Курсовая работа: Влияние космических процессов и явлений на развитие Земли

Происхождение захваченных частиц с энергией, значительно превышающих среднюю энергию теплового движения атомов и молекул атмосферы, связывают с действием нескольких физических механизмов: распадомнейтронов, созданных космическими лучамив атмосфере Земли (образующиеся при этом протоны пополняют внутренние Р. п. З.); «накачкой» частиц в пояса во время геомагнитных возмущений (магнитных бурь), которая в первую очередь обусловливает существование электронов внутреннего пояса; ускорением и медленным переносом частиц солнечного происхождения из внешнего во внутренние области магнитосферы (так пополняются электроны внешнего пояса и пояс протонов малых энергий). Проникновение частиц солнечного ветра в Р. п. З. возможно через особые точки магнитосферы, а также через т. н. нейтральный слой в хвосте магнитосферы (с её ночной стороны).

В области дневных каспов и в нейтральном слое хвоста геомагнитное поле резко ослаблено и не является существенным препятствием для заряженных частиц межпланетной плазмы. Полярные каспы - воронкообразные области в лобовой частимагнитопаузына геомагнитных широтах ~ 75°, возникающие в результате взаимодействиясолнечного ветраимагнитного поля Земли. Через каспы частицысолнечного ветрамогут беспрепятственно проникать в полярную ионосферу.

Частично, Р. п. З. пополняются также за счёт захвата протонов и электронов солнечных космических лучей, проникающих во внутренние области магнитосферы. Перечисленных источников частиц, по-видимому, достаточно для создания Р. п. З. с характерным распределением потоков частиц. В Р. п. З. существует динамическое равновесие между процессами пополнения поясов и процессами потерь частиц. В основном частицы покидают Р. п. З. из-за потери своей энергии наионизацию(эта причина ограничивает, например, пребывание протонов внутреннего пояса в магнитной ловушке временемt~ 10⁹ сек), из-за рассеяния частиц при взаимных столкновениях и рассеяния на магнитных неоднородностях и плазменных волнах различного происхождения. Рассеяние может сократить время «жизни» электронов внешнего пояса до 10⁴ —10⁵ сек.Эти эффекты приводят к нарушению условий стационарного движения частиц в геомагнитном поле (т. н. адиабатических инвариантов) и к «высыпанию» частиц из Р. п. З. в атмосферу вдоль силовых линий магнитного поля.

Радиационные пояса испытывают различные временные вариации: расположенный ближе к Земле и более стабильный внутренний пояс — незначительные, внешний пояс — наиболее частые и сильные. Для внутреннего Р. п. З. характерны небольшие вариации в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Внешний пояс заметно меняет свои границы и структуру даже при незначительных возмущениях магнитосферы. Пояс протонов малых энергий занимает в этом смысле промежуточное положение. Особенно сильные вариации Р. п. З. претерпевают во времямагнитных бурь.Сначала во внешнем поясе резко возрастает плотность потока частиц малых энергий и в то же время теряется заметная доля частиц больших энергий. Затем происходит захват и ускорение новых частиц, в результате которых в поясах появляются потоки частиц на расстояниях обычно более близких к Земле, чем в спокойных условиях. После фазы сжатия происходит медленное, постепенное возвращение Р. п. З. к исходному состоянию. В периоды высокой солнечной активности магнитные бури происходят очень часто, так что эффекты от отдельных бурь накладываются друг на друга, и максимум внешнего пояса в эти периоды располагается ближе к Земле (L~ 3,5), чем в периоды минимума солнечной активности (L~ 4,5—5,0).

