FYZIKÁLNÍ POLE ZEMĚ. RNDr. Aleš RUDA, Ph.D. OBSAH PŘEDNÁŠKY. 1) Tíhové pole Země 2) Magnetické pole Země 3) Elektrické pole Země 4) Tepelné pole Země

Transkript

1 FYZIKÁLNÍ POLE ZEMĚ RNDr. Aleš RUDA, Ph.D. OBSAH PŘEDNÁŠKY 1) Tíhové pole Země 2) Magnetické pole Země 3) Elektrické pole Země 4) Tepelné pole Země 1

2 1. Tíhové pole Země GRAVIMETRIE tíhové pole : ovlivňuje gravitační diferenciaci vyvolává tepelné proudění v atmosféře a ve vodních plochách gravimetrie zabývá se studiem tíhového pole Země Galileovy poznatky volný pád: rychlost v = gt, dráha s = 1/2 gt 2, kde g je zemské tíhové zrychlení změny tíhového zrychlení se změnou ϕ pozorovány pomocí přenosu kyvadlových hodin (na sever zrychlování pohybu růst g) pol.18. stol. P. BOUGUER závislost zemské tíže na rozdělení hmot pod zemským povrchem (měření v Peru) pol. 19. stol. G. EVEREST odklon tížnice v Himalájích existence kompenzujících hustotních nehomogenit IZOSTÁZE 1. Tíhové pole Země TÍHOVÁ SÍLA, TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ, TÍHOVÝ POTENCIÁL existence gravitačního pole působící na ostatní tělesa intenzita gravitačního pole E = F/m (F gravitační síla, m hmotnost tělesa), udává se v N. kg -1 protože F = ma, je E = a (vektor intenzity gravitačního pole je totožný v daném místě s vektorem zrychlení), na povrchu Země je tedy E g = a g odstředivá síla F s = m ω Z 2 r Z cos φ, odstředivé zrychlení a s tíhová síla G výslednice gravitační a odstředivé síly, směr tížnice (olovnice) síla G uděluje tělesu o hmotnosti m zrychlení volného pádu zemské tíhové zrychlení g = 9,8 m.s -2 (zemská tíže) (vektorový součet gravitačního a odstředivého zrychlení), G = mg rovník: g = 9,781 m.s -2, je zde nejmenší; pól: g = 9,832 m.s -2 normální tíhové zrychlení g n : Země se tvarem blíží k rotačnímu elipsoidu g n = (1 + 0, sin 2 ϕ 0, sin 2 2ϕ) (μm.s -2 ) tíhový potenciál vyjádření pomocí skalární veličiny (ekvipotenciální plochy geoid) 2

3 1. Tíhové pole Země TÍHOVÁ SÍLA, TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ, TÍHOVÝ POTENCIÁL PÓL a s = 0 a g = g g je největší ROVNÍK zrychlení a g a a s nesouhlasně orientována g je nejmenší a souhlasně orientováno s a g 1. Tíhové pole Země TÍHOVÉ OPRAVY A TÍHOVÉ ANOMÁLIE tíhová anomálie rozdíl skutečné tíže a normální tíže (g n ) hodnoty měřeného tíhového zrychlení g ovlivněny hmotami mezi místem měření a nulovou hladinou redukce měřených hodnot g 0 měřené tíhové zrychlení provádí se korekce na zeměpisné šířce a nadmořské výšce anomálie: g 0 - g n > 0 - kladná skutečná tíže větší než normální g 0 - g n < 0 - záporná skutečná tíže menší než normální tím je odstraněn vliv topografických nerovností na měření a tíhové anomálie jsou projevem hustotních nehomogenit v různých hloubkách 3

4 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE stav přibližné hydrostatické rovnováhy velkých zemských bloků, dosažený v tzv. kompenzační hloubce základní předpoklad: existuje určitá hladina, na které je hodnota všesměrného tlaku konstantní na celé Zemi tato izobara se nachází na hranici pevné litosféry a viskózní astenosféry existence této hladiny izostatického vyrovnání ovlivňuje morfologii povrchu Země (=určuje maximální výšku pohoří a má za následek kulovitý tvar zemského tělesa) 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE Airyho model izostáze - litosféra má ve všech místech stejnou hustotu topografie je odrazem rozdílných tlouštěk litosféry Prattův model izostáze - jednotlivé bloky hornin mají různou hustotu vyšší partie hor jsou pak tvořeny horninami o menší hustotě, zatímco v nižších polohách jsou zastoupeny horniny s větší hustotou AIRYHO MODEL PRATTŮV MODEL 4

