Download
1 / 103
1.03k likes | 1.39k Views
G eofüüsikalised väljad. Maa gravitatsiooniväli Maa temperatuuriväli Maa elektriväli Maa magnetväli. Maa gravitatsiooniväli. F = fm 1 m 2 /r 2 Pöörleva Maa korral G = F + I + F´ Raskuskiirendus g on ühikulisele massile mõjuv raskusjõud
E N D
Geofüüsikalised väljad Maa gravitatsiooniväli Maa temperatuuriväli Maa elektriväli Maa magnetväli
Maa gravitatsiooniväli • F = fm1m2/r2 • Pöörleva Maa korral • G = F + I + F´ • Raskuskiirendus g on ühikulisele massile mõjuv raskusjõud • Gravitatsioonipotentsiaal U tähendab masspunkti potentsiaalset energiat talle mõjuvate gravitatsioonijõudude tõttu
Gravitatsioonipotentsiaal • Kui Maa homogeenne kera,siis • U= fM/r • Reaalne Maa U = fdM/ri, • Raskuskiirenduse ja gravitatsioonipotentsiaali seos g = -dU/dr • Tsentrifugaaljõu potentsiaal geograafilisel (geotsentrilisel) laiusel on • U1 = 0.52r2cos2 • ja kogupotentsiaal • W = fdM/ri + 0.5 2r2cos2.
Normaalväli ja anomaalne väli • Normaalne raskuskiirendus g0on normaalse gravitatsioonivälja potentsiaali gradient ekvipotentsiaalpinna (ellipsoidi) normaali sihis • g0= W/n. • Korrapärase ellipsoidiga lähendatud Maa normaalne raskuskiirendus geodeetilisel laiusel B avaldub valemina • g0 = (agecos2B+bgpsin2B)/a2cos2B + b2sin2B, • Erinevust normaalväärtusest nimetatakse raskuskiirenduse või ka raskusjõu anomaaliaks • ga = g - g0.
Eesti gravimeetriline võrk • Eesti Vabariigi geodeetilise süsteemi osana on kehtestatud ka gravimeetriline süsteem (Keskkonnaministri määrus nr 26) . Gravimeetriline süsteemi realisatsiooniks on I, II ja III klassi jagunev gravimeetriline võrk. • Alates 2001. a. on gravimeetrilise võrgu kõrvalt raskuskiirendust mõõdetud ka geodeetilise võrgu I, II klassi ja tihendusvõrgu punktidel. 2006. a. seisuga on raskuskiirenduse väärtusi keskmise täpsusega ± 30 µGal (± 0.3 µm s-2) määratud rohkem kui 250 punktil
Gravimeetrilised jaamad • Gravimeetriajaama töö üldeesmärgiks on raskuskiirenduse nõrkade variatsioonide (kümnemiljondik g-st) mõõtmise kaudu Maa võnkumiste uurimine inframadalatel sagedustel, põhiaktsendiga ööpäevastel ja pooleööpäevastel perioodidel (looded). • Vertikaalsed deformatsioonid Eestis kuni 36 cm
Maa temperatuuriväli • Kivimiteomadused nagu viskoossus, soojusjuhtivus, elektrijuhtivus sõltuvad temperatuurist ja rõhust. Temperatuur maakoores oleneb soojusallikate paiknemisest ja kivimite soojusjuhtivusest. • Maakoore kivimite põhilisteks soojuslikeks karakteristikuteks on soojusmahtuvus c, soojusjuhtivus ja temperatuurijuhtivus Kt. • Et kivimi ruumala on täidetud tahke kivimi massi, õhu ja veega, siis vastavalt ka tema ruumalaühiku soojusmahtuvus on nende kolme komponendi kombinatsioon • c= cw Vw+ csVs + caVa,
Soojusjuhtivus ja temperatuurijuhtivus • Soojusjuhtivus on ajaühikus läbi pindalaühiku liikuv soojushulk etteantud temperatuurigradiendi 1 K/cm korral. • Temperatuurijuhtivus Kt = /cnäitab, kui kiiresti tõuseb aine ühikulise ruumala temperatuur soojusjuhtivuse korral. Temperatuurijuhtivus iseloomustab temperatuuri ühtlustumise kiirust soojusvoo leviku suunas. • Temperatuurijuhtivus määrab Maa temperatuurivälja.