Высыпание частиц из магнитной ловушки, в особенности из зоны квазизахвата (авроральной радиации), приводит к усилению ионизации ионосферы, а интенсивное высыпание — к полярным сияниям. Запас частиц в Р. п. З., однако, недостаточен для поддержания продолжительного полярного сияния, и связь полярных сияний с вариациями потоков частиц в Р. п. З. говорит лишь об их общей природе, т. е. о том, что во время магнитных бурь происходит как накачка частиц в Р. п. З., так и сброс их в атмосферу Земли. Полярные сияния длятся всё время, пока идут эти процессы, — иногда сутки и более. Р. п. З. могут быть созданы также искусственным образом: при взрыве ядерного устройства на больших высотах; при инжекции искусственно ускоренных частиц, например с помощью ускорителя на борту спутника; при распылении в околоземном пространстве радиоактивных веществ, продукты распада которых будут захвачены магнитным полем. Создание искусственных поясов при взрыве ядерных устройств было осуществлено в 1958 и в 1962 годах. Так, после американского ядерного взрыва (9 июля 1962) во внутренний пояс было инжектировано около 10²⁵ электронов с энергией ~ 1Мэв,что на два-три порядка превысило интенсивность потока электронов естественного происхождения. Остатки этих электронов наблюдались в поясах в течение почти 10-летнего периода.

Исторически первыми были открыты внутренний пояс (группой американских учёных под руководством Дж.Ван Аллена, 1958) и внешний пояс (сов. учёными во главе с С.Н. Верновым и А.Е. Чудаковым, 1958). Потоки частиц Р. п. З. были зарегистрированы приборами (счётчиками Гейгера—Мюллера), установленными на искусственных спутниках Земли. По существу, Р. п. З. не имеют четко выраженных границ, т.к. каждый тип частиц в соответствии со своей энергией образует «свой» радиационный пояс, поэтому правильнее говорить об одном едином радиационном поясе Земли. Разделение Р. п. З. на внешний и внутренний, принятое на первой стадии исследований и сохранившееся до настоящего времени из-за ряда различий в их свойствах, по существу, условно.

Принципиальная возможность существования магнитной ловушки в магнитном поле Земли была показана расчётами К. Стёрмера(1913) и Х. Альфвена(1950), но лишь эксперименты на спутниках показали, что ловушка реально существует и заполнена частицами высоких энергий.[7,8,9]

1.3 Гравитация

Полярность магнитного поля Земли много раз менялась на протяжении сотен миллионов лет, и при этом изменение знака полярности влекло за собой резкое падение напряжённости магнитного поля. Это сказывалось на состоянии атмосферы, ионосферы, магнитосферы. В них, от жёсткого космического излучения, нарушаются защитные функции. Даже слой воды в 1 – 1,5 м является непреодолимым препятствием для коротковолнового излучения. Возможно, что массовые вымирания биоты в фанерозое, как и изменение климата, могут быть связаны с временным процессом резкого падения напряжённости магнитного поля во время его инверсии.

В Солнечной системе действуют мощные силы тяготения - гравитация. Солнце и планеты притягиваются друг к другу. Кроме того, существуют и собственное поле тяготения каждой планеты. Эта сила тем больше, чем больше масса планеты, а также чем ближе тело находится к ней.

Поле тяготения Земли можно представить в виде большой сферы, в которой силовые линии направлены к центру планеты. В нём. В том же направлении увеличивается сила притяжения, действующая на каждую точку геосферы. Этой силы достаточно чтобы вода океанов не стекала с поверхности Земли. Вода удерживается во впадинах, но легко растекается по ровной поверхности.

Силы гравитации постоянно действуют на вещество Земли. Более тяжёлые частицы притягиваются к ядру, вытесняя более лёгкие, которые всплывают в направлении земной поверхности. Происходит медленное встречное движение лёгкого и тяжёлого вещества. Это явление получило название гравитационной дифференциации. В результате - в теле планеты сформировались геосферы с разной средней плотностью вещества.

Масса Земли более чем в 80 раз превышает массу своего спутника. Поэтому Луна удерживается на околоземной орбите и ввиду огромной массы Земли смещается, постоянно, в сторону её геометрического центра на 2 – 3 км. Земля тоже испытывает притяжение своего спутника, несмотря на огромное расстояние- 3,84_* 10⁵ км.

