Issuu on Google+

Часть 1


2


Л.В. Баньковский

Опасные ситуации природного характера Учебно-методическое пособие Часть I

2009 году – ВСЕМИРНОМУ ГОДУ АСТРОНОМИИ – посвящается

Березники 2013 3


УДК 614.8(075.8) ББК 68.9я73 Б 34

Б 34

Баньковский Л.В. Опасные ситуации природного характера [Текст]: Учебнометодическое пособие: Часть I / Л.В. Баньковский. – Березники, 2013. -

Методические рекомендации к практическим занятиям по предмету «Опасные ситуации природного характера» предназначены для студентов стационарного и заочного отделений естественно-математических факультетов педагогических институтов, где читается соответствующий курс. В книге даны практические советы по организации самостоятельной работы студентов, теоретические сведения дополнительно к лекционному материалу, планы семинарских занятий по основным темам курса и перечень литературы по данному предмету. ББК 68.9я73

На стр. 1-2: варианты обложек второго издания

© Л.В. Баньковский, 2009

ISBN 5-89469-002-1 4


Содержание Часть I. Нелинейная планетология 14

Предисловие 15

Тема: Нелинейная планетология. Равновесия, устойчивости, катастрофы и революции в истории развития Земли и Космоса 17 Практическая работа № 1. Теория катастроф. Закономерности динамики упругой системы 21 Практическая работа № 2. «Машина катастроф» 21 Практическая работа № 3. Задачи по теории равновесия небесных тел 1. Вековое замедление вращения Земли приливными силами 2. Фигура нашей планеты и её перемены 3. Ускорение силы тяжести и вращение Земли 4. Палеомагнетизм о вековом сжатии Земли 25

Тема: Моделирование Земли, литосферы и основных структур земной коры 30 Практическая работа № 4. Использование теории графов при анализе моделирования сжимающейся Земли 33 Практическая работа № 5. Геомеханика: наука о механических состояниях земной коры. Моделирование тектонических структур, возникающих при вековом сжатии планеты. 37 Практическая работа № 6. Задачи по тектонике плит и фрактальной геометрии литосферы 40

Тема: Инженерная геология и реология о полях напряжений и формировании разрывов в земной коре 48 Практические работы № 7 и 8. Прессиометрия. Испытания прочности грунтов, выполняемые при проведении инженерно-геологических работ 52 Практическая работа № 9. Реология. Моделирование путей распространения тектонических напряжений в блоковых структурах земной коры 56 Практическая работа № 10. Физика землетрясений. Лабораторные исследования процесса формирования разрыва в земной коре 59

Космические опасности 63

Предисловие 64

Тема: Вклад учёных Урала в астрономию и космонавтику. Поиск путей к пониманию физической природы космических опасностей 64 5


Практическая работа № 11. Общие закономерности динамики планет и Солнца 77

Тема: Опасные излучения космоса: солнечная радиация 88 Практическая работа № 12. Незащищённый человек на открытом солнце 87

Тема: Опасные излучения космоса: галактические и солнечные космические лучи 88 Практическая работа № 13. Наблюдения за космическими лучами на фоне ночного неба. Изучение последствий возможного редчайшего воздействия особо тяжёлых космических ядер на ваш организм. Лабораторные исследования космических лучей студентами Московского государственного университета 95

Тема: Магнитные и гравитационные поля и бури во Вселенной и в Человеке 96 Практическая работа № 14. Задача Эйнштейна 106

Тема: Кометные опасности 107 Практическая работа № 15. Ситуационная задача – выяснить причины Тунгусской катастрофы 1908 года 121

Тема: Метеоритные и метеорные опасности 122 Практическая работа № 16. Ситуационная задача – дать характеристику метеоритам, выпавшим на Урале 142

Тема: Астероидные опасности 142 Практическая работа № 17. Ситуационная задача – провести исследование генетической связи между кометами, астероидами и метеоритами 143

Тема: Опасности Активного Солнца 153 Практическая работа № 18. Разработать схему информационной поддержки научно-исследовательских работ и практического обеспечения космической безопасности населения региона, страны, земного шара 170 Приложение 1. Сущность системного подхода к изучению опасных ситуаций природного характера и психической устойчивости в экстремальных условиях 188 Приложение 2. Моделирование культуры безопасности жизни человека и общества 198 Приложение 3. Формирование информационной культуры студентов по курсу опасных ситуаций природного характера, по геологии и смежным наукам 209 6


Послесловие 223

Часть II. Атмосферные опасности Введение: Вклад учёных Урала в гидрометеорологию и климатологию. Поиск путей к пониманию физической сути атмосферных природных стихий 3

Тема Нелинейная климатология. Моделирование климата и климатических опасностей 14 Практическая работа: Энергетика климатической системы 31

Тема: Нелинейная геофизика. Моделирование тектоно-вулканических процессов, обусловливающих проявление атмосферных опасностей. Определение форм и степени воздействия геодинамических процессов на функционирование климатической и погодной систем 34 Практическая работа: Динамика литосферы и её воздействие на погоду и климат Земли 41

Тема: Нелинейная метеорология. Моделирование атмосферы и опасных её явлений 78 Практическая работа: Наблюдение и моделирование в метеорологии 100

Тема: Динамическая метеорология. Приёмы изучения и характеристики атмосферных опасностей 111

Перечень таблиц Часть I 1. Экологические кризисы и революции ……………………………………….…………..19 2. Анализ динамики упругой шарнирно закреплённой балки с центральной сосредоточенной нагрузкой ……………………………………..………..…….22 3. «Машина катастроф» и работа с ней ………………………………………………....….23 4. Процентное содержание разнопорядковых узлов в системах графов различной природы (по А. Уэббу) .........................................................................................................34 5. Эксперимент «Терелла» ......................................................................................................35 6. Примеры радиального расположения геоструктур в горных узлах и в вершинных ледниковых комплексах .......................................................................................36 7. Типовые модели основных структур тектоносферы ........................................................38 8. Тектонотипы региональных надвигов ...............................................................................39 9. Приёмы выделения плановых ограничений глыб земной коры на основании теории фрактальной геометрии и различных геоиндикаторов ......................................42 10. Тектоника литосферных глыб и обрамляющих их плит ................................................43 11. Примеры разной интерпретации временнóго разреза земной коры ..............................44 12. Схемы установок для испытания грунтов ........................................................................50 7


13. Установка для испытаний прочности грунта методом выпирания призмы ...................54 14. Интерпретация разреза земной коры и верхней мантии по профилю остров Сахалин – Тихий океан и Этапы вулканического процесса ..................................................58 15. Интерпретация расположения тектонических глыб и плит в южном полушарии Земли (см. часть 2, таблица 19) 16. Зоогеография и геотектоника (см. часть 2, таблица 18) 17. Уральская обсерватория бронзового века Аркаим ………………………………………65 18. Уральские путешествия А. Гумбольдта и М. Ковальского ………………………….….67 19. Астрономы, работавшие в Перми .......................................................................................69 20. Модели оболочек крупных небесных тел. Дифференциация недр .................................76 21. Эволюция планет и Солнца .................................................................................................78 22. Радиационные космические опасности в системе Космос-Земля ...................................81 23.Космическое электромагнитное излучение в атмосфере Земли .......................................82 24. Радиационное воздействие Солнца на организм человека ...............................................83 25.Эритемная радиация и кожа человека .................................................................................84 26. Воздействие ионизирующих излучений космической и иной природы на организм человека. Острая лучевая болезнь .........................................................................85 27. Дозиметрия ионизирующих излучений .............................................................................86 28. Космические лучи: электронно-ядерный ливень...............................................................89 29. Изотопный состав космических лучей (КЛ), их обилие и ионизирующая способность ...............................................................................................................90 30. Химические элементы и молекулы в межзвёздной и межпланетной среде ...................91 31. Приборы и установки для изучения космических лучей .................................................92 32. Метеориты – естественные зонды космических лучей ....................................................93 33.Радиационный фон, создаваемый космическими лучами .................................................94 34. Магнитные поля во Вселенной ...........................................................................................97 35. Упрощенная схема формирования электромагнитных полей ..........................................98 36. Электромагнитные взаимодействия ...................................................................................99 37. Общая схема воздействий Солнца на Землю ...................................................................100 38. Схемы взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли ..........................101 39. Изучение гравитационных сил ..........................................................................................102 40. Изображении комет ............................................................................................................109 41. Эволюция комет ..................................................................................................................110 42. Строение кометы и модели её ядра ...................................................................................111 43. Строение кометной ионосферы и взаимодействие кометы с солнечным ветром ........112 44. Хвосты комет ......................................................................................................................113 45. Кометные орбиты ...............................................................................................................114 46. Столкновения комет с Солнцем и Юпитером .................................................................115 47. Комета Галлея .....................................................................................................................116 48. Экспедиции к кометам .......................................................................................................117 49. Эксперимент «Вега» – полёт к комете Галлея .................................................................118 50. Космические аппараты – кометные зонды .......................................................................119 51. Старинные изображения комет .........................................................................................120 52. Царство минералов .............................................................................................................124 53. Классификация метеоритов ...............................................................................................125 54. Петрохимия метеоритов .....................................................................................................126 55. Углистые метеориты ..........................................................................................................127 56. Тектиты ................................................................................................................................128 57. Микроструктура метеоритов .............................................................................................129 58. Движение и дробление метеоритов в земной атмосфере ...............................................130 59. Падение метеоритов ...........................................................................................................131 60. Падения метеоритов на Урале ...........................................................................................132 8


61. Аризонский метеоритный кратер ...........................................................................133 62. Астроблемы ..............................................................................................................134 63. Космическая пыль ....................................................................................................135 64. Вещество межпланетных пылинок .........................................................................136 65. Микрометеориты ......................................................................................................137 66. Метеоритные кратеры на Земле, астероидах, ядрах комет ..................................138 67. Информационно-измерительная система для метеоров и метеорного вещества ..............................................................................................................139 68. Метеорные потоки .....................................................................................................140 69. Наблюдения метеорных потоков и отдельных метеоров .......................................141 70. Классификация астероидов ........................................................................................144 71. Встреча космических аппаратов с астероидами .......................................................145 72. Космические аппараты – зонды астероидов ..............................................................146 73. КА «Галилей» исследует астероиды и кометы ..........................................................147 74. Астероиды солнечной системы, сфотографированные с помощью автоматических межпланетных станций ....................................................................................148 75. Скорости и орбиты астероидов и порождаемых ими метеоритов ............................149 76. Сравнительные характеристики плотности, состава и скоростей астероидов и порождаемых ими метеоритов и их моделей ..................................................150 77. Астероиды – опасные космические объекты ................................................................151 78. Астероидная опасность ...................................................................................................152 79. Устройство орбитальной станции «Скайлэб» (общее обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала космической обсерватории) ...........................154 80. Состав экипажей, научное оборудование и результаты исследовательской деятельности учёных «Скайлэба» ......................................................................155 81. Магнитные жгуты в недрах Солнца по исследованиям Дж. Г. Пиддингтона (1979) ..................................................................................156 82. Дугообразные структуры на Солнце по исследованиям З.Б. Коробовой .....................158 83. Фракталы на Солнце ..........................................................................................................159 84. Световые мосты на солнечных пятнах .............................................................................160 85. Первые зонды для внеатмосферных исследований Солнца ...........................................161 86. Тектоника меридиональных литосферных глыб и плит .................................................162 87. Тропические циклоны и тектоника субширотных фракталов Земли ............................163 88. Вулканомагматические каналы и проницаемые разломы ..............................................164 в активных областях Земли .................................................................................165 89. Рифовые зоны Земли ..........................................................................................................167 90. Исследовательские задачи, решаемые с помощью ИСЗ «Прогноз» по оперативному обеспечению радиационной безопасности космических полётов ....................168

Часть 1. Приложение 91. Строение Солнца и его атмосферы ...................................................................................174 92. Классификация солнечных пятен .....................................................................................175 93. Вспышки на Солнце. Общие сведения .............................................................................176 94. Вспышки на Солнце. Волокна и спектры ........................................................................177 95. Типы солнечных вспышек .................................................................................................178 96. Солнечные протуберанцы ..................................................................................................179 97. Снимки и структурные рисунки короны по наблюдениям затмений (по Н.Г. Бочкарёву и др.) ........................................................................................................................180 98. Корональные дыры .............................................................................................................181 99. Корональная активность Солнца, её основные структуры ……………………....…….182 9


100. Тектонотипы региональных надвигов на Солнце и объяснение природы высокоскоростных потоков частиц из корональных дыр ……………...……...183 101. Солнечные телескопы ……………………….……………………………………….....184 102. Великие астрономы древности, средневековья и нового времени ….…………….....185 103. Образы астрономов и астрономии в живописи …………………………….………....186 104. Образы астрономов и астрономии в творчестве Рафаэля (в центре) и Донато Крети ……………………………………………………………………………………..187 105. Структурные уровни системы «Природа» .....................................................................189 106. Аспекты системы и принципы системологии (а). Многоаспектное индексирование научной информации по естественным наукам (б) ............................................191 107-109. Сущность системного подхода к изучению опасных ситуаций природного характера .........................................................................................................195-197 110. Факторы выживания в экстремальных условиях опасных природных ситуаций ......205 111. Схема взаимосвязей психических явлений у человека в экстремальных условиях (по К.К. Платонову) ....................................................................................................206 112. Междисциплинарные аспекты фундаментального понятия безопасности жизнедеятельности «опасность» .........................................................................207 113. Формы интеграции знаний в учебном курсе «Безопасность жизнедеятельности» ...207 114. Классификация стихийных бедствий (а) и экзогенных процессов (б) ........................210 115. Некоторые модели взаимосвязей между различными стихийными бедствиями .......211

Часть II 1. Структура системы «Атмосфера-Криосфера-Мировой океан-Атмосфера». Опасности системы ……………………………………………………………………………18 2. Компоненты климатической системы и их взаимодействие ……….……………………19 3. Обратные связи в климатической системе ………………………….…….….…………...20 4. Климатообразование и динамика его компонентов ………………..………………..……21 5. Климатологические фронты ………………………………………………………………..22 6. Параметры и факторы климатической системы ……………………...…………….……..23 7. Модели климатической системы ……………………………………...…………..………..24 8. Климатоэкологические опасности и катастрофы в истории Земли ……...……………....25 9. Энергетический цикл в климатической системе ………………………………………….26 10. Энергетика климатической системы ……………………………………..………………27 11. Тепловой баланс Земли …………………………………………………..………………..28 12. Средние оценки структуры теплового баланса Земли ………………..…………………29 13. Средний годовой тепловой баланс Земли ………………………………..………………30 14. Основы системного подхода …………………………………………….……….……….31 15. Классификация и принципы организации и динамики систем по П. Белову, 2003 …..32 16. Геофизические модели при исследованиях направленности развития Земли ……...…40 17. Фрактальное членение литосферы Земли ……………………………………………..…41 18. Зоогеография и геотектоника северного полушария ………………………………..…..42 19. Интерпретация расположения субмеридиональных тектонических глыб и плит в южном полушарии Земли ……………………………………………………..….43 20. Тектоника меридиональных литосферных глыб и плит …………………………..…….44 21. Тектоника северо-востока Евразии …………………………………………………..…...45 22. Тектоника субширотных фракталов Земли и тропические циклоны ………………………………………………………………………………….…...46 23. Вулканы бассейна Атлантического океана ……………………………………..………..47 24. Вулканы бассейна Тихого океана …………………………………………….……….….48 25. Тектоника и вулканизм на северо-востоке Тихоокеанского «Огненного Кольца» ………………………………………………………………………………..……..49 10