Maa pinnakihtide temperatuur • Maa pinnakihtide temperatuur kujuneb maasiseste ja maaväliste soojusallikate toimel. Maapinna tasemel on ülekaalukalt peamiseks soojusallikaks Päike, millelt Maa saab aastas 1.75 1017 W energiat. Maa sisemusest jõuab pinnani 3.2 1013 W aastas. • Maasisese soojuse allikad on looduslik radioaktiivsus ja Maa aine gravitatsioonilisel diferentseerumisel vabanev jääksoojus. • Domineeriva soojusallika järgi jagatakse maakoore kihid heliotermiliseks tsooniks ja geotermiliseks tsooniks.
Heliotermiline tsoon • Heliotermilises tsoonis avaldub kuni 1.5 meetri sügavusele ulatuv ööpäevase perioodiga temperatuuri kõikumine. Temperatuuri maksimum on veidi pärast keskpäeva ja miinimum enne päikesetõusu. • Temperatuuri sesoonse muutumise maksimaalne sügavus on ööpäevasest märksa suurem ja sõltub laiuskraadist. Troopikas ulatub sesoonne muutumine 10-12 meetrini ja polaarlaiustel 42-45 meetrini.
Fourier ja Maa väliskihtide temperatuur • Maa väliskihtide temperatuuri perioodilise muutlikkuse põhjaliku matemaatilise käsitluse on esmakordselt avaldanud Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) 1822. • Heliotermilisest tsoonist sügavamal kasvab temperatuur Maa sisemuse suunas. Muutumise määra iseloomustatakse kas geotermilise gradiendigaoC/100m või geotermilise astmega m/oC. Piirkonniti erinevad kummagi väärtused kuni 30 korda.
Temperatuurid minevikus • Ajavahemike osas, millistest on alles polaarjääd, saab möödunud aegade temperatuuri kohta andmeid hapniku ja vesiniku isotoopide O18/O16 ning D/H suhete mõõtmisest • Võrdlemisel võetakse standardseks isotoopkoostiseks ookeanivee keskmine. Isotoopide suhted arvutatakse promillides • = 1000(R-R0)/R0, • Hapnik 18 O18 = 0.67T -13.7 • DeuteeriumD = 6.04T - 51.
Maa elektriväli • Elektrivälja iseloomustatakse väljatugevusega • E = F/q0. • Väljatugevuse mõõduks välja antud punktis on ühikulisele laengule mõjuv jõud. • Maakoore kivimite elektrijuhtivus ja eritakistus muutuvad väga suurtes piirides. • Hüdrosfääri elektrijuhtivus tuleneb sellest, et looduslikud veed on valdavalt tugevate elektrolüütide lahused. Nende elektrijuhtivus sõltub elektrolüütide kontsentratsioonist.
Juhtivus ja takistus • Geosfääride looduslikud keskkonnad ja tehiskeskkonnad erinevad elektrilistelt omadustelt vaakuumist. Välise elektrivälja mõjul toimuva elektrilaengute ülekandmise suhtes iseloomustatakse konkreetseid keskkondi elektrijuhtivusega ja selle pöördväärtuse elektrilise takistusega. • Elektroonne juhtivus realiseerub aines oleva elektronide “kollektiivi” kaudu. • Ioonne juhtivus on omane elektrolüütidele ja üldse vedelikele ning realiseerub elektrilaengut kandvate ioonide liikumise kaudu.
Atmosfääri elektrijuhtivus • Atmosfääri elektrijuhtivus on tingitud õhus esinevatest ioonidest. Ioone tekitab ioniseeriv kiirgus, mis on pärit mitmetest erinevatest allikatest. Erinevatel kõrgustel domineerivad erinevad ioniseeriva kiirguse allikad. Ioniseerivaks kiirguseks võib olla kas eriti lühilaineline elektromagnetiline kiirgus või korpuskulaarne kiirgus. • Päikese suurem aktiivsus ja sellega kaasnev tugevam ja tihedam päikesetuul pidurdavad kosmiliste kiirte pääsu Maa atmosfääri. • Troposfääris on ionisatsiooniallikana tähtis ka Maa looduslik radioaktiivsus.
