Текст книги "Единая картина мира. Системно-структурный метод"

Уровень структурной организации элементарных частиц

Сегодня (эти строки я пишу 21.12.2012) физики мира ожидают результатов от, запущенного уже не сегодня, Большего адронного коллайдера, надеясь получить по настоящему элементарную частицу, и тогда можно будет объяснить происхождение Вселенной и все то, что есть в ней. Некоторые из них опасаются, что Коллайдер не прольет свет в достижения современной науки и физикам, как выражаются некоторые из них: «Придется работать дворниками». В любом случае ничего подобного не произойдет, ученые будут анализировать (не один десяток лет) результаты, полученные в Коллайдере, обеспечив себе не пыльное место работы на всю оставшуюся жизнь. Поживем – увидим.

Человечество постоянно задумывалось над вопросом – есть ли предел делимости предметов, из чего они состоят. С тех пор как ученые определили, что атом (неделимый) состоит из …, и несмотря на то, что в предыдущем разделе рассмотрена его структура, я снова готов утверждать, что атом не делим. Да, я не ошибся и я, находясь в трезвой памяти и нормальном состоянии, утверждаю – атом не делим для простого вещества, химического элемента, элементом структурной организации, которого он является, а для более низшего уровня структурной организации делимость вполне справедлива. Конечно, есть более соответствующие изображения атома (множество их приведено в литературе), но в них отсутствует важная составная часть структуры – связь. Привожу это утверждение только для того, чтобы подчеркнуть справедливость основных понятий – системно – структурного метода. Структура атома довольно хорошо вписывается в периодическую систему Д. И. Менделеева, однако сомнения, в виде квантовомеханических закономерностей, где неизбежно присутствуют случайность и неопределенность, остаются. Более того, метод изучения составных частей нейтрона и протона в предшествующих реакторах и Большом Адроном Коллайдере путем бомбардировки частиц, еще более сомнителен. Можно привести аналогию данного метода: возьмем и ударим один кирпич о другой – получим куски кирпичей. Если перебьем громадное количество кирпичей, получим гору кусков, занимаясь анализом, можем составить классификацию этих кусков, установив закономерность и поместив их в таблицу. Не собираюсь опровергать или отбрасывать достижения в области элементарных частиц, можно и далее получать новые частицы или новые, еще более тяжелые атомы до размеров космических объектов, называя их своими именами, но затраты на эти исследования, если быть прагматичным, полезны только лишь в части удовлетворения любопытства физиков.

Элементарные частицы – термин, употребляемый не в своем точном значении, а для названия мельчайших частей, которых на сегодня более 350. Их можно расклассифицировать по уровням и подуровням со своими ветвями структурной организации, однако, оставим это специалистам профессионалам, приведу лишь некоторые из вариантов классификации. И так, элементарные частицы принято классифицировать по способности к взаимодействиям и по массе. В свою очередь взаимодействия элементарных частиц различаются по интенсивности: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильные взаимодействия называются еще ядерными и отвечают за связь протонов и нейтронов в ядре атома, обеспечивая устойчивость и прочность. Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле, и оно действует только между заряженными частицами, обеспечивая связь электрона с ядром и атомов в молекуле.

Из всего множества элементарных частиц выделяют 16: 6 кварков – верхний, нижний, очарованный, странный, верхний и нижний тяжелые; 6 лептонов – 3 нейтрино, электрон, мюон и тау; и 4 квантопереносчика, переносчика взаимодействия: y – электромагнитного, g – сильного взаимодействия, z и w бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Названия частиц конечно же условные. Кварки – это частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях, являются элементами протонов и нейтронов. Лептоны – это частицы, которые участвуют в слабых взаимодействиях. Графическое изображение описанной классификации приведено на рис. 4, где отражены данные, частично полученные опытным путем и больших затрат, а также с помощью фантазии, достраивающей теорию до логического завершения (чего здесь больше – не берусь судить).

Рис. 4

Другой вариант классификации элементарных частиц приведен на рис. 5, без комментарий.

рис. 5 Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы – слева, бозоны – справа.