5 1. Tíhové pole Země PRINCIP AIRYHO HYPOTÉZY hmotnost sloupce A (na 1 m 2 ): ρ C (H 1 + h 1 ) hmotnost sloupce B: ρ C H 2 + ρ m (H 1 H 2 ) hmotnost sloupce C: ρ 0 h 0 + ρ C H 3 + ρ m (H 1 H 3 - h 0 ) podle Airyho hypotézy tedy platí: ρ C (H 1 + h 1 ) = ρ C H 2 + ρ m (H 1 H 2 ) = ρ 0 h 0 + ρ C H 3 + ρ m (H 1 H 3 - h 0 ) 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE VÝSLEDEK JE NĚKDE MEZI Topografie terénu (tedy přítomnost pohoří, či naopak nížin) je dána hustotou daného segmentu litosféry. ρ2 ρ2 ρ3 ρ4 ρ3 ρ1 5

6 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE Cokoliv porušuje tento stav, vyvolává další pochody směřující k dosažení rovnováhy, např. je-li výška horstva snížena denudací, je to kompenzováno jeho výzdvihem, naopak bloky klesají pod tíhou kontinentálního ledovec a opět stoupají po jeho odtáni. 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE Cokoliv porušuje tento stav, vyvolává další pochody směřující k dosažení rovnováhy, např. je-li výška horstva snížena denudací, je to kompenzováno jeho výzdvihem, naopak bloky klesají pod tíhou kontinentálního ledovec a opět stoupají po jeho odtáni. 6

7 1. Tíhové pole Země LEDOVCOVÁ IZOSTÁZE slabá zemská kůra, nízká viskozita pláště pásmo poklesu se shoduje s oblastí pokrytou ledovcem, okolí je nedotčené po roztání ledovce původní pokles pod tíhou ledovce se po jeho roztání vrací zpět 1. Tíhové pole Země LEDOVCOVÁ IZOSTÁZE silná zemská kůra, vysoká viskozita pláště pásmo poklesu je větší než plocha pokrytá ledovcem slabé vyklenutí doprovází přilehlé oblasti po roztání ledovce návrat po roztání ledovce je pomalé, na reliéfu jsou patrné elevace 7

8 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE Původní hloubka jezerní pánve byla 1,5 km. Postupem času docházelo k zanášení pánve sedimenty. Jakou mocnost budou mít sedimenty v případě, že se pánev zcela zaplní a zarovná s okolním terénem. ρ voda = 1,0 g.cm 3, ρ sedimenty = 2,8 g.cm 3, ρ astenosféra = 4,3 g.cm 3 Hloubka pánve bude větší, protože hustota sedimentů tlačí na astenosféru větší silou nežli voda. Sedimenty, kterými byla pánev zanášena, postupně zatěžovaly dno, takže tíhou sedimentů dno pokleslo. 1. Tíhové pole Země IZOSTÁZE Zhruba před 6 miliony let krátkodobě vyschlo Středozemní moře a na jeho dně se usadila vrstva soli o mocnosti 1,5 km, která se tam dochovala dodnes. Dnes má Středozemní moře hloubku 3 km. Jak se změnil reliéf po vyschnutí moře?? ρ voda = 1,0 g.cm 3, ρ sůl = 2,5 g.cm 3, ρ astenosféra = 4,3 g.cm 3 Vyschnutím Středozemního moře došlo k odlehčení dna, které tlačilo na astenosféru menší silou nežli voda a došlo tak k výzdvihu. 8

9 1. Tíhové pole Země TÍHOVÁ ANOMÁLIE 2. Magnetické pole Země GEOMAGNETICKÉ POLE magnetometrie studium magnetického pole Země magnetické pole prostor, ve kterém působí magnetické síly látka vložená do magnetického pole se zmagnetizuje stupeň zmagnetování popisuje magnetizace (indukovaná, remanentní) magnetický dipól magnetické póly nejsou shodné se zeměpisnými a poměrně rychle se pohybují severní magnetický pól se nachází se v arktickém souostroví Kanady (ʎ= 100 ) a jižní v D Urvilleově moři (ʎ= 140 ) poblíž Antarktidy 9

10 2. Magnetické pole Země PRVKY GEOMAGNETICKÉHO POLE magnetická deklinace - D je úhel mezi magnetickým a zeměpisným poledníkem, probíhá-li magnetický poledník východně od zeměpisného je D kladná, probíhá-li západně od zeměpisného je D záporná aktuálně se magnetická osa neshoduje s osou rotace o 11 izogony magnetická inklinace - I je úhel mezi vodorovnou rovinou a magnetkou zavěšenou na vodorovné ose ve směru magnetického poledníku I slouží k výpočtu intenzity magnetického pole (největší je na magnetických pólech) izokliny 2. Magnetické pole Země POLOHA MAGNETICKÉHO PÓLU poloha jižního magnetického pólu na severní polokouli, 0 současná poloha (v tis. letech př.n.l.) 10

