköpenyben kissé meg is haladja a felszíni értéket.
Pontosabban, van egy mélységtartomány, ahol a sűrűség annyira megnőtt, hogy az alattunk lévő tömeg létrehoz egy valamivel nagyobb a vonzerő mint amit a felszínen tapasztalnánk. A maximumot körülbelül 3000 kilométer mélyen, körülbelül a bolygó alsó köpenye és külső magja közötti átmenet közelében lévő régióban.
A számítások azt mutatják, hogy ezen a ponton a nehézségi gyorsulás eléri a körülbelül 10,7 m / s², ami a következő hozzávetőleges növekedést jelenti: 9% a 9,8 m/s² átlagos értékhez képest a Föld felszínén. Vagyis a Föld belsejének ebben a sávjában valamivel nagyobb gravitációs erőt tapasztalnánk, mint amit a bolygó bármely pontján járva érzünk.
Ettől a maximumtól kezdve, ahogy a középpont felé haladsz, a gravitáció elkezd erősödni. ismét csökkenBár az anyag sűrűsége továbbra is magas, a tényleges pozíciónk alatti tömeg térfogata csökken a geometriai középponthoz közeledve. A nagyobb sugáron elhelyezkedő tömeg hozzájárulását a gömbszimmetria kompenzálja, és az általunk érzékelt nettó erő fokozatosan csökken.
Egy nagyon közeli régióba érkezve a Föld középpontjaa gravitáció gyakorlatilag nullává válik. A sugár pontos értéke, amelynél a gyorsulás nullává válik, a következőktől függ: tényleges tömegeloszlás a magban, és hogyan szerveződnek a benne mozgó, melegebb, kevésbé sűrű anyagból álló különböző "zsebek". A konvekciós áramlatok, a hőmérséklet-ingadozások és az összetételbeli különbségek bonyolulttá teszik a részletes számításokat, de az eredmény ugyanaz marad: az ideális középpontban a gravitáció nulla.
Egy érdekes tény, hogy a maximális gravitációs érték körülbelül 3000 kilométer mélyen magasabb, mint a a Szaturnusz légkörének felső rétegei és ez elég közel van ahhoz a gravitációhoz, amelyet a felszínén találnánk NeptunoVagyis saját bolygónk „mély felszíne alatt” a Naprendszer távoli óriásaihoz hasonló gravitációt tapasztalnánk, bár nyilvánvaló, hogy a nyomás- és hőmérsékleti viszonyok lehetetlenné tennék az emberi jelenlétet.
Külső rétegek: légkör, víz és kéreg, valamint ezek hatása a gravitációra
Ha félretesszük azt a képzeletbeli utazást a magba, és visszatérünk a mindennapi valóságunkba, a gravitáció a Föld külső rétegeiben is létezik. észrevehető eltérésekA légkör, a hidroszféra, a kéreg és a domborzat kismértékben módosítja a lábunk alatt lévő tömeg mennyiségét, és ez regionális szinten kis eltéréseket eredményez.
A szilárd felület felett van a légkörAz élethez elengedhetetlen gázok rétege további tömeget biztosít, bár a földi gravitáció értékéhez való hozzájárulása nagyon szerény a kőzetrétegekhez képest. Ezután azt kapjuk, hogy hidroszféraamely magában foglal minden víztestet: óceánokat, tengereket, tavakat stb. Az óceánok alatt egy viszonylag vékony és sűrű óceáni kéreg fekszik; a kontinensek alatt egy vastagabb és valamivel ritkább kéreg.
La FöldkéregA kéreg, amely nagyjából 30-100 kilométer vastag, attól függően, hogy kontinentális vagy óceáni kéregről beszélünk, alkotja az összes hegység, síkság és árok domborzatának alapját. Alatta, ahogy már láttuk, fekszik a köpeny, amely körülbelül 2900 kilométer mélységig terjed, ezt követi a külső és belső mag. Ezen rétegek mindegyike eltérő mértékben járul hozzá a felszínen mért gravitációhoz, vastagságától, összetételétől és sűrűségétől függően.
Egy érdekes részlet, hogy amikor kezdenek leereszkedni a felszínrőlPéldául egy mély bányában vagy fúrólyukban olyan anyagokba jutunk be, amelyek valamivel sűrűbbek, mint a közvetlen kéreg, így a kezdeti szakaszok során a gravitáció alig csökken, sőt, a helyi geológiától függően kissé növekedhet is. Nem szükséges több ezer kilométerre megközelíteni a magot ahhoz, hogy változásokat észleljünk: emberi léptékben már néhány kilométer mélyen, sűrűbb kőzetben is lehet hatás. finoman módosítsa a g értékét.
A bolygó teljes felszínén ezeket a különbségeket más tényezők is súlyosbítják, mint például föld forgása (ami nagyobb centrifugális komponenst hoz létre az Egyenlítőnél, mint a sarkoknál) és a földgömb enyhén lapos alakja. Mindez hozzájárul ahhoz, hogy a gravitációs gyorsulás tized m/s²-rel változik a szélességi foktól és a magasságtól függően, ami akár 0,7 kg-os súlyváltozást is jelenthet, amelyet egy háztartási mérleg képes kimutatni, ha nagyon különböző helyekre költözünk.