Молекулярный уровень стрктурной организации материи

Следующим за атомным, более высшим уровнем структурной организации материи, является молекулярный уровень, молекула – уменьшительное слово от массы, т. е. молекула, наименьшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами. Элементом молекулы является два или большее число атомов, связанных между собой, обобщенными валентными электронами, в результате чего получается качественно новое вещество – молекула, как целостность. Таким образом, химическая связь – это совокупность сил, которые удерживают атомы в пределах молекулы, образуя восьми электронную оболочку (кроме водорода, ограниченного двумя электронами в молекуле). Данная связь является наиболее предпочтительной, т. к. является аналогичной благородным газам. Отдельные атомы до соединения в молекулу, взаимодействуют между собой с помощью сил отталкивания: два положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны отталкиваются, в то же время ядро одного атома и электроны другого притягиваются. Движущей силой, соединяющей атомы в молекулу, является минимум энергии: 2 отдельных атома имеют большую энергию, нежели энергия молекулы, полученной из этих атомов, что можно видеть на рис. 6. Минимум энергии, указанный на графике, есть момент образования молекулы.

Рис. 6

Число и тип атомов, соединенных в молекулу, определяется химической формулой, показывающей количественный и качественный состав. Химическое соединение определяется валентностью и окислением химических элементов. Валентность это способность одних химических элементов присоединять к себе других и соответствует номеру группы в таблице Д. И. Менделеева. Например, металлы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr – всегда одновалентны, т. к. принадлежат к главной подгруппе первой группы. Металлы: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra – всегда двухвалентны, т. к. принадлежат к главной подгруппе второй группы и т. д. У неметаллов две валентности – высшая и низшая. Например, Cl – главный элемент подгруппы 7-й группы – высшая валентность =7, низшая =8–7=1. Между ними имеются соответствующие валентности. Кроме упомянутых выше правил, существует еще правило построения формулы для элементов, проявляющих переменную валентность: высшую валентность проявляет тот элемент, который находится левее и ниже, а элемент, расположенный правее и выше, проявляет низшую валентность.

Однако химической формулы для характеристики молекулы недостаточно, т. к. существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства вещества. Это говорит о том, что атомы в молекуле имеют различные расположения, определенную топологию, стабилизируемую связями между ними, и поэтому молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними, соответствующие пространственному расположению атомов. Межатомные связи показаны на рис. 7

Рис. 7. ЧЕТЫРЕ СПОСОБА ИЗОБРАЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ МЕТАНА.

а – химическая формула, указывающая лишь число и тип атомов; б – структурная формула; в – реальная схема молекулы; г – пространственное расположение атомов в молекуле.

Наиболее наглядно явление изомерии представлено на примере этилового спирта C₂H₅OH и диметилового эфира (CH₃)₂O. Структурная формула этих соединений приведена на рис. 8

Рис. 8

По числу атомов, составляющих молекулу, различаются молекулы двухатомные, трехатомные и т. д. Если число атомов в молекуле превышает сотню или тысячу, такую молекулу называют макромолекулярной.

Важным достижением в части определения точного положения атомов в молекулярных кристаллах удалось получить с помощью рентгеновской дифракции. Наиболее полную природу химических связей позволяет исследовать современная квантовая теория. Не смотря на то, что рассчитать точно структуру молекул не удается, все же объяснить особенности химических связей возможно и даже предсказать наличие новых типов химических связей. Различают следующие типы химической связи:

1. ковалентная (неполярная и полярная),

2. ионная,

3. донорно-акцепторная,

4. металлическая,

5. водородная.

В чистом виде эти связи не всегда различимы, однако в теоретическом плане они имеют право на существование. Преобладающей связью является ковалентная, при этом молекулы большей частью являются электрически нейтральны, т. е. два идентичных атома в молекуле расположены симметрично, такая ковалентная связь является неполярной. Однако, встречаются молекулы, имеющие заряд. Когда атомы, с большей электроотрицательностью, объединяются с атомом меньшей электроотрицательностью, так возникает 2 полюса. Такая молекула имеет полярную ковалентную связь. Сама молекула обычно является нейтральной частицей, но иногда молекула имеет положительный или отрицательный заряд (например, металл – галоген), в этом случае связь будет ионной (катионной или анионной соответственно), однако строгости здесь нет. Другие типы связей более понятны, определяются самим названием и достаточно полно описаны в литературе.