«Лунные приливы» - самое заметное воздействие. Через каждые 12ч 25 мин, под влиянием массы Луны, уровень земного океана повышается, в среднем на 1 м. Через 6 ч уровень воды понижается. На разных широтах этот уровень разный. В Охотском и Беринговом морях – 10м, залив Фанди – 18м. Приливные «горбы» твёрдой поверхности - меньше 35 см. В связи с большой длительностью такой волны такие пульсации незаметны без специальных измерений. Однако, стоит заметить, что по поверхности Земли постоянно перемещаются волны со скоростью 1000 км/ч.

космический солнце гравитационный земля

Глава 2. Влияние космических процессов и явлений на развитие Земли

2.1 Воздействие малых космических тел

Обобщённо небесные тела, способные «атаковать» Землю, называют метеороидами (метеоритными телами) - это либо осколки астероидов, столкнувшихся в космическом пространстве, либо фрагменты, остающиеся при выпаривании комет. Если метеороиды достигают земной атмосферы, их называют метеорами (иногда, болидами), а если они падают на земную поверхность, то получают название метеоритов (см. приложение 4).

Сейчас на поверхности Земли выявлено 160 кратеров, возникших от столкновения с космическими телами. Перечислим шесть самых примечательных:

50 тысяч лет назад, кратер Берринджера (Аризона, США), окружность 1230 м - от падения метеорита диаметром 50 м. Это самый первый кратер от падения метеорита, обнаруженный на Земле. Его так и назвали «метеоритным». Кроме того, он сохранился лучше других.

35 млн. лет назад, кратер бухты Чесапик (Мэриленд, США), окружность 85 км - от падения метеорита диаметром 2-3 км. Катастрофа, в результате которой он возник, раздробила скальное основание на 2 км в глубину, образовав резервуар соленой воды, который по сей день влияет на распределение подземных водных потоков.

37,5 млн. лет назад, кратер Попигай (Сибирь, Россия), окружность 100 км - от падения астероида диаметром 5 км. Кратер усыпан промышленными алмазами, которые возникли в результате воздействия на графит чудовищных давлений при ударе.

65 млн. лет назад, Чиксулубский бассейн (Юкатан,Мексика), окружность 175 км - от падения астероида диаметром 10 км. Предполагается, что взрыв этого астероида вызвал грандиозные цунами и землетрясения силой 10 баллов.

1,85 млрд. лет назад, кратер Садбери (Онтарио, Канада), окружность 248 км - от падения кометы диаметром 10 км. На дне кратера благодаря теплу, выделенному при взрыве, и запасам воды, содержавшимся в комете, возникла система горячих источников. По периметру кратера найдены крупнейшие в мире залежи никелевой и медной руды.

2 млрд. лет назад, купол Вредефорт (Южная Африка), окружность 378 км - от падения метеорита диаметром 10 км. Самый древний и (на момент катастрофы) самый крупный из подобных кратеров на Земле. Он возник в результате самого массированного выделения энергии за всю историю нашей планеты. [17]

По общему признанию, самые впечатляющие открытия последних лет в области палеоклиматологии сделаны при бурении ледниковых щитов и исследованиях ледяного керна в центральных районах Гренландии и Антарктиды, где ледовая поверхность практически никогда не тает, а значит и содержащаяся в ней информация о температуре приземного слоя атмосферы сохраняется на века. Совместными усилиями российских, французских и американских учёных по изотопному составу ледяного керна из сверхглубокой ледовой скважины (3350м) на российской антарктической станции «Восток» удалось воссоздать климат нашей планеты за этот период. Так вот, средняя температура в районе станции «Восток» за эти 420 тысяч лет колебалась примерно от- 54 до - 77^о С. В-третьих, во время последнего «ледникового периода» (20 – 10 тысячелетий тому назад) климат в средней полосе России, включая Сибирь, мало отличался от сегодняшнего, особенно летом. Об этом свидетельствует изотопная метка атмосферных осадков, которая сохраняется сотни тысяч лет во льду полярных ледников и в вечной мерзлоте, почвенных карбонатах, фосфатах костей млекопитающих, древесных кольцах и т.п. Основную опасность в глобальном масштабе представляют астероиды с радиусом больше 1 км. Столкновение с меньшими по размеру телами может вызывать значительные локальные разрушения (Тунгусское явление), но не приводит к глобальным последствиям. Чем больше астероид, тем меньше вероятность столкновения его с Землёй.