26. Охотская ��лыба земной коры, Камчатка и Курилы ………….…………………………50 27. Эволюция магматизма и вулканизма в истории Земли ………………………………..51 28. Гидросфера и атмосфера – продукты вулканизма …………………………….………..52 29. Вулканомагматические каналы и проницаемые разломы в активных областях Земли ……………………………………………………………………………………...53 30. Схемы глубинного строения вулканов ………………………………………………….54 31. Факторы вулканизма ……………………………………………………………………..55 32. Вулканические угрозы …………………………………………………………………...56 33. Газовые, пепловые и пылевые выбросы вулканов …………………………….………..57 34. Вулканические облака над Землёй ………………………………………………………58 35. Направленные взрывы при вулканических извержениях ……………………………...59 36. Вулкан Кракатау …………………………………………..……………….……..……….60 37. Обвально-взрывные вулканические извержения …………….………….……..………61 38. Пелейский тип вулканических извержений ……………….……………….…….…….62 39. Вулканические извержения и пеплопады в Средиземноморской зоне земной коры …………………………………………………………….……………………..…63 40. Вулканические пеплопады на Североамериканском континенте и в Индонезии ……………………………………………………………….…………….….…….64 41. Фреатические и фреатомагматические извержения …………………………….....……65 42. Извержения подводных вулканов ………………………………………………..……….66 43. Фумаролы …………………………………………………………………………..………67 44. Гейзеры ……………………………………………………………………………..………68 45. Горячие источники, гидротермы ………………………………………………..….……..70 46. Гидротермальные образования океанических рифтовых зон – чёрные и белые «курильщики» …………………………………………………………………..…71 47. Грязевые вулканы …………………………………………………………………...……..72 48. Маары ………………………………………………………………………………...……..73 49. Действующие вулканы и работа авиации …………………………………………..……74 50. Вулкан Авачинский: опасность от будущих извержений ………………..……..…..…..75 51. Структура метеорологии и смежных отраслей знания …………………....………...…..81 52. Вертикальное строение литосферы и атмосферы Земли ……………….…...………......82 53. Типы воздушных масс …………………………………………………….…..…………...83 54. Атмосферные фронты. Модели разделов между воздушными массами….......….…….84 55. Высотные фронтальные зоны на Земле – аналоги солнечным протуберанцам? ………………………………………………………………………….………......85 56. Строение высотных фронтальных зон (ВФЗ) …………………………….……………..86 57. Строение области входа и дельты ВФЗ ………………………………….………………87 58. Структура барического поля Земли и центры действия атмосферы ……………………………………………………………………………………...88 59. Структура поля давления у земной поверхности и направления ветра по Стралеру (1969) ……………………………………………………………………………....89 60. Структура поля давления на уровне моря и течения воздуха по О. Дроздову и др. (1989) ………………………………………………………………………………90 61. Типичное распределение атмосферного давления на уровне моря по С. Данлопу (2008) …………………………………………………………………………………..….91 62. Тепловой режим Евразии и Северной Африки …………………………….…….....…..92 63. Ветровой режим Евразии и Северной Африки …………………………….…….….….93 64. Мощные ветры. Характеристики силы ветра …………………………………….……..94 65. Струйные течения …………………………………………………………………….…..95 66. На пути к пониманию природы струйных течений …………………………….………96 67. Моделирование атмосферных явлений ………………………………………………..100 68. Моделирование общей циркуляции атмосферы ………………………………………101 11


69. Изучение ветровых волн в океане и их моделей в ветровом бассейне …………………………………………………………………………………….102 70. Модели стадий развития циклона ……………………………………………………...103 71. Моделирование полос дождей в области «глаза» тропического циклона ……………………………………………………………………………………..104 72. Схема образования смерча и модели воздушных вихрей ……………………….….…105 73. Модели смерчей …………………………………………………………………….……106 74. Моделирование воздействия воздушных вихрей на воду ………………………..……107 75. Классификация атмосферных явлений ……………………………….………………...117 76. Классификация атмосферных опасностей по условиям возникновения и эволюции ……………………………………………………………………………………..118 77. Туманы и дымка ……………………………………………………………………….…119 78. Типы туманов ………………………………………………………………………….....120 79. Радиационные и адвективные туманы ……………………………………………….…121 80. Орографические туманы …………………………………………………………….…..122 81. Горные туманы ……………………………………………………………………….…..123 82. Светящиеся туманы и белая мгла ……………………………………………………....124 83. Международная классификация облаков……………………………………..……..….125 84. Классификация облаков (Г. Претор-Пинней, 2007).…………………………….…..…126 85. Конвективные, струеобразные и струйные системы.………………………….…….....127 86. Облачный столб в горной долине ………………………….…………………….…..….128 87. Облака конвекции ……………………………………….…………………….……..…...129 88. Конвективные облака и их производные ……………………………………….…..…..130 89. Конвективные ячейки …………………………………………………………..……..….131 90. Радиолокационные исследования конвективных облаков и ячеек конвекции ....…….132 91. Кучево-дождевые облака с наковальнями ………………………………............…..….133 92. Воздушные потоки и зоны возмущений температуры кучево-дождевых облаков ……………………………........................................…134 93. Облака над вершинами гор и вулканов ………………….…………………….………..135 94. Перистые облака ………………………………………………………………………....136 95. Структура перистых облаков ……………………………………………….….………..138 96. Турбулентность …………………………………………………………………………..139 97. Турбулентность. Болтанка ……………………………………………………………....140 98. Влияние приземных нисходящих воздушных потоков на работу авиации …………………………………...................................................141 99. Обледенение ……………………………………………………………………………...142 100. Стоковые ветры и новороссийская бора ………………………………………….…...143 101. Кизеловская бора ………………………………………………………….……...…..…144 102. Строение и динамические особенности региона, в котором наблюдаются кизеловские боры ……………………………………………………………………………….145 103. Струйные течения ……………………………………………….…………………..…..146 104. Типология струйных течений и положение их осей при различных стадиях развития циклона и антициклона …………………………………………………….…....147 105. Струйные течения над Евразией ……………………………….…………………........148 106. Струйные течения в северном полушарии ……………………………….………..…..149 107. На пути к познанию природы струйных течений …………………………………......150 108. Шкваловая линия ………………………………………………………….…...……..…151 109. Шкваловый ворот. Грозовой вал ………………………………………….……............152 110. Шквальные бури ……………………………………………….…………….…….……153 111. Развитие песчаной бури ………………………………………………….………..……154 112. Распространение пыльной бури над севером Западной Атлантики ………………….…..........................................................….155 12


113. Песчаные бури над Сахарой ……………………………………….....………...……..….…..156 114. Распространение пылевых бурь над югом России и смежными территориями …………………………………………………………………………..........……....….…157 115. Песчаные бури над Центральной и Восточной Азией …………………....….….…............158 116. Грозы ………………………………………………………......................................................159 117. Структура грозы ……………………………………………………………….….........….…...160 118. Грозы на Урале …………………………………………..........................................................161 119. Характерные синоптические положения при грозах на Урале ……………….....……........162 120. Распределение гроз на земном шаре ………………………………………………........…....163 121. Молнии ………………………………………………………………………….…..…........…..164 122. Молнии-спрайты и молнии-джеты ……………………………………………..…….............165 123. Шаровая молния ……………………………………………………………….……........…....166 124. Град ……………………………………………………………………………….…..…............167 125. Град и градовые облака ………………………………..............................................................168 126. Регионы земного шара со смерчепроявлениями ……………………………...….….........….169 127. Зародыши смерчей – материнские смерчевые вихри или мезоциклоны …………………………………………………………………………………….............170 128. Структура смерча …………………………………………………………….….......................171 129. Причины смерчеобразования ……………………………………………….………........…....172 130. Причины смерчеобразования (продолжение) …………………………………..….........…....173 131. Необычные торнадо в США ........................................................................................................175 132. Шквалы. Шкваловые линии ........................................................................................................176 133. Тайфуны и циклоны на синоптических картах .........................................................................177 134. Строение и динамические особенности центральной части территории Европейской России ...............................................................................................................................................178 135. Строение и динамические особенности земной коры Кавказского региона ...........................179 136. Бермудский треугольник и тропические циклоны .....................................................................180 137. Смерч, или торнадо .......................................................................................................................181 138. Современные фотографии смерчей, торнадо .............................................................................182 139. Из истории наблюдения за смерчами ..........................................................................................183 140. Земля – планета струйных и вихревых извержений и истечений .............................................184 141. Торнадо в Соединённых Штатах Америки ..................................................................................185 142. Схемы климатообразования в подсистеме «океан-атмосфера» .................................................186 143. Тепловой баланс Земли ..................................................................................................................187 144. Тропические циклоны: происхождение .......................................................................................188 145. Тропический циклон в разрезе .....................................................................................................189 146. Тропические циклоны: условия образования и траектория движения .....................................190 147. Строение тропических циклонов в плане ....................................................................................191 148. Жизнь тропического циклона ......................................................................................................192 149. Ущерб от тропического циклона ..................................................................................................193 150. Внетропические циклоны: стадии их развития ...........................................................................194 151. Шторм по И. Давидану, Л. Лопатухину, 1982 ............................................................................195 152. Антициклоны ..................................................................................................................................196 153. Климатологические фронты ..........................................................................................................197 154. Ураганы ...........................................................................................................................................198 155. Структура поля давления (гПа) у земной поверхности и направления ветра по С.П. Хромову, 2004 .......................................................................................................................................199 156. Цикл жизни внетропического циклона ........................................................................................200 157. Горные туманы ...............................................................................................................................201 158. Распределение осадков на Восточно-Европейской равнине ......................................................202 159. Радиационные и адвективные туманы ..........................................................................................203 160. Энергия в климатической системе ................................................................................................204 161. Характеристика силы ветра (шкала Бофорта) ..............................................................................205 Мир необходимости. Мир оптимальных решений. Мир интереса (Иллюстрация из домашнего архива автора) ....................................................................................................................................206 13


14


Предисловие Почти шесть десятилетий назад маленькое приморское государство постигло большое бедствие. Ранним зимним утром двадцатая часть этой страны с несколькими крупными прибрежными городами оказалась под водой. В работе Дельта-Комитета, организованного правительством для разработки мер по предотвращению в будущем подобных катастроф, принял участие математический центр страны. А через год в Амстердаме Всемирный конгресс математиков впервые за свою историю обсуждал «математические проблемы, возникшие в связи с разрушительным наводнением». Доклад учёного из пострадавшего государства начинался со слов: «Судьба людей и их воля не поддаются расчётам. Однако математика может смягчить воздействие природы на человеческие судьбы и усилить эффект ответных реакций человечества». В наши дни совместная работа математиков, планетологов, геологов и биологов над важнейшими проблемами происхождения и развития Земли не кажется случайной. Потребность точного предсказания катастрофических наводнений, землетрясений, вулканических извержений, цунами, селей и оползней, тайфунов и смерчей очевидна. Методы прикладной математики для прогноза различных чрезвычайных и кризисных ситуаций природного характера не новы. Однако при однородных математических приёмах прогнозы различных видов стихийных бедствий выполняются до сих пор независимо специалистами разных наук – нередко в удалённых друг от друга исследовательских центрах. Нет ничего удивительного в том, что за многие столетия противостояний природным катастрофам человек создал столь много специализированных наук. Посвящены они не только каждой отдельной природной стихии, но и различным состояниям её проявления. Ныне известны десятки таких наук – «далёких и близких» одновременно. Однако и эти многочисленные, тщательно проработанные и сопоставленные друг с другом отрасли полезнейших для обеспечения безопасности человека знаний не исчерпывают всего спектра природных опасностей. Сейчас более чем когда бы то ни было оказались важными пророческие слова К.Э. Циолковского: «Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе всё околосолнечное пространство». В последние полвека предсказанное Циолковским начало эры освоения Вселенной сопровождалось разносторонним и глубоким изучением околоземного пространства, ближнего и дальнего космоса с помощью специальных наземных средств, а также ракет, спутников, околоземных орбитальных и межпланетных станций и лабораторий, космических телескопов и иных исследовательских зондов. И список традиционных опасных ситуаций земного происхождения пополнился различными космическими опасностями, связанными со вновь открытыми радиационными поясами Земли, взрывами сверхновых звёзд, галактическими излучениями, проявлениями бурной активности Солнца, воздействием на нашу планету астероидов, комет, метеоритов. Хотелось бы обратить особое внимание студентов на сложность взаимосвязей природных земных и космических процессов, наметить определённые пути для более тесного содружества исследователей разных специальностей в познании глубинных тайн природы. Распространённым направлением математических исследований в экстремальном общем природоведении является создание моделей-откликов и математическая обработка полученных с их помощью экспериментальных данных. В учебно-методическом пособии сформулированы некоторые приёмы приобретения и освоения практических навыков для ориентации в общем курсе «Опасные ситуации природного характера». Автор пособия старался избегать примеров моделирования хаотических, случайных взаимоотношений между природными опасностями и рисками и, 15


в противовес приёмам мозаичного моделирования опасных ситуаций, старался обнаружить, проявить взаимосвязанную систему моделей-откликов на региональном, планетарном и глобальном уровнях. В помощь студентам, нередко затрудняющимся в выборе алгоритмов проведения сложных по структуре исследований, автор поместил в пособии ряд приложений методологического характера. В качестве объединяющей методологической системы принят системный подход с системными аспектами исследований, универсальными для большинства разноуровневых опасных природных объектов и явлений. Обращено внимание на необходимость овладения моделированием культуры безопасности жизни человека и общества, на важность формирования информационной культуры учебноисследовательских работ студентов по темам курса «Опасные ситуации природного характера». Высказаны некоторые предложения по порядку преподавания основ этого курса. Обращено внимание на желательность введения в курс таких ситуационных задач, которые бы исходили из знания региональных особенностей мест проживания и деятельности студентов. В подборе литературных источников по многим темам курса автору оказали помощь сотрудники фундаментальной библиотеки Московского авиационного технического университета (МАИ), выпускником которого автор является. Выражаю глубокую признательность всем коллегам, принявшим участие в обсуждении и оказавшим мне помощь в усовершенствовании рукописи, а также Фонду развития отечественного образования, отметившему первый сжатый вариант моей книги дипломом лауреата конкурса на лучшую научную книгу 2006 года.