Наукой о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются, занимается химия – одна из важнейших и обширных областей естествознания. Зачатки химии возникли в самом начале развития цивилизации, когда человек стал использовать огонь, дубление шкур, приготовление пищи. В соответствии с классическими научными воззрениями различаются две физические формы существования материи – вещество и поле. Химия изучает большей частью вещества, организованные в атомы, молекулы, ионы и радикалы.

Особый, удивительный вид вещества составляют кристаллы – это, главным образом, твердое тело, имеющее естественную внешнюю форму, правильных симметричных многогранников (которых в реальности не так много), основанную на их внутренней структуре, в которой атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку – кристаллическую решетку. В зависимости от условий может сформироваться разные виды кристаллической решетки одного вещества, имеющие различные свойства, например, графит и алмаз. Кристаллы могут быть различных размеров. В одной из пещер найден кристалл гипса длиной 15метров, шириной 1метр.

Удивительно то, что при формировании кристаллической решетки есть какая-то внутренняя сила, создающая вещество геометрически правильной формы в естественных условиях.

Вещества могут быть простые и сложные. Простые вещества представляют собой формы существования химических элементов, представленных в свободном виде; например атомный кислород O, кислород O₂ и озон O₃, или по кристаллической решетке, например алмаз и графит для элемента углерод C. Сложные вещества, т. е. химические соединения, получаемые в результате химической реакции соединения из простых веществ (химического синтеза) или разделения сложных веществ на простые элементы в результате химических реакций разложения (химического анализа). Выше сказанное может быть представлено в виде формулы:

где

E – простые вещества (элементы в свободном виде),

C – сложные вещества (химические соединения),

S – синтез,

A – анализ.

Общее число известных соединений больше 20 млн, и их число принципиально неограниченно, поэтому необходимо пользоваться чёткими правилами при их наименовании, чтобы по названию можно было воспроизвести их структуру. Для этого служит стандарт IUPAC.

Для более четкого понимания сути и для перехода к следующему, более высшему уровню структурной организации материи, необходимо разделение вещества на естественные и искусственные. На молекулярном уровне организуется несколько ветвей более высшего уровня структурной организации материи, но если рассматривать процесс в строгом историческом плане, то возможен только один уровень, геологический. Может возникнуть вопрос – почему не использовался исторический план в рассмотренных ранее уровнях? Дело в том, что эти уровни, возможно, рассматривать только в плане истории познания – в сознании человека, ученого, а геологический уровень необходимо сначала рассмотреть в естественных условиях, до появления человека. потому что человек внес существенные изменения.

Геологический уровень структурной организации материи

Все, что находится вокруг нас в естественных условиях, относится к следующему (над молекулярном) уровню структурной организации материи – это земля, вода, воздух – все, как у древнегреческих философов, правда не хватает огня, огонь тоже есть, в виде солнечной энергии и горячих недр Земли, обеспечивающих среднюю температуру приземного слоя атмосферы 14ºС. Максимальная температура воздуха 57–58ºС зафиксированы в тропических пустынях Северной Африки и Северной Америки (Долина смерти) и внутренних районах Австралии. Минимальная температура воздуха около – 90ºС в центральной части Антарктиды – Полюс холода.

Элементами геологического уровня структурной организации материи являются геосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера, а связями являются закономерности взаимного влияния между ними, вызывающими изменения среды (климата) и структуры самих элементов. Полного и непротиворечивого описания развития Земли, геосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы, пока не существует. Рассмотрим сначала каждый элемент в отдельности, затем рассмотрим общую структуру и перейдем к следующей ветви уровней структурной организации материи.