11 2. Magnetické pole Země STRUKTURA MAGNETICKÉHO POLE sluneční vítr stálý tok nabitých částic vysílaných ze Slunce rázová vlna stlačování, zahřívání a zpomalování slunečního plazmatu na styku s magnetosférou turbulentní přechodová oblast sluneční plazma obtéká turbulentním pohybem magnetopauza vnější hranice magnetosféry určená rovnovážným tlakem slunečního větru a geomagnetického pole 2. Magnetické pole Země STRUKTURA MAGNETICKÉHO POLE plazmosféra vnitřní hranice magnetosféry tvořená horní hranicí ionosféry ohon magnetosféry siločáry magnetického pole, které nejsou deformovány vlivem slunečního větru jako na straně přivrácené ke Slunci neutrální vrstva rozděluje ohon magnetosféry na dvě opačné polarity neutrální body v magnetopauze oddělují otevřené a uzavřené siločáry magnetického pole 11

12 2. Magnetické pole Země STRUKTURA MAGNETICKÉHO POLE radiační pásy Země (van Allenovy pásy) množství nabitých částic, které jsou magnetickým polem soustřeďovány do uzavřených siločar výsledný pohyb nabitých částic kolem siločar připomíná pohyb po spirále 2. Magnetické pole Země POLÁRNÍ ZÁŘE souhrnný název pro světelné úkazy nastávající ve vysoké atmosféře (v ionosféře) ve výškách od 80 do 1000 km v oblasti s vysokou koncentrací iontů a volných elektronů výskyt: běžně v polárních oblastech (jižní záře aurora australis, severní záře aurora borealis) výjimečně ve střední zeměpisných šířkách a v tropech 12

13 2. Magnetické pole Země POLÁRNÍ ZÁŘE Slunce sluneční skvrny masivní protuberance sluneční vítr zachycení magnetosférou pohyb po spirále k magnetickým pólům Země srážky s molekulami plynů v ionosféře emitace elektromagnetického záření ve viditelném spektru (př. pro dusík zelená barva, pro kyslík červená barva 2. Magnetické pole Země PŮVOD A ČASOVÉ VARIACE vzniká magnetohydrodynamickým mechanismem rotace Země, konvekční pohyby ve vnějším jádru, indukcí elektrické proudy a jim odpovídající magnetická pole, zesilující slabé pole vzniklé rotací analýza variogramů - rozmanitý charakter magnetického pole denní variace závisí na zeměpisné šířce a na ročním období magnetické bouře následek mimořádné sluneční aktivity sekulární variace zřejmé u nedipólové části pole 13

14 2. Magnetické pole Země PALEOMAGNETISMUS primární remanentní magnetizace, kterou hornina získala již při svém vzniku informace o směru a vzácně i o velikosti geomagnetického pole v době vzniku rekonstrukce paleomagnetických pólů magnetické anomálie magnetické vlastnosti hornin minerály a) diamagnetické b) paramagnetické c) feromagnetické Magnetometrie průzkum ložisek železných a polymetalických rud 3. Elektrické pole Země ZÁKLADNÍ POJMY elektrostatické pole doplňováno novými náboji přinášenými z meziplanetárního prostoru nebo ionizací atmosféry elektrodynamické pole procesy v magnetosféře povrch Země vysoká vodivost, záporný náboj spodní vrstvy atmosféry vysoký elektrický odpor, kladný náboj stálý pohyb nábojů z atmosféry k zemi vyrovnání potenciálů brání bouřková činnost bouřková oblaka sekundární tvorba nábojů (elektrizace oblačných elementů) -rozdíl potenciálů mezi částmi oblaku a mezi oblakem a zemí elektrické výboje odvádí záporné náboje k zemi, kladné náboje do svrchních vrstev atmosféry blesk příklad jiskrového výboje Eliášovy ohně tichý výboj na částech vodiče s velkým zakřivením povrchu svrchní vrstvy atmosféry ionizace atomů a molekul plynu (ionosféra) vrstvy zvýšené vodivosti D (50-90 km), E (kolem 110 km), F 1 ( km) a F 2 ( km) odraz radiových vln systém elektrických proudů v ionosféře výsledek elektrodynamického jevu v ionosféře telurické proudy přirozené elektrické proudy v zemském tělese, které jsou indukovány elektrickými proudy v ionosféře 14