16


Тема: Нелинейная планетология. Равновесия, устойчивости, катастрофы и революции в истории развития Земли и Космоса Знаменитый Пифагор впервые перенёс на мироздание обыденные в Древней Греции слова «космос», означающее строгий порядок и красоту, и «гармония», означающее соразмерность. В начале XVII столетия астроном Кеплер с помощью пифагорейской идеи «гармонии мира» основал небесную механику. В конце того же века Ньютон начал разработку теории равновесия небесных тел, а ещё столетие спустя, в 1773 году, Лаплас поставил вопрос об устойчивости солнечной системы. Первым теоретиком учения о земных катастрофах – катастрофизма – явился известный французский естествоиспытатель Ж. Кювье (рис. 1). В Ж. Кювье 1812 году он выпустил книгу «Рассуждения о переворотах на поверхности земного шара». Подведя в четырёхтомной монографии итоги своим исследованиям, Кювье объяснил резкие перемены в составе ископаемой фауны внезапными геологическими катаклизмами: землетрясениями, вулканическими извержениями, катастрофическими наводнениями и другими земными процессами. В настоящее время совокупность земных и космических катастроф может быть представлена на рис. 2. В дальнейшем в поле зрения учёных-катастрофистов попали такие экстремальные космические явления как падения на земную поверхность метеоритов и метеоритных дождей, возможные столкновения Земли с кометным веществом и астероидами, всеобщее охлаждение космоса. В конце XIX века профессор термодинамики Р. Клаузиус и его последователи сформулировали концепцию неизбежной тепловой смерти Вселенной, а следовательно, и грядущего постепенного угасания всей космической жизни. Гипотеза Клаузиуса с претензией на теорию широко публиковалась в печати: человеческие скелеты под сосульками с надписью «энтропия» изображались даже на обложках научнопопулярных журналов. Во всемирную дискуссию по этому поводу включился и К.Э. Циолковский. В 1905 г. он написал статью «Второе начало термодинамики», в которой утверждал, что постулат о конце мира не является законом Вселенной и вспыхивающие на наших глазах новые звёзды – очевидное тому доказательство. А сама земная жизнь разве не типичный антиэнтропийный процесс? «Палеонтология несомненно показывает, – пишет учёный, – что жизнь прогрессировала, то есть шла от низших существ до Рис.1. Массовые вымирания в человека». Для того, чтобы окончательно утвердить фанерозое. Жирными стрелками неограниченные возможности выживания обозначены великие массовые человечества, Циолковский разработал оригинальную вымирания, тонкими – малые (по А.С. теорию космического круговорота, состоящего из Алексееву, 2000) 17


повторяющихся эволюционных циклов (рис.3). Учёный объяснил реальную возможность человечества с помощью космических ракетных систем расселяться по Вселенной к другим солнечным системам, к тем их планетам, которые находятся в наиболее благоприятных фазах вселенских циклов, свободных от угроз экстремальных факторов. Развивая концепции спиральной эволюции Вселенной, космических и земных круговоротов, современные исследователи создали наглядные схемы смен форм движения материи во времени, схемы последовательностей экологических кризисов и преодолевавших их революций (таблица 1). Теоретические построения катастрофизма, органично включившего разработки систем противодействия катаклизмам, постепенно проникали в разные области естественнонаучного знания, обусловив создание многих концепций вымирания флор и фаун в палеонтологии, содействовав становлению палеосейсмологии, палеовулканологии, палеогидрогеологии и других наук. Особенное место занимает изучение нестационарных космических процессов в современной астрофизике. Учёный-космист А.Л. Чижевский – единомышленник и соратник К.Э. Циолковского – открыл новую науку гелиобиологию. Книга Чижевского «Земное эхо космических бурь» хорошо известна читателям, интересующимся историей изучения солнечно-земных связей и влиянием солнечной активности на здоровье человека. В двадцатом столетии при бурном развитии экологии возникло немало теорий экологических кризисов и такие новые Рис. 3 обобщающие науки, как кризисология, теория 18


19


катастроф, рискология. Хорошо известны и нынешние достижения такой новой теоретической и прикладной науки, как медицина катастроф. Теория рисков широко используется ныне не только в разных сферах экономической деятельности, но и при составлении таких важнейших нормативных сейсмологических документов как карты сейсморайонирования различных регионов земного шара. Простая формула риска (R): R = Ф (Pa , Pb , Pcb , c), где: Ф – фактор, различный для разного рода катастроф; Ра – вероятность катастроф, вычисленная по числу катастроф предшествующих; Рb – вероятность возникновения качественно разрушительных процессов при катастрофах; Рсb – внешние условия; с – последствия катастроф.

Литература Алексеев А.С. Типизация фанерозойских событий массового вымирания организмов // Вестник МГУ, сер. 4. – Геология, 2000, № 5 Афанасьев А.Ю. Мифология катастроф. М.: АиФ Принт, 2003 Баринов А.В. Чрезвычайные ситуации природного характера и защита от них. М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003 Буянов В.П., Кирсанов К.А., Михайлов Л.М. Рискология (управление рисками). М.: Экзамен, 2003 Волович В.Г. На грани риска. М.: Мысль, 1985 Голубчиков Ю.Н. Глобальные катастрофы в истории цивилизаций. М.: Вече, 2005 Давиташвили Л.Ш. Причины вымирания организмов. М.: Наука, 1969 Дёмин В.Г. Судьба солнечной системы. М.: Наука, 1975 Дружинин И.П., Сазонов Б.И., Ягодинский В.Н. Космос–Земля. Прогнозы. М.:Мысль,1974 Ионина Н.А., Кубаев М.Н. Сто великих катастроф. М.: Вече, 2002 Иорданский Н.Н. Эволюция жизни. М.: Академия, 2001 Катастрофы и аварии. Мн.: Литература,1996 Кукал З. Природные катастрофы. М.: Знание, 1985 Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. М.: Академия, 2003 Резанов И.А. Планета бушующих катастроф. М.: Вече, 2005 Хофельман К. Катастрофы вселенной. М.: АСТ, 2003 Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976 Ягодинский В.Н. Александр Леонидович Чижевский. М.: Наука, 1987 Ястребов Г.С. Безопасность жизнедеятельности и медицина катастроф. Ростов н/Д: Феникс, 2005

Контрольные вопросы: 1. Дайте характеристику стационарности и нестационарности земных и космических процессов и явлений 2. Назовите причины массового вымирания организмов в геологической истории 3. Перечислите основные этапы становления и развития науки о катастрофах 4. Определите практическое значение современных исследований метеоритов, комет, астероидов, солнечных вспышек, взрывов сверхновых звёзд 5. Назовите области применения науки рискологии 6. Дайте определение понятию «риск» 7. Оцените вклад современных приложений теории катастроф к изучению чрезвычайных ситуаций природного характера и к защите от них 20


Практическая работа №1 Теория катастроф. Закономерности динамики упругой системы Цель практических работ 1 и 2: изучение физических и математических оснований теории катастроф, закономерностей динамики простейших упругих систем. В эксперименте используется длинная деревянная или металлическая линейка, выгнутая вверх и зажатая в таком состоянии, например, стопками тяжёлых книг (2а). При последовательном нагружении линейки гирьками или заменяющими их одинаковыми грузиками регистрируется стрела прогиба с помощью вертикально стоящей линейки или угольника. Заполняется табличка эксперимента по следующему образцу: Этапы нагружения системы Нагрузка в граммах или единицах нагрузки Стрела прогиба, мм

1

2

3

4

5

n

Строится, согласно этой табличке, графическая «картина катастрофы» (2б). Математическая её формулировка такова: «Катастрофа – это скачкообразное изменение, возникающее в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий». Производится описание физических явлений, наблюдаемых в эксперименте. Исходный научный аппарат объяснения эксперимента в терминах теории катастроф. Эволюционный процесс упругой системы, обладающей некоторой потенциальной энергией, описывается векторным полем в одномерном фазовом пространстве. Точка фазового пространства задаёт состояние системы. Приложенный в этой точке вектор указывает скорость изменения состояния. В некоторых точках вектор может обращаться в нуль. Такие точки называются положениями равновесия, в них состояние не меняется с течением времени. Полученная в результате эксперимента гладкая кривая, имеющая особенность типа складки (2в), проектируется на ось значений параметра. Таким образом, при изменении параметра выделяются особые или бифуркационные значения параметра (2г, д). Равновесие, при котором энергия минимальна, устойчиво. Неустойчивое равновесие хотя теоретически возможно, но практически не имеет места, так как нарушается при малейшем воздействии извне. Если после потери устойчивости равновесия вы наблюдаете установившийся колебательный периодический режим, определите характер его прекращения (2е)

Практическая работа №2 «Машина катастроф» Цель работы: построение «кривой катастроф» (табл. 3), адекватное описание и объяснение эксперимента. Для наглядной иллюстрации возможного теоретического моделирования сущности катастрофических процессов изобретён ряд приспособлений, и в их числе одно из простейших – «машина катастроф Зимана». Изображение её на таблице 3 показывает, что она может быть легко изготовлена и испытана в простых условиях. В средней части отрезка доски осью-гвоздиком закрепляется картонный вращающийся диск (А), на краю которого с помощью иглы шарнирно крепится за среднюю часть резинка (В), общая длина которой ненамного превышает два диаметра диска. Один конец резинки закрепляется гвоздиком или иглой к краю доски (С), к другому концу резинки присоединяется карандаш (D). С левой стороны доски крепится лист бумаги для фиксации общего графического результата опыта. При перемещении острия карандаша по прямоугольным траекториям параллельно контурам поля бумажного листа от края к середине картонный 21


диск приходит во вращение. При некоторых позициях в общем медленно двигающегося карандаша и медленно вращающегося диска в общей подвижной упругой системе

22


(машины катастроф) происходит сбой режима – скачок диска в новое положение. Точки таких срывов режима фиксируются карандашными отметками на бумаге и в целом образуют «кривую катастроф» КК. Эта кривая имеет четыре точки возврата. При пересечении карандашом этой кривой скачок диска происходит или не происходит в зависимости от того, по какому пути острие карандаша обходило точки возврата КК. Чтобы иметь возможность точно предсказать возникающее при этом поведение диска, следует создать математическую теорию данного явления. Состояние «машины катастроф» или, что точнее, положение острия карандаша на листе бумаги может быть описано тремя числами: двумя координатами (так называемыми управляющими параметрами – УП) и углом поворота диска (внутренним параметром системы – ВП). Если все три параметра заданы, то тем самым определены степени растяжения резинок и, следовательно, определена потенциальная энергия всей системы. Эта энергия – функция от положения диска, иначе говоря, функция, заданная по окружности. В зависимости от значений управляющих параметров такая функция может иметь один или несколько минимумов (а). Если при изменении управляющих параметров положение минимума меняется плавно, то скачка не происходит. Скачок возникает при тех значениях управляющих параметров, для которых локальный минимум исчезает,

слившись с локальным максимумом (б); после скачка диск оказывается в положении, отвечающем другому локальному минимуму (в). Равновесные состояния «машины катастроф» наиболее полно отражаются в трёхмерном пространстве и образуют в этом пространстве гладкую поверхность равновесий. Спроектируем эту поверхность на плоскость УП вдоль оси ВП и получим в результате складки и сборки. Кривая катастроф есть проекция точек складок. Из таблицы понятно, почему переход управляющих параметров через линию катастроф иногда вызывает, а иногда не вызывает скачок. Скачок зависит от того, какой части поверхности равновесий отвечает положение диска. Понимая существо модельного рисунка, можно сообразить, как переходить из одного места поверхности равновесий в другое место без скачков. Схема большинства применений теории катастроф такая же, как в описанных практических работах 1 и 2. Например, в теории упругости и в теории опрокидывания кораблей предсказания этой теории полностью подтверждаются экспериментами. Источником математической теории катастроф является теория особенностей гладких 23


отображений Х. Уитни и теория бифуркаций динамических систем А. Пуанкаре и А. Андронова. Совокупность теории особенностей и её практических приложений математик Р. Том предложил назвать теорией катастроф и охарактеризовал её так: «В философском, метафизическом плане теория катастроф не может принести ответа на великие проблемы, волнующие человека. Но она поощряет диалектическое, гераклитовское видение вселенной, видение мира как театра непрерывной борьбы между «логосами», между архетипами». Теория катастроф, наряду с другими современными теориями, в значительной степени изменила привычные представления среды, вызвала к жизни качественную теорию сложных нелинейных систем. Литература Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Знание, 1981 (1-е изд-е); М.: МГУ, 1983 (2-е изд-е); М.: Наука, 1990 (3-е изд-е) Джилмор (Гилмор) Р. Прикладная теория катастроф. М.: Мир, 1984 Джилмор Р. Теория катастроф для учёных и инженеров. М.: Мир, 1983 Постон Т. , Стюарт Я. Теория катастроф и её приложения. М.: Мир, 1985 Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант: К решению парадокса времени. М.: Прогресс, 1999 Стюарт Я. Тайны катастрофы. М.: Мир, 1987 Чечельницкий А.М. Экстремальность, устойчивость, резонансность в астродинамике и космонавтике (проблемы, методы, решения). М.: Машиностроение, 1980

24


Практическая работа №3 Задачи по теории равновесия небесных тел 1. Вековое замедление вращения Земли приливными силами В учебнике И.А. Михайловой и О.Б. Бондаренко «Палеонтология» (М.: МГУ, 1997, т.1) опубликован следующий график (рис. 4), построенный американским палеонтологом Дж. Уэллсом (Wells, 1963) на основании изучения под электронным микроскопом линий роста эпитеки кораллов, раковин двустворчатых и головоногих моллюсков. Оказывается, в течение фанерозоя произошло сокращение числа дней в году от 420-425 в кембрии до 365,5 в настоящее время. Этот факт указывает на замедление вращения Земли вокруг своей Рис. 4 оси. О том, что скорость вращения нашей планеты непостоянна, учёные догадывались и раньше: рассчитанные вспять солнечные затмения по времени отказывались совпадать с описаниями их в литературных памятниках древности. Сын Ч. Дарвина Джордж Дарвин, разрабатывая теорию приливного трения, определил величину замедления вращения Земли и Луны. Луна и Солнце катят по поверхности Земли не только волны океанских приливов, но и вздымают гигантским сводом твёрдую земную оболочку. Сами того не замечая, мы качаемся на твёрдой волне, дважды в сутки поднимаясь и опускаясь на десятки сантиметров. Астрономы установили, что волна эта не поспевает за движением Луны и как бы притормаживает Землю. На двести лет растянулась вереница гипотез, предположений, догадок о замедлении вращения Земли, Луны, Солнца. А несовершенные земные часы не могли напомнить учёным, что эти догадки и расчёты – факт, до поры до времени не обнаруженный. Продолжительность суток, определяемая астрономами как промежуток времени между двумя Рис. 5 прохождениями определённой звезды через меридиан обсерватории, считалась строго постоянной и не подвергалась сомнению до тех пор, пока в 1936 году Стойко из парижского международного бюро времени не определил вариации суток зимой и летом в две тысячные доли секунды. С помощью современных высокоточных кварцевых и молекулярных аммиачных часов найдено, что сутки удлиняются на нашей планете в среднем на 0,0015 секунды в столетие. Задача 1. Пересчитайте с графика Дж. Уэлса изменение параметра числа дней в году по геологическим периодам в изменение продолжительности земных суток Р (час). Полученные в результате расчёта числа поставьте на новый график в координатах Р, Т (рис. 5). Используйте для самопроверки результата принятый астрофизиками средний темп удлинения продолжительности суток на Земле. Определите, на сколько часов удлинились сутки за время существования Земли. 25