Геосфера

Структура Земли состоит из трех концентрических оболочек-слоев, являющиеся ее элементами. В «Истории Земли» Флинт Р. Ф. удачно сравнил Землю с яйцом, скорлупа которого подобна земной коре, белок – мантии, желток – ядру Земли. Такое строение Земли определено благодаря исследованию с помощью сейсмических волн, скорость которых в разных слоях резко отличается. Кора – внешняя твёрдая оболочка Земли —, состоит, в свою очередь, из споев, образованных в результате ее формирования, и различных пород, не являющихся равномерными по всей площади. Самыми крупными элементами земной коры являются литосферные плиты континентального, океанического или смешанного типа. В свою очередь литосферные плиты имеют платформы – наиболее устойчивые основные структурные элементы континентов, образовавшиеся на месте бывших горных сооружений или складчатых областей, они асейсмичны и разделенные окраинноподвижными зонами и поясами, которые представляют собой сложное сочетание окраинных морей, островных дуг и глубоководных желобов. На океанических литосферных плитах выделяют два наиболее крупных элемента: океанические платформы и океанические орогенные пояса.

Структура Земли приведена на рис. 9

Рис. 9 Структура планеты Земля.

Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн. км², большую часть которой занимают воды Мирового океана – 361 млн. км², суша 149 млн. км² слагается из шести материков: Евразия, Африка, Америка (Северная и Южная), Австралия и Антарктида. Средняя высота суши – 875 м, наибольшая – 8848 м (гора Джомолунгма). Глубина земной коры от 5 км под океаном до 75 км под материками, масса земной коры оценивается в 2,8·10¹⁹ тонн (из них 21 % – океаническая кора и 79 % – континентальная), кора составляет лишь 0,473 % общей массы Земли; мантия (верхняя и нижняя), глубина ее до 2900 км; ядро (внешнее и внутреннее) находится в расплавленном состоянии. В свою очередь континентальная кора имеет многослойную структуру. Верхний слой представлен покровом осадочных пород, который расположен повсеместно, но редко имеет большую мощность. Под верхней корой – слоем, состоящим главным образом из гранитов и гнейсов, обладающим низкой плотностью и более древней историей. Нижняя кора, состоящая из метаморфических пород – гранулитов и им подобных. Осадочные породы состоят из пластов, сложенных геологическими периодами, причем сверху находится молодой слой, а под ним лежат породы старше, и чем дальше, тем старше. Каждый период, соответствующий временной шкале, определяется на основании комплексов горных пород. В местах сталкивания литосферных плит, могут происходить наложение старых слоев на молодые.

Земную кору составляют химические элементы: 47 % массы земной коры приходится на кислород (О), 28 % – на кремний (Si), 8 % – на алюминий (Al), 4 % – на железо (Fe) – итого эти элементы составляют 87 % оставшиеся до 99,8 % массы земной коры составляют химические элементы: Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba. Элементы соединяются в различных соотношениях и образуют минералы, в большинстве своем представляющие твердые кристаллические тела, обладающие жесткой трехмерной кристаллической решеткой, размером до 1,5 мм. Природное химическое соединение кристаллической структуры, образовавшееся на Земле, как результат геологических и геохимических процессов. Существует более 2000 минералов, но только небольшое число их является важными составными частями обычных на земной поверхности горных пород. Классификация минералов, основанная на химическом составе:

1. Силикаты, включают 800 минералов и составляют 75 % массы земной коры, в осадочных породах силикаты составляют 50 % массы осадочных горных пород.

2. Окислы и гидроокислы, включают 200 минералов, состоят из 30 химических элементов и составляют 5 % массы земной коры.

3. Карбонаты – 100 минералов – 1,5 %.

4. Сульфиды – 40 минералов.

5. Галогениды -100 минералов.

6. Сульфаты – 300 минералов – 0,1 %.

7. Соли кислородных кислот: SO₄, SiO₃, CrO₄, VO₄, AsO₄, UO₂, PO₂.

8. Самородные химические элементы – 30 минералов.

Около 30–40 минералов являются породообразующими. Они составляют 99 % массы земной коры.

Горные породы – природные минеральные сооружения с устойчивой структурой, залегающих в виде самостоятельных тел в земной коре и подразделяются на три группы:

1. магматические породы, образованные при затвердевании жидкой магмы;

2. метаморфические («измененные») породы, возникшие в результате преобразования в твердом состоянии существовавших ранее пород под действием давления и тепла;

3. осадочные породы, созданные осаждением обломков и других продуктов разрушения существовавших ранее пород.