A Föld felszínén nagyobb és kisebb gravitációjú régiók
A szélességi fokon és a tengerszint feletti magasságon túl vannak lokális gravitációs anomáliák közvetlenül kapcsolódik a lábunk alatti tömegkoncentrációhoz. Ezen változások pontos feltérképezése érdekében a NASA olyan küldetéseket vetett be, mint az ikerműholdak GRACE (Gravitációs Helyreállítás és Klímakísérlet)amelyek lehetővé tették a fejlődését nagyon részletes térképek a Föld gravitációs mezejének.
Ezek a térképek azt mutatják, hogy egyes területeken nagyobb gravitáció a felszínen Nagy hegyvonulatokban találhatók, mint például a HimalayaEz nem véletlen: a hegyvonulatokban felhalmozódott hatalmas mennyiségű kőzet tömegtöbbletet jelent a laposabb vagy mélyebb régiókhoz képest, ami valamivel intenzívebb gravitációs mezőt eredményez.
Az ellenkező végletben ott van a óceáni árkok, mint a híres Mariana-árokahol a terep több mint 10 000 méterrel a tengerszint alá süllyed. Ezeken a területeken kevesebb kőzettömeg foglalja el ezt a térfogatot egy azonos referenciaszintű kontinentális régióhoz képest, és a víz is kevésbé sűrű, mint a kőzet. Az eredmény egy valamivel gyengébb gravitációs mező a nagyobb szilárd tömeg felhalmozódású területekkel összehasonlítva.
Ezek az eltérések emberi léptékben nem hatalmasak, de elég jelentősek ahhoz, hogy érzékeny műszerekkel néhány elem g-értékének változásait ki tudjuk mutatni. tized milligallonGyakorlati szempontból ez azt jelenti, hogy egy nagyon sűrű hegység tetején valamivel többet nyomhatsz, mint egy óceáni mélyedés alján, annak ellenére, hogy az életkörülmények gyökeresen eltérőek.
A GRACE és más missziókból származó gravitációs térképeket is használják a tanulmányozáshoz. változások a víztárolásban (például a gleccserek olvadása vagy a víztartó rétegek csökkenése és a tengerszint), mivel a víz tömegének változásával bizonyos régiókban a gravitációs mező is ennek megfelelően igazodik. A gravitáció tehát nemcsak azt mondja meg, hogy hol a legerősebb a vonzás, hanem azt is... Hogyan oszlik újra a tömeg a bolygón az idő múlásával.
Szóval, hol a legnagyobb a gravitáció a Földön?
Mindezek alapján most már szilárd alapokkal válaszolhatunk erre a nagyon közvetlen kérdésre: a A Föld legintenzívebb gravitációja nem pontosan a felszínen vansem a bolygó tökéletes középpontjában. A geofizikai modellek azt mutatják, hogy a gravitációs gyorsulás maximális értékét körülbelül ... 3000 kilométer mélyen, az alsó köpeny és a külső mag közötti átmeneti zónában.
Ebben a régióban a nagyon nagy sűrűség és a kisebb sugáron elhelyezkedő nagy mennyiségű tömeg kombinációja miatt a vonzóerő valamivel nagyobb, mint a kéregben mért érték. Arról beszélünk... 10,7 m / s², szemben a felszínen mért 9,8 m/s² referenciasebességgel. Ez körülbelül egy 9%, nem elhanyagolható, ha a bolygó globális léptékét tekintjük.
Ha tovább ereszkednénk a belső mag felé, a gravitáció elkezdene... fokozatosan csökkenmert a tömegnek az a része, amely valójában "húz" minket, csökken, ahogy közeledünk a geometriai középponthoz. Végül, egy, a középponthoz nagyon közeli pontban a minden irányból érkező gravitációs vonzások kioltják egymást, és a tényleges gravitáció általában gyakorlatilag nulla értékeklegalábbis ideális esetben aszimmetria nélkül.
Természetesen mindez egy elméleti feladat, amelyet közvetett kísérleti adatok támasztanak alá: nem fúrhatunk 3000 kilométer mélyre, és nem helyezhetünk el gyorsulásmérőt a magban. Azonban a szeizmikus hullámok, sűrűségmodellek, mint például a PREM, és a gravitáció törvényei Ezek lehetővé teszik számunkra, hogy jelentős biztonsággal rekonstruáljuk a g változását a bolygón belül. A legfontosabb következtetés az, hogy a maximális gravitáció mélyen belül található, nem a felszínen vagy az abszolút középpontban.
Végső soron az az elképzelés, hogy a gravitáció „mindig ugyanaz”, messze elmarad a valóságtól. A variációk között a magasság, szélesség, domborzat, felszíni tömegeloszlás és belső rétegszerkezetA Föld gravitációs mezeje dinamikus és árnyalt rendszernek bizonyul. A maximális gravitációs zóna mintegy 3000 kilométerrel a lábunk alatt fekszik, míg a felszínen a változások finomak, de mérhetőek, elég nagyok ahhoz, hogy egy mérleg mutatóját megmozdítsák, és elég pontosak ahhoz, hogy feltárják a tömeg eloszlását bolygónkon.