Литература Бялко А.В. Наша планета – Земля. М.: Наука, 1983 Куликов К.А. Вращение Земли. М.: Недра, 1985 Михайлов А.А. Земля и её вращение. М.: Наука, 1984 Михайлова И.А., Бондаренко О.Б. Палеонтология, Ч. 1, 2. М.: изд-во МГУ, 1997 Неравномерность вращения Земли. М.: изд-во АН СССР, 1954 Николов Т.Г. Долгий путь жизни. М.: Мир, 1986 Перцев Б.О. О вековом замедлении вращения Земли // Физика Земли, 2000, № 3, с. 35-39 2. Фигура нашей планеты и её перемены Во времена Древней Греции Эратосфен впервые определил длину окружности и радиус Земли по схеме, показанной на рис. 6. В тот день и час, когда Солнце стояло над Сиеной точно в зените, Эратосфен измерил ∠ α. Полагая α =α΄ и зная расстояние между городами, учёный Рис. 6 определил R ⊕ = 250 000 стадий при длине стадии 157,7 м. Ньютон первым рассчитал величину сжатия Земли, находящейся в состоянии равновесия в поле центробежных и гравитационных сил. В 1686 г. в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной философии» Ньютон писал о том, что равный Земле свободный объём жидкости принимает при суточном вращении точно такую форму, какой обладает наша на первый взгляд монолитная каменная планета. И около полувека спустя, подводя итоги двум большим геодезическим экспедициям, участник одной из них академик Клеро сказал, что называя Землю жидкой Ньютон в сущности был прав. Принимая форму Земли не новоприобретённой, а унаследованной от прошлого, Клеро добавил к ньютоновским силам всемирного тяготения влияние сил внутреннего трения земного вещества. Учёный Рис. 7 нашёл уравнение, связывающее сплюснутость Земли, скорость её осевого вращения и строение недр. Математики Лагранж и Лаплас сформулировали проблему устойчивости фигур равновесия небесных тел. Авторами развёрнутых теорий звёздных и планетных равновесий стали такие выдающиеся математики как К. Маклорен, С. Рис. 8 Ковалевская, П. Чебышев, Д. Дарвин и многие другие. Немало новых разделов высшей математики обязано своим рождением этой проблеме. Оказывается, несмотря на кажущуюся монолитность земного шара, его внешние очертания перед чередой планетного времени далеко не незыблемы и не произвольны. В последней четверти XIX века Е. Быханов доказывал уплотнение глубинного вещества Земли при замедлении суточного вращения планеты. Московский физик Л. 26


Лейбензон, начавший строгое математическое исследование земных недр по совету профессора Н. Жуковского, в 1900 г. рассчитал прочность верхней оболочки Земли и предсказал периодическое образование глубинных разломов коры, открытых геологами лишь несколько десятилетий спустя. Задача 2. Опираясь на данные графика Д. Уэллса и пользуясь формулой Симпсона ω2 = 0,224, h max = 2πfρ где ω – скорость вращения небесного тела, 1 , с ρ – средняя плотность планеты, г 3 , см постройте график зависимости плотности Земли от её возраста (рис. 7). Принимая массу планеты постоянной, рассчитайте график изменения радиуса Земли (рис. 8).

Литература Аппель Т. Фигуры равновесия вращающейся однородной жидкости. Л.-М.: ОНТИ, 1936 Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1977 Берри А. Краткая история астрономии. М.-Л.: ОГИЗ, 1946 Дёмин В.Г. Судьба солнечной системы. М.: Наука, 1975 Каттерфельд Г.Н. Лик Земли. М.: Географгиз, 1962 Паннекук А. История астрономии. М.: Наука, 1966 3. Ускорение силы тяжести и вращение Земли Научные сотрудники нефтяного научно-исследовательского института в Петербурге Л. Смирнов и Ю. Любина в течение многих лет обеспечивали нефтяников информацией о направлениях течений древних рек, переносивших в свои дельты нефтематеринское вещество. В поле зрения учёных оказались многочисленные статистические данные о захоронениях своеобразных индикаторов направлений речных течений – профилях так называемых поперечных песчаных гряд. Крутизна Рис. 9

наступающего свободно осыпающегося откоса песчаной гряды определяется величиной ускорения силы тяжести на земной поверхности. Фиксируя углы естественных откосов песчаных гряд в палеопустынях, на дне древних рек и морей Смирнов и Любина обнаружили углы свободных Рис. 10 осыпей гораздо большие, чем известные ныне (рис. 9). Закономерный характер уменьшения углов естественных откосов песчаных гряд свидетельствует о вековом росте на Земле ускорения силы тяжести. 27


Задача 3. Воспользовавшись расчётами векового сокращения земного радиуса, выполненными при решении задачи 2, определите вековые изменения ускорения силы тяжести в зависимости от возраста Земли m (рис. 10). Расчётная формула: g = f 2 . R

Ещё одним интересным пустынным феноменом планетного характера и значения являются движущиеся камни («бродячие» валуны), наблюдаемые на дне высохшего озера Рестрек-плайя в Калифорнийском национальном заповеднике (США). Скольжение камней (весом до 500 кг) по скользкому соляному субстрату происходит в периоды наибольшего торможения вращения Земли или в случае быстрых смещений земных геоблоков.

Литература Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1977 Гудович А. Движущиеся камни Долины смерти // Всемирный следопыт, 2003, №4, с. 50-51 Смирнов Л.С., Любина Ю.Н. О возможности изучения изменения силы тяжести с геологическим временем // Доклады АН СССР, геология, 1969, т. 187, №4, с. 874-877

28


4. Палеомагнетизм о вековом сжатии Земли Палеомагнетизм – молодая наука, сумевшая за короткий срок воссоздать историю магнитного поля Земли. Стало известно, что все времена невидимое поле планеты оставляло в земной коре как бы вросшие в камень маленькие компасные стрелки – крошечные ферромагнитные частицы. Даже в так называемых геологических немых толщах – горных породах без всяких растительных и животных остатков – магнитологи нашли застывшие на века строго ориентированные магнитные частицы. Все они указывают на полюс, полюс того времени, когда образовалась порода. Так как возраст большинства отложений геологами определён довольно точно, то по измеренным направлению и силе остаточной намагниченности для всех геологических периодов были вычислены положения северного полюса. Так появились первые палеомагнитные карты континентов, на которых были обозначены полюса тех времён. Положения палеополюсов для того или иного континента на протяжении многих геологических периодов образовывали на современной карте криволинейные траектории, сходящиеся к нынешнему северному полюсу (рис. 11а). Наблюдаемое расположение траекторий полюса может быть объяснено как свидетельство векового сокращения земной коры. Вследствие общего уменьшения радиуса Земли при одном и том же расстоянии между принятыми точками-реперами угол между магнитными меридианами увеличивается. По весьма распространённой методике палеомагнитных построений магнитные Рис. 11 палеомеридианы наносятся на поверхность не древней, а современной тектоносферы, и в результате древние полюса оказываются в стороне от нынешнего на величину сокращения земного меридиана вследствие сжатия планеты (рис. 11б). Задача 4. Исходя из рассчитанного ранее темпа векового сжатия Земли, рассчитайте положения магнитных полюсов для разных геологических периодов и поставьте соответствующие отметки на рисунок 11а.

Литература Буров Б.В., Нургалиев Д.К., Ясонов П.Г. Палеомагнитный анализ. Казань: изд-во Казан. ун-та, 1986 Короновский Н.В. Магнитное поле геологического прошлого Земли // Соровский образовательный журнал, 1996, №6, с. 65-73 Нагата Т. Магнетизм горных пород. М.: Мир, 1965. Палеомагнитология / Под ред. А.Н. Храмова. Л.: Недра, 1982 Яновский Т. Магнетизм горных пород. М.: Мир, 1965

29


Тема: Моделирование Земли, литосферы и основных структур земной коры На рубеже XVI и XVII веков английский физик У. Гильберт сделал модель магнитного поля нашей планеты. Модель Земли – стальной намагниченный шар – он назвал Тереллой, то есть маленькой Землёй. Помещая около Тереллы компас, учёный впервые в мире убедительно доказал, что наша планета представляет собой большой магнит. Моделируя тепловую историю Земли, постепенно остывающей из некогда расплавленного состояния, французский учёный Ж. Бюффон отливал в литейной мастерской чугунные шары и регистрировал время и температуру их остывания. Итогом этих экспериментов были новые суждения Бюффона о возрасте Земли, суждения гораздо более обоснованные, чем все предыдущие. От относительно простых моделей исследователи Земли и литосферы постепенно переходили ко всё более сложным модельным конструкциям. В двадцатые годы прошлого столетия появилась первая сейсмическая модель континентальной земной коры с гранитным и базальтовым слоями. В настоящее время развивается представление о множественности сейсмических границ – спокойнозалегающих, крутонаклонных и субвертикальных. Разрабатываются также химические модели земной коры. В 60-е годы ХХ века для объяснения мезозойско-кайнозойской истории океанического дна была предложена концепция тектоники инертных литосферных плит с активными границами. Вскоре основные положения этой концепции были перенесены в континентальную геологию. На протяжении последних десятилетий математически моделируются разнообразные геокосмические и планетарные, глобальные связи, строятся «мировые модели» универсального значения. Материалы о построении таких обобщающих синтетических конструкций систематизированы Н.Н. Моисеевым в модели так называемой «ядерной зимы». По мнению учёного, эвристическая ценность модели состоит не только в её способности воспроизвести изучаемое явление, но и в предсказании с её помощью новых фактов. «Для того, чтобы построить модель, обладающую широкими возможностями прогноза, необходимо прежде всего использовать общие законы. Они позволяют максимально уменьшить использование статистических методов, которые в современных условиях быстрого изменения характеристик изучаемых процессов бывают не очень надёжны. В физике такими законами являются законы сохранения массы, импульса и т.д.» При строгом применении закона сохранения импульса к солнечной системе оказалось возможным объяснить казалось бы парадоксальную астрономическую ситуацию: почему современное Солнце в 745 раз тяжелее окружающих его планет, но имеет лишь полпроцента вращательного момента всей системы. Очень своеобразным путём в решении этого парадокса пошёл К.Э. Циолковский. Учёный обосновал концепцию существования векового перераспределения вращательного момента от Солнца к планетам благодаря постоянному действию приливообразующих сил. По мнению Циолковского, планеты были рождены Солнцем, то есть отделились от солнечной поверхности в результате частичного распада некогда переуплотнённого светила. Первоначальные планеты, или протопланеты, имели лишь отдалённое сходство с нынешними: размеры их были гораздо большими, плотность – невелика и, в общем, одинакова для всех планет, да и период суточного вращения был также практически одинаков. И что самое важное в концепции Циолковского: сумма вращательных моментов таких последовательно вычисленных протосолнца и протопланет оказалась в точности равной сумме моментов всех тел современной солнечной системы (рис. 12). На какие же наблюдаемые факты опирались на первый взгляд «абстрактные» расчёты Циолковского? Учёный сам же писал о том, что процесс векового уплотнения Солнца и планет пока ещё нельзя разглядеть ни в какие самые современные телескопы. 30


Расширение планетных орбит, замедление вращения планет и Солнца во времена космогонических расчётов Циолковского тоже представлялись очень спорными. Иначе говоря, остро дискуссионными оказались все составные части постулируемого Циолковским сложного космического явления – перераспределения вращательного момента от Солнца к планетам. И в то же время вычисления Циолковского давали не какие-нибудь приближённые, а вполне конкретные эволюционные параметры пл��нет, например, вековое увеличение продолжительности суток на Земле – 0,000015-0,000013 секунд в год, рост ускорения силы тяжести на земной поверхности – 0,00 000 012-0,00 000 016 сантиметров в секунду за секунду, вековое уменьшение радиуса Земли – 0,0009-0,0019 метра в год. Четвёртая, пятая, седьмая значащие цифры после запятой! Доступны ли вообще такие планетные перемены астрономическим и геологическим наблюдениям? Однако прошло только несколько десятилетий после этих расчётов Циолковского, и специалисты различных отраслей естествознания в своих статьях и монографиях смогли записать такие полученные из наблюдений цифры: вековое увеличение продолжительности суток на Земле – 0,000014-0,000023 секунды в год, рост ускорения силы тяжести на земной поверхности – 0,00 000 015 сантиметров в секунду за секунду, вековое уменьшение радиуса планеты – 0,001-0,0015 м в год. Что же произошло в геологии и астрономии за полвека, минувшие с тех пор, когда Циолковский завершил свои космогонические расчёты? Служба времени получила в распоряжение высокоточные молекулярные и атомные часы. Палеонтологи освоили электронные микроскопы,

Рис. 12. Характеристики солнечной системы в период рождения планет и в настоящее время. Космогоническая концепция К.Э. Циолковского доказывает на примере эволюции солнечной системы справедливость общего закона сохранения импульса в самых различных по масштабам космических образованиях

31


позволившие открыть совершенно новые, необычайно подробные геологические календари. В каменной летописи Земли геологи обнаружили точные индикаторы векового изменения силы тяжести на поверхности нашей планеты. Словно бы предвосхищая расчёты Циолковского, писал в своё время известный американский физик Р. Вуд: «Неоткрытые законы природы скрываются ныне за седьмым знаком после запятой». Н.Н. Моисеев, подчёркивая важность использования при построении модели общих законов природы, обращал внимание исследователей на критерий «минимальности» системы моделей. Именно такая система базовых моделей способна служить отправным пунктом результативных исследований в самых сложных и запутанных проблемных ситуациях. Литература Моисеев Н.Н. Динамика биосферы и глобальные модели (концепции и проблемы) // Число и мысль, в. 5. М.: Знание, 1982, с. 56-113 Моисеев Н.Н. Проблемы построения «мировой модели» // Число и мысль. М.: Знание, 1977, с. 139-175 Моисеев Н.Н. Расставание с пустотой. М.: Аграф, 1998 Моисеев Н.Н. Человек, среда, общество. Проблемы формализованного описания. М.: Наука, 1982 Моисеев Н.Н. Экология человечества глазами математика: человек, природа и будущее цивилизации. М.: Молодая гвардия, 1988 Понько В.А. Моделирование геокосмических связей в системе «Экопрогноз» // Большая медведица. 2000, т. 1, с. 64-65 Резанов И.А. История геотектонических идей. М.: Наука, 1987 Резанов И.А. Эволюция представлений о земной коре. М.: Наука, 2002 Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Издание журнала «Россия молодая», 1994 Сейсмические модели литосферы основных геоструктур территории СССР. М.: Наука, 1980 Контрольные вопросы: 1. Дайте характеристику метода моделирования 2. Как строятся имитационные математические модели? 3. Как вы понимаете устройство и функционирование ЭВМ по отношению к математическому моделированию в геологии? 4. Какова история развития сейсмических моделей земной коры? 5. Расскажите об основных моделях динамики земной коры в концепции тектоники плит 6. Как формулируются критерии отличия химических моделей земной коры? 7. Каковы критерии эвристической ценности модели? 8. Что подразумевают математики под единой системой моделей? 9. Назовите авторов первых работ по глобальному моделированию

