Ізостазія в геосферах

Термін ізостазія в сучасній літературі застосовують щодо процесу врівноваження літосферних плит на поверхні субстрату (останній називають астеносферою) відповідно до середньої густини речовини літосфери та грубизни останньої. Термін з’явився в науковій літературі в середині XIX ст. для пояснення згаданого явища.

Н а рис. 3.4 наведено дві класичні моделі ізостазії, розроблені Дж. Ері (рис. 3.4, а) та Дж. Праттом (рис. 3.4, б). Кожний із зображених елементів перебуває у рівновазі щодо взаємодії сил ваги та архімедової (показано векторами). Рівність цих сил є умовою стабільного (статичного) стану системи. У разі порушення рівноваги відбувається вертикальне переміщення куба в напрямку дії більшої з пари сил, доки рівновага знов відновиться. Перша з моделей демонструє залежність рельєфу поверхні земної кори від маси; друга ‑ ту саму залежність від густини. У природі обидві залежності проявляються разом: вертикальна будова (зануреність в астеносферу та потужність) впливає на висоту поверхні.

Рис. 3.4. Моделі ізостазії; а — за масою; б — за густиною речовини.

Через те, що поверхня літосфери весь час руйнується зовнішніми силами, а речовина змивається поверхневим стоком або ж здувається вітром, а також вилуговується карстовими процесами, порушується рівновага між силами ваги та архімедовою, отже, виникають гравітаційні (ізостатичні) вертикальні рухи та активізується переміщення речовини, що називають літосферним кругообігом.

Гравітаційна взаємодія Землі з Місяцем і Сонцем

Усі планети сонячної системи перебувають у стані гравітаційної взаємодії, що визначається законом Ньютона. Явищем, що безпосередньо вивчається в землезнавстві, є припливоутворення. Розглянемо чинники, що його зумовлюють.

1. Землю разом із Місяцем та Сонцем можна розглядати як систему небесних тіл, що перебувають у гравітаційній рівновазі.

2. Рівновага встановлюється:

• між силою тяжіння названих тіл (тобто сила тяжіння, властива кожному з тіл, що взаємодіють, однакова й протилежно спрямована);

• силою тяжіння кожного з небесних тіл та відцентровою силою, що виникає внаслідок обертання за коловою орбітою кожного з тіл, що взаємодіють, відносно їхньої спільної осі. При цьому кожна точка тіла описує однакову орбіту за один і той самий час.

У свою чергу, як відомо, відцентрова сила визначається як добуток радіуса орбіти на швидкість обертання.

Зазначимо, що при розгляді взаємодії небесних тіл поки що припустимо, ніби ці тіла не беруть участі в інших рухах (добовому та річному).

3. Сила тяжіння в межах кожного небесного тіла неоднакова і залежить від відстані даної точки відносно центра мас небесного тіла, з яким відбувається взаємодія.

4. Відцентрова сила в межах кожного небесного тіла однакова в кожній точці через те, що яка завгодно з них обертається відносно осі за однаковою орбітою.

5. У центрі мас кожного з небесних тіл, що перебуває в стані гравітаційної рівноваги, забезпечується рівність сил тяжіння та відцентрової.

Надалі розглянемо взаємодію Землі й Місяця (рис. 3.5). Відстань між ними становить 384,4 тис. км, тобто наближено дорівнює 60 земним радіусам, маса Місяця в 81 раз менша за масу Землі. Через таке співвідношення мас обидва тіла обертаються відносно спільної осі, що перетинає земну кулю на відстані від центра Землі в 3/4 радіуса в бік Місяця.

Достатньо прості розрахунки свідчать про те, що в центрі мас Землі сила тяжіння становить 3,38 мг на 1 кг маси (3,38 мг/кг). Відповідно до цього відцентрова сила сягає того самого значення. Оскільки відцентрова сила однакова в межах тіла, то це значення можна віднести до кожної точки тіла.

Оберемо деякі характерні точки на земній поверхні. У точці зеніту Місяця (тобто Місяць розташований прямовисно над головою спостерігача в зеніті Z) сила тяжіння, що діє на масу речовини в 1 кг, сягає 3,49 мг (а вже зазначалося, що відцентрова сила скрізь становить лише 3,38 мг/кг). Отже, виникає незрівноваженість сил, і рівнодійна, що дорівнює 0,11 мг/кг, спрямована в напрямку до Місяця, що природно. Така рівнодійна і є припливоутворювальною силою.