С увеличением глубины, давление, плотность и температура вещества Земли возрастают: давление в центре Земли – до 3,5 млн. кг/см², плотность внутри ядра – 12,5 . 10³ кг/м³. На определенной глубине земной коры располагается сфера постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности, а ниже наблюдается повышение температуры. Среднее значение внутреннего теплового потока – около 1,5 мкал/см² в секунду, в различных географических областях Земли тепловой поток меняется, иногда существенно – в 5–7 раз в сторону увеличения. Данная характеристика теплового потока относится к земной коре, более глубокие слои мало изучены. Считается, что температура ядра достигает 5000–6000ºС, поэтому является сжиженным, но поскольку центр ядра не пропускает сейсмические волны, то он должен быть в твердом состоянии.

Общий объем Земли – 1 083 320 млн. км³, средняя плотность 5,52 г/см³, масса – 5,98.10²⁴кг. Форма Земли – седцевидный элепсоид с осевой впадиной на Южном полюсе и выпуклостью на Северном. Экваториальный радиус – 6 378 245 м, полярный – 6 356 863 м.

Рассмотрены, главным образом, структурные элементы Земли, связь элементов в полной мере, возможно, проследить в результате процесса формирования и развития планеты. Об этом рассказывают геология и палеонтология (наука об ископаемых), а с развитием минералогии и петрологии, тонких методов химического анализа, началось развитие геохимического направления, чтобы ответить на один из основополагающих вопросов: как возникло то, что, мы видим вокруг себя? Какой путь и развитие прошла наша планета? Как все пришло к современному состоянию? Теория дрейфа континентов была разработана на основе теория тектоники литосферных плит – основополагающая концепция современной геологии. Эти теории помогли утвердить идеи о возникновении и последующем изменении самой Земли, океанов и атмосферы. Процесс продвижения океанических и континентальных плит заставляет континенты перемещаться на тысячи километров по поверхности Земли, а иногда и поворачиваться. При сталкивании тектонических плит, на поверхности вырастают огромные горные хребты. В других случаях происходят землетрясения, извержения вулканов, что также может привести к изменению коры и климата.

Наиболее распространенным вариантом модели Солнечной системы, в том числе Земли, является гипотеза протосолнечной туманности, образовавшейся в результате взрыва сверхновой звезды, с последующим остыванием и конденсацией частиц газа и пыли, положив начало аккумуляции вещества, химических элементов, из которых в последствии сформировалась Земля. Это происходило, по одной гипотезе, более10 млрд. лет назад, в других гипотезах встречается дата 5,5 млрд. лет – разница колоссальная, но такова их точность. Надо понимать точность подобного рода предсказаний, чем дальше в глубь космической истории, тем меньше достоверность и больше загадок. За последние 200 лет, как ученые серьезно стали заниматься историей Земли, отойдя то библейского варианта (кстати, он тоже, как вариант, имеет право на существование), изучено около 600 млн. лет предшествующих эпох, а то, что было раньше, остается загадкой.

Существуют основные гипотезы формирования Земли:

1. Формирование земли началось из однородной, холодной туманности, после первоначального формирования вещества и планеты, Земля стала разогреваться за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляций частиц, и за счет энергии радиоактивного распада элементов. В это же время шло формирование железоникелевого расплава, что является противоречием – невозможно объяснить каким образом частицы железа и никеля могли пройти тысячи километров, прежде чем проникнуть к центру, кроме того, для образования железоникелевого сплава, необходима соответствующая реакция восстановления, с выделением количества кислорода, почти равного количеству восстановленного железа.

2. При формировании Земли в ней уже имелась основа слоистой структуры, т. е. происходила неоднородная аккумуляция, и процесс разделения вещества начался еще при конденсации микрочастиц в протосолнечной туманности в горячем виде. В процессе снижения температуры протосолнечной туманности сначала стали конденсироваться молекулы соединений, имеющих более высокую температуру испарения.

3. Структура Земли в конечном счете оказалась сформированной по принципу кристалла. Предполагается и, вроде бы для этого есть основания, что ядро Земли представляет собой растущий кристалл железа, который наводит во всех оболочках планеты симметрию двух правильных многогранников – икосаэдра и додекаэдра, а также по этому принципу организована иерархия подсистем основного деления планеты, получившая название икосаэдро-додекаэдрической структуры Земли (ИДСЗ). Данная позиция не является общепринятой, но по ней есть исследования и немало источников.