32


Практическая работа №4. Использование теории графов при анализе моделирования сжимающейся Земли В середине ХХ века американский геолог В. Бухер создал для проверки концепции сжимающейся Земли тонкостенный плексигласовый шар с наполнением из затвердевающего и сокращающегося в объёме вещества – кастолита. На плексигласовой оболочке, деформированной при застывании и сжатии кастолита, появилась система трещин, похожих по форме на главные горные системы Земли и её подвижные сдвиговые зоны. Однако автор эксперимента с огорчением отметил: «…физической теории, с помощью которой можно было бы подсчитать количество и распределение трещин сморщивания, возникающих при данных условиях в оболочке шара, как будто ещё не существует». Вскоре же выяснилось, что искомая теория существует: создал её ещё в 1736 г. петербургский академик Л. Эйлер, и называется она теорией графов. Американский исследователь А. Уэбб впервые применил эту науку к решению задачи происхождения марсианских «каналов», поскольку карта красной планеты – настоящий граф: «оазисы» – узлы графа, «каналы» – рёбра графа. Легко подсчитать, что половина узлов Марса имеет четвёртый порядок, то есть к этим узлам подходят четыре канала, на втором месте узлы третьего порядка, их почти пятая часть. Вывод Уэбба: «Марсианская сеть каналов оказалась явно коммуникационного типа». Спектр исследований и результаты показаны на таблице 4. Теперь перейдём к нашей практической работе. Цель её – моделирование трещинных структур на сжимающейся терелле, поэтапный анализ систем трещин с помощью теории графов. Оборудование: наполненный воздухом резиновый шар, покрытый парафиновой плёнкой. Методика выполнения работы: при постепенном выпускании воздуха из шара производится фотофиксация формирующейся системы трещин (табл. 5), ведётся подсчёт общего числа узлов разных порядков и заполняется табличка 5г процентного содержания разнопорядковых узлов в системах на фотографиях (5 а, б, в). Сравните свои результаты с полученными А. Уэббом (табл. 4). О том, что в тектоносфере нашей планеты могут быть высокопорядковые узлы разломообразования свидетельствуют примеры радиального расположения хребтов в горных системах. Зная, что каждый земной хребет в своей истории связан с глубинными разломами, подсчитайте порядки горных узлов в примерах на табл. 6. Независимо от того, каких геотектонических концепций придерживались в своих выводах отечественные геологи, их выводы по типовым моделям тектоносферы подтверждают подчинённость типовых тектонических структур полям напряжений сжатия (табл. 7). Общая картина развития возможных деформаций сжимающейся земной коры показана в нижней части таблицы 7.

Литература Арсеньев К. Тайна глобальных трещин // Техника – молодёжи, 1969, № 11, с. 27-29 Болтянский В.Г., Ефремович В.А. Очерк основных идей топологии // Математическое просвещение. Вып. 2,3,4,6, 1957-1961 Саркисян А.А., Колягин Ю.М. Познакомьтесь с топологией. М.: Просвещение, 1976

33


34


35


36


Практическая работа №5. Геомеханика – наука о механических состояниях земной коры. Моделирование тектонических структур, возникающих при вековом сжатии планеты Цель работы: продемонстрировать в эксперименте сложный механизм образования надвиговых структур в земной коре, обучить навыкам распознавания и анализа надвигов на тектонических и других картах. Оборудование: плоский деревянный ящик с одной стеклянной съёмной и одной подвижной стенкой, модельная песчано-глинистая или иная подходящая для эксперимента слоистая среда. Методика проведения эксперимента. После создания на дне ящика модельной среды подвижная стенка ящика постепенно переводится из начального положения в положение, близкое к вертикальному. Фиксируется на поверхности модельной среды в ящике распространение разнопорядковых кулисно замещающих друг друга разнообразных складок, а затем сколов чешуйчатого характера, как показано в плане на рис. 12 и в разрезе на рис. 13. Очевидно, что данные верхней части таблицы 7 не только не расходятся с наблюдениями в проведённом эксперименте, но и подтверждают полностью подобие модельных структур структурам реальных геологических тел.

Рис. 13

Рис. 14

Вопросы самоподобия всех «кирпичиков» литосферы, поиск универсальной формы основных геоструктур давно уже занимают геологов. Какой бы уровень тектонических деформаций мы бы ни рассматривали – местный, локальный, региональный, планетарный, глобальный – всюду мы видим сходные, но весьма трудно расшифровываемые деформации, осложнённые везде и всюду разнообразными иной природы факторами разного уровня. Тем не менее, можно уверенно утверждать, что самоподобие всех главных тектонических структур Земли неизбежно следует из устойчивой вековой направленности развития планеты на протяжении миллиардов лет истории планеты. Поскольку различные особенности этого процесса были проанализированы в предыдущих практических работах данного учебного пособия, можно представить образ самоподобного геотектонического процесса схемой в нижней части таблицы 7. Сравнение и анализ рисунков 7б и 7в показывает, насколько всеобъемлюще самоподобие таких универсальных тектонических структур, как сегменты разноглубинного скалывания. Естественно, что в ходе эволюции сжимающейся Земли при накоплении очередной порции тектонических напряжений разломные деформации происходят не по всему круговому основанию сегмента, а лишь

37


38


на одном из участков круга. За длительную историю Земли многократно менялось положение активизированных участков возможных кругов деформаций. Каждый такой активно проявивший себя участок на схемах 7б и 7в можно назвать региональным надвигом. Встречные надвиги образуют относительно независимые от остальных участков тектоносферы тектонические клинья, которые при вековом сжатии соседних участков литосферы выжимаются на земную поверхность и постепенно разрушаются так называемыми денудационными процессами. Имея в виду всё многообразие размеров тектонических клиньев, профиль земной литосферы можно представить как совокупность плотно встроенных друг в друга разнопорядковых тектонических клиньев. Глубинные разломы, изображённые на предельно обобщённых схемах 7б и 7в, показаны прямыми линиями. В реальных условиях литосферы наклонная сколовая поверхность регионального надвига при подходе к земной поверхности становится всё более криволинейной. На таблице 8 показаны этапы заложения регионального надвига и позиции его развития в условиях аналогичного встречного надвига.

39


Практическая работа № 6. Задачи по тектонике плит и фрактальной геометрии литосферы Тектоника плит – сравнительно молодая наука, впервые отчётливо сформулированная и прозвучавшая во всеуслышание на 23-м международном геологическом конгрессе в 1968 году. Земная кора, согласно ведущей концепции тектоники плит, состоит из перемещающихся по астеносфере глобальных плитообразных структур, взаимодействующих одна с другой по принципу раздвига или надвига (рис. 14). Анализ разобранных в данном учебном пособии схем тектоносферы Земли позволяет вычленить элементарные составные части («кирпичики») плитных структур не только в профилях земной коры (как это сделано в нижней части таблицы 7), но и в плановых очертаниях плит. Рис. 15. Традиционное изображение тектоники плит Если профильный Крупные плиты: Аф – Африканская, Ам – Американская, АН – облик Антарктическая, Ев – Евразийская, Ин – Индийская, То – Тихоокеанская элементарной Мелкие плиты: Эг – Эгейская, Ар – Аравийская, Ка – Карибская, На – структурной Наска, Фи – Филиппинская, Ту - Турецкая ячейки Земли – разнопорядковый тектонический клин – стал уже понятен, то плановые очертания этих клиньев требуют дополнительного пояснения. Обратимся ещё к одной молодой области знания, к фрактальной геометрии, являющейся разделом фрактальной математики или теории фрактальных множеств. Фрактал с математической точки зрения – это множество с дробной размерностью. Фракталы повторяют в малом масштабе картину целого, единообразно устроены в широком диапазоне масштабов. У фрактала отсутствует выделенный размер, который можно было бы использовать в качестве естественного эталона длины. От традиционных объектов классической геометрии фракталы отличает особенность самоподобия – наиболее важная из встречающихся в природе симметрий. В элементарных структурах литосферы фрактальность обычно не проявляет себя отчётливо, она прячется в хаосе случайной статистики. Но при выявлении основных причин единства фрактальной сети дешифрируемость фрактальных систем и их отдельных точек значительно облегчается. Механизм и кинематику фрактального дробления литосферы в конечном итоге определяет планетарная система тектонических напряжений и деформаций. В рамках этой системы, как мы уже выяснили из анализа таблицы 7, элементарным деформационным объёмом является тектонический клин, а элементарной плановой формой этого клина на земной поверхности является «чечевица», то есть фигура криволинейной поверхности с формой зерна чечевицы или симметричного древесного листа. 40


Специфика глобальных тектонических деформаций Земли позволяет вычленить следующую иерархическую систему основных структурных единиц литосферы: глыбы – плиты – тектонические пластины. Глыбы – основные наиболее крупные структурные элементы земной коры, в плане они имеют форму чечевицы, или корабля. Глыбы земной коры можно сравнить с ледоколом, корпус которого выполнен с такими криволинейными обводами, чтобы при сжатии ледяного поля корабль не деформировался, а выжимался на поверхность. Плиты уступают глыбам по массе и размерам, но иногда превосходят их по ширине. Активные глыбы можно назвать главными движителями плит, которые в сущности обрамляют глыбы. О тектонических пластинах в пособии говорилось раньше. Механизм их происхождения и эволюции таков же, как и у плит, но тектонические пластины имеют на порядок меньшие размеры и возникают из осадочных толщ предгорных прогибов. На таблице 9 (а и б) показаны некоторые приёмы выделения плановых ограничений глыб земной коры. На схеме 9а критерием для выделения глыбы послужили картографические данные по областям распределения пустынных почв и атмосферных осадков в пустынях восточного полушария. На схеме 9б естественным ограничением арктической глыбы являются горное оледенение Гренландии, плавучие льды Северного Ледовитого океана над Землёй Гарриса и области вечной мерзлоты на северо-востоке Евразиатского материка, выделенные по геоботаническим данным (ареал кедрового стланика и др.). На таблице 10 (а, б, в) изображены взаимоотношения глыб на земной поверхности посредством взаимодействия обрамляющих их плит. Схема 10в позволяет использовать очертания частей древних материковых массивов для реконструкции глыбовых ограничений. Схема на рис. 15 иллюстрирует расположение тектонических пластин на территории Пермского Прикамья. Задание для самостоятельной работы. Пользуясь схемой речной сети Верхнекамья (рис. 16), найдите и обозначьте контурами элементарные структуры земной коры этого региона. Чтобы облегчить работу воображения, вначале нарисуйте линии главных и второстепенных водоразделов, а затем внимательно изучите их рисунок. Литература Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск, 2001 Жиков В.В. Фракталы // Соросовский образовательный журнал, 1996, № 12, с. 109-117 Журавлёв В.И., Лукк А.А., Сидорин А.Я., Рыжкова Т.В. Фрактальные характеристики множеств сейсмических событий при учёте фактора времени // Физика Земли, 2001, №3, с. 34-46 Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М., 1996 Пайтген Х.О., Рихтер П.К. Красота фракталов. М.. 1993 Турбин А.Ф., Працевитный Н.В. Фрактальные множества, функции, распределения. Киев, 1992 Федер Е. Фракталы. М., 1991 Цицицн Ф.А. Вселенная фракталов // Земля и Вселенная, 1997, № 6, с. 13-25 Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Ижевск, 2001

41


42


43


44


45


Тектоническое районирование Пермской области Условные обозначения Структуры второго порядка (валы) 44. – Павловский 45. – Карагайско-Высокинский 46. – Воскресенский 47. – Оханский 48. – Васильевский 49. – Краснокамский 50. – Березниковский 51. – Пермский 52. – Ординско-Пестеревский 53. – Кунгурско-Сафоновский 54. – Очёрский 55. – Москудьинско-Берёзовский 56. – Маркетинский 57. – Еловский 58. – Гондыревско-Меркушинский 59. – Быркинско-Нытвенский 60. – Осинский 61. – Кулигинско-Лобановский 62. – Чекурско-Краснокамский 63. – Белоусовско-Краснокамский 64. – Мазунинско-Козубаевский 65. – Калининский 66. – Троельжанско-Талицкий 67. – Берёзовский 68. – Юрканско-Вязовский 69. – Тулумбасовский 70. – Шумовской 71. – Владимирский 72. – Гожанский 73. – Ножовский 74. –Аряжский 75. – Батырбайский 76. – Татышлинско-Курашимский 77. – Чернушинский 78. – Есаульско-Мазунинский 79. – Таныпский 80. – Григорьевский 81. – Уинский 82. – Кунгурский 83. – Веслянский 84. – Октябрьский 85. – Андовско-Липинский 86. – Шуртанско-Терсинский

1. – Джуричский 2. – Кольчужский 3. – Ксенофонтово-Колвинский 4. – Чердынский 5. – Вижаихинский 6. – Тулпанский 7. – Пырам-Бужуйский 8. – Сыпучинско-Грязнушинский 9. – Быркимский 10. – Пильвенский 11. – Нылобский 12. – Усольский 13. – Дубровский 14. – Бруснянско-Могильниковский 15. – Красновишерский 16. – Колчимский 17. – Соликамский 18. – Крутоложско-Берёзовский 19. – Вижаихинско-Немыдский 20. – Ветосско-Раскетовский 21. – Песчанский 22. – Чикмано-Велгурский 23. – Усть-Кадинский 24. – Багайский 25. – Кочёвский 26. – Булатовский 27. – Кудымкарский 28. – Пикановско-Пятигорский 29. – Слудский 30. – Чёрмозский 31. – Майкорский 32. – Лемзерский 33. – Касибский 34. – Городищенский 35. – Белопашнинский 36. – Чёлвинский 37. – Всеволодо-Вильвенский 38. – Мальцевский 39. – Главный Кизеловский 40. – Центральный Кизеловский 41. – Дубовогорско-Ларионовский 42. – Пономарёвско-Коньковский 43. – Верещагинский 46