Розглянемо тепер діаметрально протилежну точку N — надир. У ній сила тяжіння найменша, бо це найвіддаленіша від центра мас Місяця точка Землі, і становить 3,27 мг/кг, а сила відцентрова така сама, як і в інших точках (3,38 мг/кг). Рівнодійна (тобто припливоутворювальна сила в точці N) спрямована від Місяця. Саме через це в точці N, протилежній відносно Місяця, теж виникає припливоутворювальна сила.

Якщо тепер пригадати, що Земля обертається відносно напрямку на Місяць (через що Місяць сходить і заходить), то стане зрозуміло, чому на більшій частині Землі приплив має півдобову періодичність.

Зрозуміло, що припливна деформація (потовщена лінія на рис. 3.5) відбувається на Землі в цілому, тобто в усіх геосферах безвідносно їхнього складу та стану: гідросфері, літосфері та атмосфері. Широковідомі припливні явища лише в гідросфері завдяки тому, що вони добре помітні в берегових зонах морів та океану, бо там можна порівнювати зміни рівня води. Втім, у літосфері максимальне значення припливу також високе — до 0,4 м.

Сонце також спричиняє утворення припливів за подібною схемою. Різниця в тому, що Сонце набагато віддаленіше від Землі, ніж Місяць (в середньому — на 149,5 млн км), хоча має величезну масу. Сонячна припливоутворювальна сила в 2,71 рази менша за місячну.

Унаслідок того, що Місяць, Земля та Сонце, як правило, не перебувають у просторі на одній лінії, виникають різні ефекти взаємодії припливоутворювальних сил на Землі. Якщо названі небесні тіла близькі до спільної осі, то місячна та сонячна припливоутворювальні сили додаються, що спричиняє найвищий приплив, який називають сизигійним. Коли ці небесні тіла розміщені як вершини трикутника, в прямому куті якого розташована Земля, сили віднімаються, і спостерігається приплив найменший, квадратурний. Варіанти виникнення сизигійного й квадратурного припливів подано на рис. 3.6. Усі інші випадки є проміжними між сизигійним та квадратурним.

Рис. 3.6. Сизигійний (а, б) та квадратурний (в) припливи (3 — Земля, М — Місяць, С — Сонце)

З начення припливоутворення для Землі полягає в тому, що через дисипацію енергії Земля втрачає енергію добового обертання. На рис. 3.7 зображено систему Земля‑Місяць за віссю системи. Видно, що припливні деформації земної поверхні орієнтовано під деяким кутом до прямої, що з’єднує центри мас небесних тіл. Вони ніби відстають від сили, що їх спричинила. Це й справді так, бо Землі властива в’язкість, внаслідок чого планета не може миттєво реагувати на дію сили. Наявність такого кута відхилення призводить до того, що точки Z та N відчувають дію сили тяжіння, поперечна складова якої спрямована в напрямку, протилежному обертанню Землі. Дія цієї сили зумовлює сповільнення добового обертання планети.

Рис. 3.7. Запізнення припливної хвилі відносно напрямку Земля‑Місяць:

ω₁, ω₂ ‑ кутові швидкості обертання Землі й Місяця у спільній системі; δ ‑ кут запізнення

Щороку ефект сповільнення становить 1/40 000 с, тобто мізерне значення порівняно зі звичайними вимірами часу. Проте в геологічних масштабах часу це достатньо суттєво. Незалежні геологічні дослідження свідчать, що 1 млрд років тому тривалість доби становила лише 18 год.

Значення сповільнення добового обертання Землі величезне. Силу тяжіння виражають через кутову швидкість обертання Землі. Очевидно, що за рахунок сповільнення добового обертання Коріолісова сила зменшується, що впливає на циркуляцію рухомих середовищ (повітряних та водних течій).

Таку саму кутову швидкість містить вираз відцентрової сили, що впливає на деформацію земного еліпсоїда. Отже, сповільнення обертання Землі спричиняє перебудову фігури планети, що зумовлює тектонічні рухи (гороутворення, землетруси, вулканізм тощо). За одним із підрахунків збільшення тривалості доби на 0,5 год призводить до звільнення енергії, достатньої для утворення величезної альпійської смуги гірських масивів, що майже перетинають земну кулю. Поряд із цим відбувається зміна рівня геоїда, тобто переміщення берегової лінії, розподілу висот та глибин.

На поверхні планети припливна хвиля поширюється теж із різною швидкістю. Лінії одночасного наступання повної хвилі називають котідальними (рис. 3.8).

Деякі більш локальні наслідки тут не розглядаються.

Рис. 3.8. Котідальна карта Атлантичного океану (— ‑ відставання повної хвилі півдобового припливу відносно кульмінації Місяця, год.; - - - амплітуда хвилі, м)