Kosmiliste kiirte osakeste energiad • Elektronvolt on kineetiline energia, mille omandab elektroni laenguga osake ümberpaiknemisel vaakuumis 1 V suuruse potentsiaalide vahega punktide vahel. Atmosfääri tungivate kosmiliste kiirte kineetilisi energiaid mõõdetaks kiloelektronvoltides KeV ja megaelektronvoltides MeV. • Ühest molekulist koosnevaid ioone nimetatakse atmosfääris molioonideks. Sageli ühinevad moliooni külge neutraalsed molekulid, eriti vee molekulid. Selliseid ioone nimetatakse klasterioonideks • . Atmosfääris, eriti selle alumistes kihtides, leidub alati aerosooli osakesi. Ioonid liituvad hõlpsasti ka nende külge.
Globaalne elektriväli ja äike • Globaalne elektriväli oleneb oluliselt globaalsest äikese aktiivsusest ja selle jaotusest. Äikesepilvedes toimub positiivsete ja negatiivsete laengute separeerumine. Selle protsessi võtmefiguuriks on jääst kristalliseerunud osakeste elektriline laadimine ja laengute ümberjaotumine osakeste omavaheliste põrgete käigus. Tekkivad raheterad langevad pilve sees läbi ülejahtunud piisku ja lumehelbeid sisaldava keskkonna. Raheterade pinnale külmuvad piisad eraldavad latentset soojust ja see hoiab rahetera pinna soojema kui on ümbritsevatel jääkristallidel. Soojema jäätunud rahetera kokkupõrkel külmema lumehelbega liiguvad positiivsed ioonid soojemalt kehalt külmemale. Niiviisi koguneb pilve ülaossa positiivne laeng ja keskmisse negatiivne.
Globaalne kondensaator • . Nii ionosfäär kui maapind on troposfääri ja stratosfääriga võrreldes suure elektrijuhtivusega.Potentsiaalide vahe tingib tagasivoolu maapinna poole. Pilvede elektrijuhtivus on puhta õhuga võrreldes kümmekond korda väiksem ja nende kohal tagasivool katkeb. Laeng akumuleerub piiskadesse. Kui piisad aurustuvad, siis jäävad laengud nende kondensatsioonitsentriteks olnud aerosooli osakestele.
Äikese esinemise sagedused • Soojemas õhus toimub tugevam konvektsioon. Troopikavööndis esineb suurem õhutemperatuuri maksimum aprillis ja väiksem oktoobris, s.o. aegadel mil keskpäevane Päike on seniidis otse ekvaatori kohal. Siis esineb ka äikest keskmisest sagedamini. Põhjapoolkera mõõdukatel laiustel on äike sagedam pärast suvist pööripäeva, kuid suhteliselt suurem on äikese sagedus ka aprillis ja oktoobris. Ka kogu maakera keskmine äikese aktiivsus on troopilise vööndi suure panuse tõttu suur kevadise ja sügisese pööripäeva paiku.
Globaalne elektrivool • Globaalse elektrivoolu tugevus oleneb sellest, kui kõrgeks tõuseb ionosfääri potentsiaal maapinna suhtes ja sellest, kui suur on vahepealsete kihtide elektrijuhtivus erinevatel laiuskraadidel. Globaalne elektrivool on muutlik. • Tugevaim vool on pärast lõunat mil äike kõige intensiivsem ja nõrgim vastu hommikut. Aastane tsükliline kõikumine küünib 20 % kummalegi poole keskmist. Globaalne elektrivool sõltub ka Päikese aktiivsusest.