47


Тема: Инженерная геология и реология о полях напряжений и формировании разрывов в земной коре Основные понятия: Инженерная геология – это наука о свойствах и динамике геологической среды, её рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего инженерно-строительной деятельностью человека. Изучает инженерная геология горные породы (грунты) и почвы, природные и антропогенные геологические процессы и явления, строение и свойства геологической среды определённой территории. Реология – наука промежуточная между гидромеханикой и теорией упругости и рассматривающая процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением вязких и пластичных материалов, горных пород. Прессиометрия – полевой метод оценки деформационных и прочностных свойств песчаных, глинистых и скальных грунтов, вскрытых в шурфах и стенках буровых скважин, путём приложения к ним давления и измерения деформаций. Инженерно-геологическое опробование горных пород – это комплекс последовательных операций по определению состава, состояния и свойств пород (рис. 18). Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в твёрдом теле вследствие действия и приложенных к нему внешних сил. Напряжение допускаемое – нормативная величина, устанавливаемая по данным опыта, и равная отношению предельного (разрушающего) напряжения для данного грунта к принятому запасу прочности (синоним: нагрузка предельная). Предел прочности породы – наибольшее напряжение, при котором горная порода разрушается или имеет недопустимую величину деформации. Поле тектонических напряжений – суммарное состояние напряжений, вызванных деформирующими усилиями, приложенными к горной породе. Нагрузка разрушающая – давление, превышающее предельное сопротивление грунта. Соответствует наступлению фаз сдвигов и выпирания грунта из-под штампа. При инженерно-геологической разведке участков предполагаемого строительства ответственных сооружений проводятся испытания статической нагрузкой с помощью штампов и прессиометров. Схемы некоторых из этих испытаний показаны на табл. 12. В процессе опытов нагрузку увеличивают ступенями до стабилизации осадки от каждой ступени нагрузки. Считается, что стабилизация достигнута в том случае, если приращение осадки за одни сутки не превышает 1 мм. Литература Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 2005 Вознесенский Е.Ф. Землетрясения и динамика грунтов // Соросовский образовательный журнал, 1998, №2, с.101-108 Короновский Н.В. Напряжённое состояние земной коры // Соросовский образовательный журнал, 1997, №1, с. 50-56 Модельные и натурные исследования очагов землетрясений. М.: Наука, 1991 Морозов Н.Ф. Математические вопросы механики разрушения // Соросовский образовательный журнал, 1996, №8, с. 117-122 Напряженно-деформированное состояние массивов пород в районах с горным рельефом. Фрунзе: Илим, 1987 Напряженно-деформированное состояние массивов горных пород: Сб. науч. тр. Новосибирск, 1988 Напряженное состояние земной коры. М.: Наука, 1973 Осокин Д.Н. Моделирование тектонических полей напряжений, обусловленных разрывами и неоднородностями в земной коре. Экспериментальная тектоника. М.: Наука, 1989, с. 163-197 Поле упругих напряжений Земли и механизм очагов землетрясений. М.: Наука, 1972 48


49


50


Поле напряжений и деформаций в земной коре: Сб. ст. М.: Наука, 1987 Поле напряжений и деформаций в литосфере: Сб. ст. М.: Наука, 1979 Проблемы геотомографии. М.: Наука, 1997 Рейнер М. Десять лекций по теоретической реологии. М.-Л., 1947 Рейнер М. Деформация и течение. Введение в реологию. М., 1963 Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965 Родионов В.Н. Очерки геомеханики. М.: Научный мир, 1996 Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986 Соболев Г.А., Кольцов А.В. Крупномасштабное моделирование подготовки и предвестников землетрясений. М.: Наука, 1988 Шалина О.Г., Понятовская В.И. Модельные исследования неоднородных и трещиноватых сред. М.: ИФЗ РАН, 1993 Юнга С.Л. Методы и результаты исследований сейсмотектонических деформаций. М.: Наука, 1990 Контрольные вопросы: 1. Изложите классификацию грунтов с позиций грунтоведческой науки 2. Как определяются основные показатели свойств грунтов? 3. Дайте характеристику инженерно-геологических исследований для строительства стадии инженерно-градостроительных изысканий для 4. Назовите градостроительных работ 5. Укажите последовательность операций, выполняемых в процессе инженерногеологического опробования 6. Каковы основные методы полевых исследований свойств горных пород при проведении инженерно-геологических работ?

51


Практические работы №7 и 8. Прессиометрия. Испытания прочности грунтов, выполняемые при проведении инженерно-геологических работ Работа № 7. Метод обрушения целиков пород. На рис. 18 изображена схема установки для обрушения целиков породы в шурфах. После обрушения целика в масштабе 1/5 или 1/10 строится кривая обрушения. Целик разбивается на блоки и составляется уравнение равновесия. Аналогично строится кривая обрушения для второго обрушенного целика породы. В результате двух испытаний получают систему уравнений: n

n

1 n′

1 n′

1′

1′

∑T = ∑⋅ N ⋅ f + C ⋅ A1. ∑T + ∑ ⋅ N ⋅ f + C ⋅ A

2

,

где N – нормальное давление; T – сдвигающее усилие; F – коэффициент внутреннего трения; С – сцепление; А1 и А2 – площади поверхностей скольжения первого и второго целиков. Решив систему уравнений, получают значения параметров прочности С и f = tg φ.

Рис. 19. Установка для обрушения целика в шурфе А – схема установки; 1 – нажимной винт; 2 – упорная балка; 3 – динамометр; 4 – штамп; 5 – целик породы; б – схема усилий, развивающихся при обрушении призмы грунта

52


1

2

3

Размеры, м

Н 4

А 5

В 6

Усилия, регистрируемые динамометрами, m

при сдвиге I 7

II 8

при перемещении призмы I II 9 10

Схема выпирания и координаты поверхности скольжения 1 се2 3 чесесение чечение ние 11 12 13

Примечания

Отметка поверхности призмы

Краткое описание породы

Номер шурфа

Работа № 8. Выпирание призм пород. Научно-исследовательским институтом по строительству в г. Екатеринбурге разработан метод выпирания призмы в шурфе. Схема испытаний прочности грунтов таким образом показана на таблице 13. В ходе испытаний по динамометрам отмечают: а) максимальное усилие в момент сдвига G max; б) минимальное усилие, отвечающее перемещению сдвинутой призмы по поверхности скольжения. Результаты испытаний заносят в журнал примерно следующей формы:

14

После сдвига призмы породу осторожно снимают и обнажают поверхность скольжения. В трёх сечениях замеряют координаты поверхности скольжения, вычисляют их средние значения, по которым на миллиметровке в выбранном масштабе строят сечение сдвинутой призмы с поверхностью скольжения. Если не удалось измерить координаты поверхности скольжения, то принимается такое положение, при котором сдвиг произошёл по круглоцилиндрической поверхности скольжения, проходящей через точки M, N и какую-либо точку К, координаты которых удалось определить. Сечение сдвинутой призмы разбивают на блоки и для призмы составляют условие предельного равновесия n n n P n P n  g i ⋅ cos α i − ∑ g i sin α i = tgϕ ∑ g i sin α i + ∑ g i cos α i  + C ∑ l i , ∑ G 1 1 1 1 G 1 

G 1см   где Р – усилие сдвига, отнесённое к единице длины призмы  Р = max ; А   gi – масса блока; n

G = ∑ gi ; 1

tg ϕ – коэффициент внутреннего трения; С – сцепление; li – длина дуги поверхности скольжения в пределах блока. Сцепление определяется по разности усилий сдвига Р и перемещения Рi P − P1 C= , L где G ⋅1см P1 = min , А L = ∑ li . Коэффициент внутреннего трения tg ϕ определяется по формуле 53


54


n P n g i ⋅ cos α i − ∑ g i ⋅ sin α i ∑ G 1 1 tgϕ = n n P   ∑ g i ⋅ sin α i + ∑ g i ⋅ cos α i  + (P − P1 ) 1 G 1 

Результаты вычислений можно расположить в виде таблицы (табл. 14)

Р, кгс

Р1, кгс

Номер блока

g1 g2 gi gn

l1 l2 li ln

n

L = ∑ li

g, кг

l, см

α, град

sin α

cos α

g·sin α

g·cos α

g1·sin α1 g2·sin α2 gi·sin αi gn·sin αn

g1·cos α1 g2·cos α2 gi·cos αi gn·cos αn

Примечания

n

G = ∑ gi

n

n

∑ g ⋅ sinαα ∑ g i

1

1

1

i

i

⋅ cosα αi

1

Литература Ананьев В.П., Коробкин В.И. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 1973 Ананьев В.П., Передельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология. М.: Высш. шк., 1980 Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 2000 Белый Л.Д. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 1985 Геологический словарь. Т.1,2. М.: Недра, 1978 Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерногеологических целях. М.: Наука, 1966 Денисов Н.Я. Инженерная геология. М.: Высш. шк., 1960 Дранников А.М. Инженерная геология. Киев: Госстройиздат, 1959 Кононов В.М., Крысенко А.М., Швец В.М. Основы геологии, гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Высш. шк., 1978 Маслов Н.Н. Инженерная геология. М.: Госстройиздат, 1957 Северьянов Н.Н., Агалина М.С. Справочник по инженерным изысканиям для строительства. М.: ГосНТИ по горному делу, 1963 Справочник по инженерной геологии. М.: Недра, 1974 Цытович Н.А. Механика грунтов. М.-Л.: Гос. изд-во по строительству и архитектуре, 1951

55


Практическая работа №9. Реология. Моделирование путей распространения тектонических напряжений и деформаций в блоковых структурах земной коры Цель работы: получение наглядной картины передачи тектонических напряжений в геоблоковой среде. Оборудование: вертикально стоящий плоский ящик с прозрачными передней и задней стенками заполняется в один слой пластинками из целлулоида или специальной фотоупругой смолы (рис. 17). На всю эту систему пластинок воздействует пресс. Под его нагрузкой кристаллическая решётка целлулоида или смолы меняет свою форму. Поле возникающих на пластинках напряжений фиксируется в поляризованном свете, проходящем в сторону наблюдателя. В итоге эксперимента можно изобразить ветвящиеся системы линий распространения напряжений, передающихся от пресса к нижнему ряду пластинок. Как выглядит картина распределения напряжений на фотоупругой модели сложной ��ормы, показано на рис. 18. Традиционно сравнивая структуру земной коры (тектоносферу) со структурой «битой тарелки», можно предположить в коре аналогичный механизм передачи тектонических напряжений, например, от Сибирской платформы в сторону Курило-Камчатской горноостровной дуги (рис. 19). При построении этой схемы сделано следующее сильно упрощающее построение подобных схем допущение, несколько отклоняющееся от условия сохранения полной аналогии с исходной схемой, изображённой на рис. 17. При общем анализе конкретной тектонической ситуации не всегда удаётся точно определить и нанести на карту границы всех взаимодействующих между собой геоблоков. Поэтому линии распространения тектонических напряжений от активной глыбы земной коры к горным узлам удобнее проводить через нанесённые на карты наивысшие отметки рельефа. Обосновать правомерность таких построений на геотектонических схемах можно, предположив, что «центры тяжести» геоблоков условно находятся в точках наивысшего рельефа. 56

Рис. 20

Рис. 21


Рис. 22. Схема распространения

тектонических напряжений в регионе Курило-Камчатской островной дуги

Литература Аверьянова В.Н. Глубинная сейсмотектоника островных дуг. М.: Наука, 1975 Островные дуги / Сб. статей. М.: ИЛ, 1952 Поля напряжений и деформаций в литосфере / Сб. статей. М.: Наука, 1979 Поля напряжений и деформаций в земной коре / Сб. статей. М.: Наука, 1987 Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука, 1991 57


58


Практическая работа №10. Физика землетрясений. Лабораторные исследования процесса формирования разрыва в земной коре Учёные Объединённого института физики Земли Российской Академии наук на протяжении многих лет проводят эксперименты на образцах горных пород и модельных материалов, чтобы в конечном итоге разработать алгоритмы для выявления стадий развития очагов землетрясений. Создаются и сравниваются разные модели подготовки землетрясений. Опыты по крупномасштабному моделированию сейсмичности проводились на 50 000-тонном прессе Института физики высоких давлений РАН. Этот пресс способен нагружать, деформировать и доводить до разрушения большие блоки горных пород и искусственных материалов (бетон) с линейными размерами в первые метры. Был проведён тщательный контроль за эволюцией полей деформации в блоках с помощью тензометрических датчиков, лазерных интерферометров, ультразвуковых генераторов, приёмников акустических излучений. Наиболее наглядная картина эволюции полей деформации перед образованием макроразрыва получена при экспериментах на бетонных блоках с заложенными внутрь при их изготовлении концентраторами напряжений. Главные результаты опытов представлены на рис. 20 в обобщённой схематической форме:

Стадия I – постепенное накопление трещин размером до 1 мм, при этом фронт трещинообразования мигрирует от очага к периферии Стадия II – укрупнение трещин до величины 2-3 мм Стадия III – возникновение эшелона ещё более крупных трещин, трассирующих будущий макроразрыв Эти же три стадии прослеживаются на графиках (рис. 21), где показаны кривые нагружения F и количества акустических импульсов в единицу времени N, нормированные к их конечным значениям. На графике N видно увеличение N max акустической эмиссии на стадии первичной активизации, затем хорошо просматривается стадия акустического затишья и вторичная 59

Рис. 24


активизация перед макроразрывом (момент его показан стрелкой). На основании данных лабораторных экспериментов и по наблюдениям сейсмичности отечественные и зарубежные исследователи разработали ряд моделей подготовки землетрясений. Теоретическую основу составляют представления механики и физики разрушения материалов и горных пород. Само землетрясение рассматривается как итог эволюции процесса трещинообразования в Земле в результате воздействия тектонических напряжений, вызванных движениями горных массивов под влиянием причин внутриземного и космического происхождения.