Каждый год регистрируется 2-3 пролёта на расстоянии 0,5-3 млн. км от Земли тел диаметром 100-1000м. Пренебрегая при грубом подсчёте гравитационным привлечением со стороны Земли и считая столкновения случайными, можно определить частоту столкновения с телами указанного размера. Для этого: необходимо умножить поперечное сечение Земли, равное 4·Pi·(6400 км)² (2), на частоту пролёта астероида в расчёте на 1 км² - она составляет приблизительно ~3/4·Pi·1,7 млн. км² (3). Обратная величина от вычисленного значения и будет равна количеству лет, проходящему в среднем между двумя столкновениями. Получается цифра ~ 25 тыс. лет (на самом деле несколько меньше, если учесть ещё влияние земной гравитации и то, что некоторые пролёты остались незамеченными). Это вполне согласуется с данными.

Столкновения с крупными астероидами происходят довольно редко, в сравнении с длительностью истории человечества. Тем не менее, редкость явления не означает периодичности; поэтому, учитывая случайный характер явления, нельзя исключить столкновения в любой момент времени - разве что вероятность такого столкновения достаточно мала, по отношению к вероятности других угрожающих отдельному человеку катастроф (природные катаклизмы, аварии и т.д.). Однако: в геологическом и даже в биологическом масштабе времени столкновения не так уж редки. За всю историю Земли на неё упало несколько тысяч астероидов диаметром около 1 км и десятки тел диаметром более 10 км. Жизнь на Земле существует гораздо дольше. Хотя делается множество предположений о катастрофическом воздействии столкновений на биосферу, ни одно из них ещё не получило убедительного доказательства. Достаточно упомянуть, что далеко не все специалисты согласны с гипотезой о вымирании динозавров вследствие столкновения Земли с крупным астероидом 65 тыс. лет назад. У противников этой идеи (к ним относится немало палеонтологов) имеется много обоснованных возражений. Они указывают на то, что вымирание происходило постепенно (миллионы лет) и затронуло лишь некоторые биологические виды, в то время как другие не пострадали заметно на разделе эпох. Глобальная катастрофа неизбежно затронула бы все виды. Кроме того, в биологической истории нашей планеты неоднократно случалось исчезновение со сцены целого ряда видов, однако специалистам не удаётся уверенно связать эти явления с какой-либо катастрофой.

Диаметры астероидов варьируются от нескольких метров до сотен километров. К сожалению, к настоящему моменту открыта лишь малая часть астероидов. Тела размером порядка 10 км и меньше с трудом поддаются обнаружению и могут остаться незамеченными вплоть до самого момента столкновения. Список неоткрытых ещё тел большего диаметра вряд ли можно считать значительным, поскольку число крупных астероидов существенно меньше числа мелких. Видимо, потенциально опасных астероидов (то есть в принципе могущих столкнуться с Землёй в течение времени порядка миллионов лет), чей диаметр превышал бы 100 км, практически нет. Скорости, с которыми происходят столкновения с астероидами, могут составлять от ~5 км/с до ~50 км/с, в зависимости от параметров их орбит. Исследователи сходятся на том, что средней скоростью столкновения следует полагать ~(15-25) км/с.