Maa magnetväli • Elektrivooluga kaasneb magnetväli • Välja allikateks ka püsimagnetid • Elektronide liikumine aatomis tekitab mikromagnetvälju • Mõnedes ainetes need kompenseeruvad ja summaarset välja ei teki – diamagneetikud • Ained millistel summaarne väli olemas - paramagneetikud
Ferromagneetikud • Paramagneetikute magneetumine – sisemine väli orienteerub välise välja sihis ja tugevneb • Tavalistes paramagneetikutes kaob magneetumine pärast välise välja mõju lõppu • Ferromagneetikud magneetuvad sadu kordi tugevamini ja säilitavad omandatud välja ka pärast välise välja mõju lõppu • Püsimagnetid on ferromagneetikud
Ferromagneetikud 2 • Ferromagneetikute ehitus lubab nende seesmisi mikrovälju täielikult orienteerida välise välja sihis • Ainult soojusliikumine temperatuuril üle Curie punkti saab orientatsiooni segi ajada • Curie punkt ligikaudu 580 Celsiuse kraadi • Jahtumisel alla selle säilitavad ferromagneetikud, ookeanilise maakoore basaldid ja rauda sisaldavast savist potikillud, orienteeriva välja
Maa magnetvälja kirjeldamine • Magnetvälja tugevuse vektor H(r,,,t) • Magneetuvat ainet iseloomustatakse magnetvoo tihedusega e. magnetinduksiooniga B • Diamagneetikute magnetläbitavus = 1 + 4mveidi alla 1, paramagneetikutel veidi üle 1, ferromagneetikutel oluliselt üle 1, isegi kuni 20 000. m on keskkonda (ainet) iseloomustav magnetiline vastuvõtlikkus • Välja otstarbekas kirjeldada komponentide väärtustega olulistes suundades või nurkadega
Maa magnetvälja kirjeldamine 2 • Horisontaalkomponent H (jagatakse põhjakomponendiks X ja idakomponendiks Y) ning vertikaalkomponent Z. • Vektori komponente mõõdetakse magnetomeetriga. Leiutanud Karl Friedrich Gauss ja Wilhelm Weber 1836. • Regulaarsed mõõtmised Gauss 1832 ja ülemaailmne magnetobservatooriumide võrk alates 1838.
Magnetilise induktsiooni vektori iselooomustamine nurkadega • Magnetiline deklinatsioon nurk D geograafilise ja magnetilise meridiaani vahel • Magnetilise inklinatsiooni nurk I horisontaaltasandi ja magnetilise induktsiooni vektori vahel • Mõõdetakse H, Z ja D
Maa magnetvälja kuju • William Gilbert 1600 – Maa on suur magnet, pidades silmas kahe poolusega magneti ehk magnetilise dipooli välja • Hg = H0 + Hm + Ha + Hv + Hv, • Maa genereeritud väli ja Maast väljaspool genereeritud väli • Peaväli
Hg = H0 + Hm + Ha + Hv + Hv, • H0 on dipoolväli, • Hm - mittedipoolväli (kvadrupool jne.), • Ha - anomaalne väli Maa väliskihtide magnetiliste omaduste varieeruvuse tõttu, • Hv - Maast väljaspool asuvatest põhjustest tingitud püsiv väli, • Hv - välistest põhjustest tingitud muutlik väli.
Magnetilise potentsiaali rittaarendus • Legendre polünoomide ja Gaussi koefitsientide kaudu • 25 % kõrvalekaldega sobib ühtlaselt magneeditud kera väli • Veel paremini dipooli väli • Välja genereerimist selgitab geodünamo teooria
Maa magnetvälja kirjeldamine • VM = re(re=/r)n+1Pn=m(cos)[gnmcosm + hnmsinm], • re on Maa raadius, r - huvialune kaugus, - geograafilise laiuse täiendnurk, - idapikkus, Pnm(cos) -normeeritud Legendre kaaspolünoomid, gnm ja hnm - Gaussi koefitsiendid
Geodünamo 2 • Vedelas välistuumas toimub pidev konvektsioon • Soojusallikaks sisetuuma välispinnal raua kristalliseerumine (energia vabaneb) • Kerkiv kuum mass aeglustub kerkides ja laskuv kiireneb. Diferentsiaalsest pöörlemisest tuleneb elektrivoolude süsteem
Geodünamo 3 • Diferentsiaalne pöörlemine tähendab, et pöörlemisteljest erineval kaugusel olevad ruumalaüksused pöörlevad erineva nurkkiirusega. On tõestatud, et sellised juhuslikult jaotunud konvektsiooni rakud Maa välistuumas genereerivad ükskõik kumma polaarsusega suhteliselt stabiilse dipooli sarnase magnetvälja. • Magnetohüdrodünaamilised protsessid Maa välistuumas on ebalineaarsed ja sellest tulenevalt ei saagi Maa dipoolne magnetväli olla tema pöörlemistelje suhtes sümmeetriline.