60


Схема дилатантно-диффузной модели подготовки землетрясения: а) изменения во времени тектонических напряжений σ , предела прочности горных пород σ , скорости деформации ε& , отношения скоростей продольных и поперечных сейсмических волн электросопротивления; б) три стадии V p Vs , трещинообразования. ДИЛАТАНСИЯ – некоторое увеличение объёма горных пород при массовом возникновении микротрещин отрыва. Горная порода при этом относительно осушается, внутрипоровое давление падает, и прочность породы повышается в соответствии с модифицированным законом Кулона-Мора: σ = σ 0 + k ( σ − pi ) , где σ 0 – исходная прочность, σ – литостатическое давление вышележащих слоёв пород. По мере фильтрации воды из окружающего объёма в область дилатансии

61


прочность породы снова падает, происходит её микроразрушение. Схема модели лавинно-неустойчивого трещинообразования: а) изменения во времени напряжений σ , прочности горных пород σ , скорости деформации ε& , отношения скоростей продольных и поперечных сейсмических волн V p V s , электросопротивления ρ ; б) три стадии трещинообразования. Основу модели составляют два явления: взаимодействие полей напряжений трещин и локализация процесса трещинообразования. После достижения критической плотности постепенно накапливающихся трещин начинается лавинообразный процесс их объединения в результате взаимодействия полей напряжений близкорасположенных трещин. Это явление сопровождается стягиванием процесса трещинообразования в узкую зону, где и происходит макроразрыв, вызывающий землетрясение. При анализе величины дилатансии в конкретной сейсмической ситуации необходимо учитывать фактор увеличения объёмов подплитных пространств при субгоризонтальном сжатии земной коры в условиях тектонических деформаций на криволинейных поверхностях региональных надвигов (см. табл. 8). Литература Природные опасности России. / Под общей редакцией В.И. Осипова и С.К. Шойгу. Сейсмические опасности. М.: КРУК, 2000 Соболев Г.А., Пономарёв А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003 Современная динамика литосферы континентов. Подвижные пояса. М.: Недра, 1995

62


63


Предисловие Мировое научное сообщество уделяет большое внимание изучению опасных явлений, исходящих на Землю из космоса (электромагнитное излучение, солнечные и галактические космические лучи, магнитные бури, метеориты, кометы, астероиды и т.д.). До недавнего времени в этих областях знаний работали преимущественно астрономы, астрофизики, планетологи, специалисты по малым телам солнечной системы. В ХХ веке с открытием гелиобиологии и гелиосейсмологии проблемами физики Солнца стали глубоко интересоваться земные сейсмологи и магнитологи, геофизики и геохимики, биологи и медики. Освоение человеком космического пространства стимулировало развёртывание многосторонних исследований по космическим опасностям. По всем этим вопросам существует немало литературных источников, списки которых приводятся в данном пособии. Но основная масса ценной информации, необходимой для разработки технических систем защиты человека от космических опасностей , по-прежнему находится в круге специальной астрономической и астрофизической литературы. Не так просто в ней разобраться, весьма сложно обозначить приоритеты познания, надёжные пути перспективных исследований. Поэтому вводную тему данного пособия автор раскрывает в значительной мере как историю формирования первоочередных астрономических знаний и, в частности, как историю изучения астрономии на Урале, как историю участия нашего региона в организации практического освоения космоса. Наличие в нашем крае глубоких традиций астрономических исследований и космического строительства поможет студентам сориентироваться среди обширных материалов по проблеме космических опасностей, понять, усвоить и применить на практике знания причинных взаимосвязей беспокойной в своём развитии Вселенной.

Тема: Вклад учёных Урала в астрономию и космонавтику. Поиск путей к пониманию физической природы космических опасностей Обсерватория Аркаим. Более двух десятилетий тому назад на Южном Урале сделано открытие мирового значения – археологами обнаружен город бронзового века Аркаим, построенный как огромная пригоризонтная астрономическая обсерватория и город-храм. По соседству с Аркаимом открыто более двух десятков крупных одновозрастных поселений, которые в совокупности названы «Страной городов», ставшей когда-то первой самобытной цивилизацией на Урале. Город состоял из нескольких охватывающих друг друга колец, крепостных, ремесленных и других строений, включал различные астрономические устройства и сооружения. На протяжении длинной вереницы столетий древние зауральские кочевники жили здесь и изучали степь во всех подробностях, чтобы запастись драгоценной в то время медью, да ещё и с помощью звёзд выбрать нужное, подсказанное природой время для новых дальних кочевий. Первоначальные попытки обнаружить Аркаим были предприняты ещё в XVIII веке. Более десяти лет у нас на Урале и в Сибири работал находящийся на русской службе известный французский а��троном Ж. Делиль. Когда Пётр Первый задумал создать в Петербурге первую в России астрономическую обсерваторию, он выбрал Делиля в качестве её строителя и директора и поручил посланнику во Франции князю Куракину заключить с учёным контракт на четыре года. После успешного выполнения царского поручения Делиль решил остаться в России. Он участвовал в качестве астронома в знаменитой Северной экспедиции, а потом, в 1740 году, организовал для себя специальную экспедицию в Берёзов для наблюдения солнечного затмения. Облачность, снегопад, ветер помешали выполнить эту задачу, но Делиль не торопился возвращаться в Петербург. Он провёл несколько месяцев в Западной Сибири и на Урале в надежде выяснить местонахождение древнейшей уральской астрономической обсерватории 64


65


Аркаим, место которой ему указали в Париже маги и жрецы – выходцы из Индии. И Петру Первому, и его последователям на троне Делиль сообщил об этом факте, с их ведома пытался искать Аркаим, но найти его так и не смог. Даже и в наше время в открытии Аркаима присутствовала немалая доля случайности. Но археологи, начинавшие здесь инспекционную работу перед постройкой крупного водохранилища, не только открыли древнейшую обсерваторию, но и справились с отменой гидропроекта и с утверждением для этой территории статуса государственного памятника истории культуры и природы. Ныне Аркаим – это заповедник, который посещают тысячи людей. В 1761 году в Соликамске, Екатеринбурге, Осе и других уральских населённых пунктах работал ученик академика Делиля французский астроном Ж.Ш. д’Отрош. Для наблюдений солнечного затмения и прохождения Венеры по диску Солнца Отрош со всем необходимым астрономическим оснащением ездил в Тобольск, а после благополучно выполненной там работы определял на обратном пути в Петербург географические координаты многих важнейших населённых пунктов Урала и европейской России. Магнитная обсерватория на Урале. В 1829 году в России работала естественнонаучная экспедиция знаменитого немецкого учёного и путешественника Александра Гумбольдта. Большое внимание он уделил Уралу и приложил немало сил, чтобы организовать на северной части Евразиатского материка сеть магнитных обсерваторий. Учёному удалось получить на это согласие Российской Академии наук, и в 1835 году в Екатеринбурге было создано уникальное научное геофизическое учреждение, оснащённое типовыми магнитоизмерительными системами. Так возникла одна из самых первых в России магнитных обсерваторий, которая особенно замечательна тем, что с тех пор ни разу не прерывала своих измерений и до сего дня остаётся лучшей в магнитометрической отрасли исследований. Составление карт. Изучение солнечных затмений и метеоритов. По рекомендации основателя Пулковской астрономической обсерватории В.Я. Струве с 1847 по 1849 годы на Среднем и Северном Урале в составе экспедиции Э.К. Гофмана работал астроном М.А. Ковальский. Он прошёл по маршруту от Чердыни до берегов Северного Ледовитого океана, определил 72 высоты различных точек Уральского горного хребта, а также географические координаты 186 встречавшихся по маршруту поселений. В дальнейшем М.А. Ковальский работал на кафедре астрономии Казанского университета, разрабатывал теорию движения Нептуна, новые методы предвычисления солнечных и лунных затмений, впервые в мире высказал идею о вращении Галактики. В августе 1887 года по всей России наблюдалось полное солнечное затмение, послужившее В.Г. Короленко темой рассказа «На затмении». Это редкое природное явление давало учёным возможность более пристально изучить Солнце, и поэтому различные научные учреждения России и других стран заранее рассылали специальные экспедиции по территории обширной предвычисленной полосы будущего затмения. В составе Красноярской экспедиции, организованной Русским физико-химическим обществом, затмение Солнца наблюдал двадцативосьмилетний преподаватель Морского инженерного училища в Кронштадте Александр Степанович Попов, учившийся когда-то в Пермской духовной семинарии. Будущий изобретатель радио изучал Солнце с помощью сконструированного им самим фотометра и пришёл к выводу, что «солнечная корона не есть явление оптическое», как полагали тогда многие исследователи, «она реальная и остаётся в существенных своих чертах неизменной во время затмения». В том же 1887 году 30 августа в полдень жители Пермской губернии наблюдали очень редкое природное явление – падение крупного метеорита. Огромное раскалённое космическое тело промчалось по небосводу с северо-востока на юго-запад и взорвалось над деревней Таборы вблизи Оханска. Взрыв был очень сильный, сплошной грохот продолжался в течение трёх-четырёх минут. Обломки метеорита рассыпались по всей округе. Поэтому нередко это событие называют Оханским метеоритным дождём. Через 66


67


десять дней на месте падения небесного гостя работал казанский учёный П. Кротов, которому удалось собрать и доставить в университет около ста пятидесяти килограммов метеоритного вещества. Метеориту были посвящены десятки специальных научных и научно-популярных статей, а автор одной из них профессор Ю. Семашко первым предложил выделить метеоритику как новую науку, самостоятельную область человеческих знаний. Московский учёный А. Павлов, описывая Оханский и другие каменные метеориты, отмечал присутствие в их массе шарообразных или округлых зёрен. Эти характерные крупицы минералов были названы хондрами. Среди других типов каменных небесных пришельцев группу хондритов впервые выделил минералог Г. Розе, который в 1829 году сопровождал А. Гумбольдта в его путешествии по Уралу. Ко времени падения Оханского метеорита в классификации хондритов насчитывалось более тридцати разновидностей. И всё же этот метеорит был особенный. В сентябре 1887 года пять его обломков попало в Петербург в химическую лабораторию Д.И. Менделеева. Знаменитый учёный очень ими заинтересовался и поручил их химический анализ лучшим своим помощникам – студентам Тихонравову, Петрову, Юникову и Троицкому. Несколько обломков метеорита были переданы для петрографического изучения геологу А. Иностранцеву. Дважды Менделеев рассказывал об Оханском метеорите на заседаниях Русского физико-химического общества. Обломки этого метеорита ныне хранятся во многих музеях на разных континентах. Эти удивительные образцы космического вещества уже немало послужили учёным всего мира. Исследования Солнца и комет. Рубеж XIX и ХХ столетий характерен быстрым развитием инструментальных исследований солнечной активности. В 1904 году в США собрались астрономы-делегаты из различных стран, в том числе и из России. На совещании был организован Международный союз по кооперации всех исследований Солнца. Началась разработка унифицированных инструментов для постоянного и всестороннего изучения нашего светила. Вот почему не могла остаться незамеченной напечатанная в «Известиях Русского астрономического общества» работа о спектрогелиоскопе астронома Юрьевской университетской обсерватории К.Д. Покровского. В 1916 году он стал первым ректором организованного в Перми университета. Глубокий интерес к тайнам Солнца К.Д. Покровский передал лучшему своему ученику, ассистенту в пермскую пору его деятельности Г.А. Шайну, закончившему образование в Пермском университете и преподававшему в нём до 1920 года. При участии Шайна в начале тридцатых годов в нашей стране создавалась государственная служба Солнца. В июне 1936 года Г.А. Шайну, участвовавшему в экспедиции по наблюдению солнечного затмения в Сибири, удалось получить необычайно хорошие спектрограммы солнечной короны. Благодаря этим новым данным учёный впервые сделал важный вывод о высокой кинематической температуре короны. С 1945 года Шайн работал директором Крымской астрофизической обсерватории, ставшей сегодня крупным центром по исследованию физики Солнца, воздействия светила на ионосферу и магнитное поле Земли. Геолог П.Н. Чирвинский и астроном С.В. Орлов также преподавали в Пермском университете. Обоих отличал особенный интерес к проблемам Солнца. Профессор Чирвинский в течение всей своей жизни собирал материалы о химическом составе солнечного вещества, ещё в 1923 году сделал важные выводы об аналогии процессов, происходящих на Земле и на Солнце. Одним из первых в России Чирвинский поставил вопрос об изучении деятельности Солнца в давние геологические периоды. Ещё Чирвинский глубоко изучал метеориты. Его диссертация на эту тему, написанная в начале двадцатого века, в 1967 году была переиздана Академией наук в виде монографии и поныне сохраняет свою ценность. Учёный одним из первых исследователей обратил 68


69


внимание на поразительное сходство химического состава метеоритов и изученного спектроскопистами солнечного вещества. Намеченный Чирвинским «метеоритный мостик» от Земли к Солнцу ждёт последователей. Именем учёного названы минерал чирвинскит, одна из возвышенностей на Подкаменной Тунгуске, два открытых Чирвинским закона метеоритоведения. Профессор С.В. Орлов работал в Пермском университете с 1916 по 1921 год, был одним ��з инициаторов создания кафедры астрономии. Орлов впервые решил сложную проблему изменения яркости кометы в зависимости от её расстояния до Солнца и активности светила. После обработки большого количества наблюдательных данных по пролёту комет вблизи Солнца Орлов определил чёткую зависимость между активными образованиями на поверхности светила и яркостью ядра кометы. Эти исследования возбуждения вспышек кометных ядер корпускулярными солнечными потоками имеют большое практическое значение для определения влияния солнечной активности на атмосферу Земли. Учёный рассмотрел и объяснил весь комплекс механических и физических свойств комет, предложил свою теорию происхождения комет. Возражая сторонникам широко распространённой ледяной модели кометных ядер, Орлов дальновидно отстаивал каменистую природу ядер комет. Сергей Владимирович строго расклассифицировал все кометные формы и убедительно показал, что ядра комет, астероиды и метеориты составляют единый класс объектов Солнечной системы. Вернувшись из Перми в свой Московский университет, выпускником которого он был, Орлов стал руководителем кометных исследований в Москве, признанным главой отечественной школы кометной астрономии. Из новой московской школы исследователей комет вышли такие выдающиеся астрономы-кометологи как Б.А. Воронцов-Вельяминов, С.К. Всехсвятский, Н.Д. Моисеев и многие другие. В течение десятка лет Орлов возглавлял Государственный астрономический институт имени Штернберга. За работы по теории комет учёный был удостоен Государственной премии. Изучение космических лучей. На заре развития Пермского университета один из первых его физиков А.Б. Вериго столкнулся с воздействием на электрические приборы излучения неизвестной природы, которое впоследствии по аналогии с лучами Рентгена было названо космическими лучами. Но в самом начале исследования этого излучения многие учёные полагали, что оно имеет земную природу. Для выяснения происхождения загадочного излучения Вериго предпринял по совету знакомых пермских геологов довольно необычную для физика экспедицию. Два студента помогли Вериго добраться с приборами на север нашего края, в Дивью пещеру. После первых же измерений стало ясно: излучение на глубине значительно ослабевает и, таким образом, гипотеза о земных источниках странного излучения неправомерна. В двадцатые годы Александр Брониславович руководит работами по изготовлению радиометрических приборов в физическом отделе Ленинградского государственного радиевого института, изучает космические лучи и радиоактивные явления в Главной геофизической обсерватории. Но мечта о новых больших экспедициях не оставляет учёного. Ведь даже и в середине двадцатых годов многие его коллеги всё ещё сомневались в возможности прихода на Землю излучений космического происхождения. Поэтому три года подряд Вериго выезжает к подножию Эльбруса и совершает труднейшие восхождения на его вершину. Наблюдения показали, что на пятикилометровой высоте интенсивность космического излучения в пять раз превосходит величину, зарегистрированную на уровне моря. Однако результаты кавказских экспедиций не вполне удовлетворяют Вериго, которого, кроме всего прочего, интересует и проникающая способность излучения. В 1929 и 1930 годах Вериго добивается разрешения и проводит необходимые исследования на подводной лодке Балтийского флота. Оказывается, космические лучи проникают через водную толщу гораздо свободней, чем думали до сих пор. По результатам вычислений, величина проникающей способности космического излучения получалась заниженной в 70