Не найдя более подходящей гипотезы о происхождении Земли, в последнее время получила популярность теория, занимающая промежуточное положение между теориями однородной и неоднородной аккумуляции.

Молекулами, которые начали конденсироваться первыми, были окислы MgAl₂O₄ и СаТiO_3, за ними последовали железо и никель. При дальнейшем остывании начали конденсироваться силикаты марганца и соединения серы, затем олово и серебро, а позже – соли свинца и окислы железа. Все эти соединения в ходе повторявшихся столкновений друг с другом образовывали микрочастицы, из которых затем в ходе аккумуляции формировались планеты.

С появлением еще не зрелой земной коры на рубеже 3,8 млрд. лет с платформами всех континентов, горными породами с соответствующими радиометрическими датировками история Земли, все предыдущее – догеологический этап между датой рождения Земли 4,6 и 3,8 млрд. лет, все сказанное выше является предположением.

Земля имеет магнитное поле, напряженность которого у ее поверхности составляет 0,5 гаусс, с силовым полем вокруг. В наше время магнитные полюса Земли расположены вблизи географических полюсов, но не совпадают с ними. Что касается происхождения магнитного поля Земли, имеется немало гипотез, и все они единодушны в том, что существование геомагнитного поля, возникающие в результате действия системы электрических токов в железоникелевом расплаве, обладающим высокой электропроводностью, вызванных сложными конвективными движениями в жидкой части ядре при вращении Земли. Энергетическим источником, приводящим в движение вещество ядра, может быть также радиоактивный распад элементов, содержащихся в ядре. Предполагается, что существование ядра Земли, как и его геомагнитного поля, прослеживается, по крайней мере, до 3 миллиардов лет назад. Общему фону магнитного поля Земли сопутствует, ферромагнитные магматические минералы горных пород в период их вулканического формирования имеют противоположную полярность, что характеризует неоднократную смену полярности, в ходе геологической истории Земли, т. е. северный полюс становился южным, а южный северным и наоборот. Причина инверсии полюсов также неизвестна.

История Земли включает в себя наиболее важные события и основные этапы развития планеты Земля с момента ее образования до наших дней. Возраст Земли – время, прошедшее с момента возникновения Земли как самостоятельной планеты, составляет 4,54·10⁹ лет ±1 %. Эти данные базируются на радиоизотопной датировке земных, лунных образцов и метеоритного вещества. Старейшие из найденных образцов – мелкие кристаллы циркона из Западной Австралии, с возрастом 4,404 миллиардов лет. Самые старые образцы метеоритов имеют возраст 4567 миллиардов лет, что даёт возможность установить возраст Земли. Большое различие возраста минералов – от нескольких миллионов до 100 миллионов лет – затрудняет определение точного возраста Земли.

По результатам полученных исследований естествознания, на II–VIII сессиях Международного геологического конгресса в 1881–1900 гг. были приняты иерархия и номенклатура большинства современных геохронологических подразделений. В последующем геохронологическая шкала постоянно уточнялась. Согласно геохронологической шкале, время существования Земли измеряется в годах и разделено на два главных интервала (эона): Фанерозой и Докембрий. Они, в свою очередь, подразделены на эры, периоды, эпохи со своей датировкой и приведены в таблице 1 и на рис. 10

Таблица 1 Геохронологическая шкала Земли

Рис. 10

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30 см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров.

Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2) m/c2, где m – масса тела.

 Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 R, с ночной – вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет (по другим источникам 750 тыс. лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс. лет (500 тыс. лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2–4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.

В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю намагниченного стержня (диполя), который смещен относительно центра Земли к Тихому океану и наклонен к земной оси. В настоящее время это смещение составляет 451 км, а наклон равен 11°. Сила и форма геомагнитного поля постепенно меняются, причем масштаб времени этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля обозначается векторной величиной F или B, а единицами измерения являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (γ) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла= 10-5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I, т. е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т. е. азимутом – углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных полюсов Земли на 1985 г:

Северный магнитный полюс – 77°36' с.ш.; 102°48' з.д.