15 4. Tepelné pole Země ZÁKLADNÍ POJMY geotermika zabývá se studiem tepelného pole Země hustota tepelného toku q (W.m -2 ) udává množství tepla protékajícího na zemském povrchu jednotkovou plochou za jednotku času: q = měrná tepelná vodivost krát geotermický gradient geotermický gradient přírůstek teploty na jednotku hloubky (10-40 ºC.km -1 ) průměrná hodnota q je 60 mw.m -2, tj. Země ztrácí za sekundu 30, J energie tepelné ztráty kompenzují: a) vnější zdroje (energie slunečního záření mw.m -2 část z toho přispívá k tepelné energii Země) b) vnitřní zdroje (např. radiogenní teplo, gravitační teplo stlačení spodních vrstev silou nadloží, energie seismických vln) nejvýznamnější je radiogenní teplo teplo uvolněné samovolným rozkladem izotopů uranu ( 235 U, 238 U), thoria ( 232 Th) a draslíku ( 40 K) 4. Tepelné pole Země PŘENOS A MĚŘENÍ TEPLA přenos tepla mezi dvěma místy s různou teplotou se děje a) vedením (zemská kůra, svrchní plášť), b) zářením a excitonovým přenosem (spodní plášť a jádro), c) konvekcí (pohybující se hmoty vývěry vod a výrony lávy, hlavně ve svrchním plášti a ve vnějším jádru) součinitel tepelné vodivosti fyzikální parametr hornin : množství tepla, které musí za jednotku času projít tělesem, aby na jednotkovou délku byl jednotkový spád při jednosměrném šíření ovlivňuje: zastoupení minerálů, pórovitost, přítomnost vody, teplota (řeší se při zateplování) významný při tvorbě tepelných čerpadel (vrtů do země) součinitel teplotní vodivosti rychlost vyrovnání teploty v sledovaném horninovém prostředí 15

16 4. Tepelné pole Země ZMĚNA TEPLOTY S HLOUBKOU, TEPELNÁ HISTORIE ZEMĚ denní a roční cyklus teplotních změn (ve m vrstva stálé roční teploty) teplotní měření ve vrtech do hloubky několika km geotermický gradient ºC.km -1 pro hloubky pod 10 km model Země, v němž je definována pravděpodobná závislost měrné tepelné vodivosti na hloubce a pravděpodobné rozložení zdrojů radiogenního tepla pro hloubky nad 100 km nárůst tepelné vodivosti, snížení teplotního gradientu tepelná historie Země vznik Země koncentrací hmoty z mezihvězdného prachu růst teploty uvnitř Země přeměnou kinetické energie dopadlých částic, adiabatickým stlačením hmoty a teplem uvolněným při rozpadu radioaktivních prvků měknutí až roztavení hmot a gravitační diferenciace (jádro, plášť, kůra) vynesení radioaktivních prvků k povrchu 4. Tepelné pole Země POLE TEPELNÉHO TOKU geografické rozložení hustoty tepelného toku vliv stáří tektonických celků a mocnosti zemské kůry oblasti s kontinentální kůrou největší hodnoty q v oblastech tercierního a mladšího vulkanismu, riftových zónách a mladších pánvích s malou mocností kůry, nejnižší v oblasti pevninských štítů oblasti s oceánskou kůrou největší na riftech podmořských hřbetů a nejnižší v oblasti hlubokomořských příkopů tepelná energie Země je patrně nejvýznamnější endogenní silou při formování zemského povrchu 16

17 4. Tepelné pole Země POLE TEPELNÉHO TOKU 4. Tepelné pole Země VULKANICKÁ ČINNOST A ENERGETICKÉ HOSPODÁŘSTVÍ ZEMĚ vulkanická činnost procesy souvisejíc s pohybem magmatu uvnitř i na povrchu zemské kůry uvolnění řádově J energie ročně magma suspenze pevných částic v roztaveném kapalném prostředí o velmi vysokých teplotách (kolem 1200 ºC) průvodní jevy vulkanické činnosti: a) termální prameny ochlazování horkých par při výstupu puklinami popř. míšení s podzemní vodou (přerušované výrony gejzíry) b) fumaroly exhalace plynů a par, unikajících pod tlakem se sykotem z trhlin c) solfatary výrony vodní páry, sirovodíku, oxidu uhličitého a siřičitého po skončení vulkanické činnosti 17

18 4. Tepelné pole Země VYUŽITÍ GEOTERMÁLNÍ ENERGIE přirozené přenašeče tepla (např. termální prameny) nebo zavedení umělých přenosových médií z povrchu výroba elektrické energie vytápění objektů lázeňské a rekreační účely (termální koupaliště) rozdělení geotermálních zdrojů: a) oblasti rezervoárů přírodní páry b) oblasti vysokotermálních zdrojů ( C) c) oblasti nízkotermálních zdrojů ( C) d) oblasti dry hot rock vysoký tepelný tok, chybí hydrotermální projevy e) normální oblasti 18