три раза по сравнению с наблюдениями Вериго. Одно из своих исследований учёный проводит на линкоре, в стволе орудия главного калибра. Знакомые физики советуют Вериго писать после своих экспедиций приключенческие повести. Но мысли учёного всё чаще уходят к новым опытам. Свой очередной эксперимент Вериго осуществляет на аэростате во время полёта в стратосферу. На этот раз вместе с традиционными электроскопами учёный работает с модифицированной им самим камерой Вильсона. Даже при неполадках в оболочке стратостата Вериго не прерывает наблюдений. Чтобы облегчить экипажу посадку и сохранить стратостат, учёный по приказу командира корабля прыгает с парашютом. За мужество, проявленное во время стратосферного полёта, Вериго был награждён орденом Красного Знамени. В первое десятилетие истории Пермского университета в нём работала кафедра астрономии, которой руководил А.Н. Нефедьев. Сотрудники кафедры выполняли задание Уралплана по определению координат Перми, Свердловска и Миасса с помощью беспроволочного телеграфа. В 1924 году учёные университета участвовали в астрономогеодезических работах Управления по обеспечению кораблевождения в Карском море и в устьях сибирских рек в районе Обской губы. Мир как пространство и время. Профессор механики Пермского университета А.А. Фридман безупречно владел математикой. Разработка новых методов решения дифференциальных уравнений привела его к детальному критическому анализу знаменитой теории тяготения Эйнштейна. В статье «Мир как пространство и время» Фридман обнаружил и объяснил незавершённость этой теории, которая вызвала революцию в физике, но так и не указала внутренних причин и путей развития мира. Пермский учёный подверг строгому анализу выводы теории тяготения. Излюбленный метод Фридмана «нельзя ли чего откинуть» в уравнениях, не нарушая их физического смысла, и здесь оправдал себя. Новые решения гравитационных уравнений привели учёного к неожиданным выводам: «кривизна» Вселенной оказалась непостоянной. А значит, далёкие галактики, окружающие наш Млечный путь, должны или сближаться или удаляться друг от друга – «разбегаться», как говорят астрономы. Эйнштейн, прочитав статью русского коллеги, нахмурился и не согласился с выводами Фридмана, назвав их «подозрительными». Лишь годом позже Эйнштейн написал: «В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана… основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет». Ещё через несколько лет американский астроном Э. Хаббл открыл явление разбегания галактик и тем самым полностью подтвердил правильность прогнозов Фридмана. Так начался новый этап в развитии космологии – науки, изучающей космос в целом. Опираясь на многочисленные физические опыты и наблюдения звёзд с помощью мощных телескопов, астрофизик Г. Гамов дополнил космологическую модель Фридмана идеей о «горячем» происхождении Вселенной. Прошло ещё более полутора десятков лет, пока радиофизики А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили приходящее на Землю со всех сторон космического пространства так называемое реликтовое излучение Метагалактики – следы давнего взрыва её сверхгорячего и сверхплотного ядра. Произошедший более десяти миллиардов лет назад процесс распада «первоядра» Метагалактики американские учёные назвали «Большим Взрывом», а наш соотечественник Д. Блохинцев предложил «более почтительное» наименование – «Великий Взрыв». Поиски космических механизмов, объясняющих его природу, волнуют ныне очень многих астрономов. Современные астрофизики вновь и вновь разрабатывают сугубо теоретические модели самых разнообразных метагалактик Вселенной. Математическая модель нестационарной Вселенной Фридмана оказалась настолько дальновидной, что обобщённый анализ взаимодействующих метагалактик может быть полностью проведён в рамках его концепции. 71


Накануне Великой Отечественной войны главный университетский центр астрономических исследований на Урале переместился из Перми в Свердловск. Произошло это потому, что в 1931 году в составе Уральского университета было образовано астрономо-геодезическое отделение, а в следующем году сформирована кафедра астрономо-геодезии и гравиметрии. Возглавил кафедру специалист по астрономическому приборостроению, энтузиаст астрономии С.В. Муратов. С помощью студентов была построена небольшая астрономическая обсерватория. В 1937 году на должности заведующего кафедрой Муратова сменил приглашённый из Казани профессор А.А. Яковкин. Помимо собственно педагогических обязанностей он разрабатывал проекты и следил за внедрением в производство авиационных автоматических навигационных приборов. Кроме того, учёный написал и издал двухтомную монографию «Вращение и фигура Луны». Служба времени и Служба Солнца. В начале войны в Свердловск специальным эшелоном был эвакуирован из Москвы Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга. Первой, самой неотложной задачей института на новом месте было создание государственной Службы времени. В глубоком подвале добротного старого особняка разместили два герметических футляра с главными часами страны. Одни сверхточные часы предназначались для хранения времени, сигналы других часов отправлялись в эфир. 7 ноября 1941 года Свердловск начал регистрировать точное время. Мощный всеволновый радиопередатчик транслировал эти сигналы на всю страну. Командовал Службой времени астроном М.С. Зверев. Из ежесуточных двадцати пяти сигналов точного времени 19 сигналов обязан был давать Свердловск. К 1 марта 1942 года здесь была создана собственная наблюдательная база для определения поправок часов, начались наблюдения на пассажном инструменте. Так был установлен своеобразный рекорд: уральская служба времени по точности работы перестала уступать хорошо отлаженной германской, а затем превзошла её на семь тысячных долей секунды. Здесь же открылось и особое вычислительное бюро, создававшее «Таблицы восхода и захода Солнца и Луны» для штурманской службы бомбардировочной авиации дальнего действия. Эти таблицы печатались в Нижнем Тагиле и использовались лётчиками, моряками, партизанами на всех фронтах Великой Отечественной. В Свердловске совместно с эвакуированной на Урал Киевской университетской лабораторией учёные Института Штернберга продвинули вперёд и ещё одно совершенно новое направление исследований – изучение солнечной активности и её влияния на процессы в земной атмосфере. Так, под руководством С.К. Всехсвятского начала свою деятельность уральская Служба Солнца. Основной обязанностью этой Службы стала фиксация перемен на солнечном диске и составление прогнозов «радиопогоды» для обеспечения надёжного действия армейской радиосвязи. Разрабатывалась также методика прогнозирования условий прохождения радиоволн над Северным Ледовитым океаном для Главсевморпути, ответственного за перевозку жизненно важных грузов из США и Англии через Берингов пролив. Трасса проходила в зоне максимумов полярных сияний при максимумах радиопомех, связанных преимущественно с фазами солнечной активности. Добиваясь наивысшего качества прогнозов «радиопогоды», астрономы Свердловска в содружестве с учёными Арктического института нашли самый рациональный способ разделения воздействий волновой и корпускулярной радиации активных областей Солнца на ионосферу Земли. В начале 1942 года в обсерватории ГАИШ в Свердловске астроном Э.Р. Мустель и группа сотрудников начали регулярное наблюдение за солнечными пятнами и факелами. Данные эти сопоставлялись с характеристиками магнитного поля, которые поступали ежедневно из Косулинской геомагнитной обсерватории. В феврале того же года Мустель установил, что каждое факельное поле, проходящее через видимый центр диска Солнца, сопровождается усиленными геомагнитными возмущениями. Новый экспериментальный факт вошёл в число основных признаков для предсказания геомагнитных возмущений с 72


точностью до суток, а иногда и до полусуток. Как стало известно в 1943 году, в семидесяти процентах случаев сильные геомагнитные возмущения начинались через сутки-двое после прохождения соответствующего факельного поля через центральный меридиан Солнца. Кафедра астрономии и Коуровская обсерватория. Начало космической эры. С выходом нашей страны в космическое пространство в Уральском университете сооружена станция по наблюдению искусственных спутников Земли. В 1960 году восстановили университетскую кафедру астрономии, которую возглавила выпускница кафедры 1941 года Клавдия Александровна Бархатова. В 1961 году, в год первого космического полёта Ю.А. Гагарина, Уральский университет начал строить свою загородную астрономическую обсерваторию, которая через пять лет вступила в строй и успешно ныне работает. Сотрудники кафедры и обсерватории ведут исследования по галактической астрономии, физике звёзд и туманностей, физике Солнца и космической геодезии. Уточнена шкала звёздных расстояний. В послеобеденное время 25 марта 1961 года в пору весеннего бездорожья на юге Пермской области в районе села Фоки опустились на парашюте корабль-спутник с собакой Звёздочкой и катапультированный начинённый электроникой манекен космонавта. Через два часа к месту приземления космического аппарата были сброшены парашютисты-охранники, а на следующий день вертолёты привезли учёных с полевой медико-биологической лабораторией. Всё это для местных жителей было в новинку. Ведь о готовящемся тогда орбитальном полёте человека в космос никто не знал. А ещё через три недели 12 апреля, когда на весь мир прозвучало сообщение о подвиге Ю.А. Гагарина, очевидцы приземления Звёздочки и манекена догадались, что странные «небесные пришельцы» были завершающей частью медико-биологических приготовлений к выходу на космические просторы человека и человечества. Одним из главных действующих лиц этих событий был пермяк, профессор и академик медицины В.В. Парин. По поручению Академии наук страны он курировал все медико-биологические эксперименты, связанные с изучением и освоением космического пространства. Путь учёного к этой работе начинался издалека. Парин закончил Пермский университет и аспирантуру в Казани и в Перми. В 19311933 годы заведовал кафедрой физиологии и был деканом на биологическом факультете Пермского педагогического института. А потом до начала Великой Отечественной войны работал в Свердловском медицинском институте деканом, заместителем директора по НИР, ректором. Словно бы догадываясь о своём «космическом предназначении» Парин обстоятельно работал в тех областях медицины, которые более всего пригодились в самом начале освоения космоса. Особенно велик вклад учёного в физиологию кровообращения, клиническую физиологию, гемодинамику, кардиологию, в решение проблемы функционального резерва сердца и предельных человеческих возможностей в связи с фактором времени. Парин стал одним из самых выдающихся основоположников космической биологии и медицины. Учёный деятельно участвовал в разработке и реализации программы медико-биологических экспериментов на первых высотных геофизических и баллистических ракетах. Опыты на животных расценивал как подготовку к полёту в космос человека. Теоретические и практические основы многих систем автоматического врачебного контроля за космонавтами были разработаны Париным ещё в далёкие довоенные годы. В числе первых учёных-медиков страны Парин не только заложил научный фундамент биологической и медицинской электроники, но и воспитал первое поколение специалистов в этих передовых отраслях современной медицины. Парин провожал в космический полёт и встречал Ю.А. Гагарина. Среди принципиально важных разрешений на старт гагаринского «Востока» была резолюция ещё одного пермяка – Г.А. Тюлина, длительное время работавшего 73


председателем Государственной комиссии по испытаниям и запускам ракетнокосмической техники. В числе выдающихся соратников Парина необходимо назвать и О.Г. Газенко, широко известного на Урале человека. Недавно в Екатеринбурге ему была вручена Демидовская премия по биологии. Необычные по своей сложности задачи были поставлены перед специалистами, изучающими деятельность человека в условиях космического полёта. Американские медики, работавшие в Национальном центре космических исследований, приступили к осуществлению программы испытаний, кандидатов в космонавты в жёстких условиях длительной изоляции человека в ограниченных помещениях, практически без связи с окружающим миром. В это же время Парин убедительно показал, что такие исследования, несмотря на их важность для медицины в целом, не являются решающими для оценки степени психологической и физиологической готовности человека к полётам в космос. Более важной и неотложной задачей для космической медицины и психологии, говорил Парин, является изучение способности космонавтов к выполнению самой обширной программы разнообразных научных и инженерных исследований на орбите, способности к длительной сосредоточенной работе, к быстрому поиску и принятию правильного решения во всяких трудных ситуациях, которые возникают при такой многообразной работе. Напряжённые темпы научно-исследовательской и инженерной работы отдельных космонавтов, а тем более их коллективов на орбите сняли многие предполагаемые затруднения, связанные с предупреждением стрессовых ситуаций во время длительного пребывания людей в ограниченном пространстве космических кораблей и в условиях невесомости. На околоземных орбитах успешно работали многие космонавты, жизнь которых так или иначе оказалась связанной с Уралом. Сотый космонавт планеты В.П. Савиных – выпускник Пермского железнодорожного техникума, впоследствии инженер-геодезист и учёный-оптик провёл с бортов «Союза» и «Салюта» немало исследований, которые в полном смысле слова носили астрономический характер, внесли вполне определённый вклад в астрофизику и планетологию. К внеземным астрономическим наблюдениям причастны давнишние жители Урала космонавты В.И. Севастьянов и В.Г. Лазарев. Почётную миссию первого выхода человека в космическое пространство осуществил экипаж космического корабля «Восход-2», где командиром был П.И. Беляев из КаменскУральского. В эвакуации во время Великой Отечественной войны в зауральском городе Серове жил и работал преподавателем математики А.А. Штернфельд – соратник С.П. Королёва по московскому ГИРДу. Ещё до войны он выпустил фундаментальное исследование «Введение в космонавтику», в котором ввёл в научный оборот термины «космический аппарат», «скафандр», «перегрузка», «космонавтика». Традиции ракетостроения в нашем крае закладывались ещё в годы Великой Отечественной войны, когда на Урал были эвакуированы десятки предприятий и конструкторских организаций, создан и укреплён огромный научный и промышленный потенциал. Весной 1942 года на аэродроме Кольцово под Екатеринбургом состоялся первый полёт самолёта с ракетным двигателем. В первые послевоенные годы на Урале создано специальное конструкторское бюро по ракетам дальнего действия. Здесь с 1949 года начал работать К.П. Феоктистов, который вскоре стал одним из проектировщиков гагаринского «Востока», а потом и первым гражданским космонавтом планеты. На нескольких уральских заводах был налажен серийный выпуск ракет и двигателей к ним. Так Урал стал одним из ведущих регионов России по космонавтике. Освоение внеземного пространства поставило перед учёными и инженерами ряд совершенно новых задач по обеспечению безопасной жизнедеятельности как членов космических экипажей, так и населения Земли в целом. Потребовались самые глубокие знания о физической природе космических опасностей, о скрытых закономерностях их проявления. Поэтому во всём мире нарастает интенсивность запусков автоматических межпланетных станций для детальных исследований солнечной системы и окружающей 74


её Вселенной. Только путём систематического, очень тщательного изучения окружающего космоса можно сначала вычленить приоритеты обеспечения устойчивого развития Земли и человечества, а затем и добиться их действительной безопасности. У современных астрономов и планетологов уже не вызывает сомнений тот факт, что весь набор космических опасностей связан в основном с особенностями динамики небесных тел. Попытаемся прояснить некоторые общие закономерности динамики различных космических тел: планет, Солнца, малых тел солнечной системы, ближайших звёзд. А далее от понятых в общих чертах основных закономерностей перейдём к рассмотрению частных космических процессов, наиболее опасных для человечества. Рассмотрим таблицу 20, посвящённую оболочечному строению Солнца и планет солнечной системы. Моделирование оболочек крупных небесных тел весьма сложный вычислительный процесс. Какое бы небесное тело мы ни изучали, всегда оно состоит из концентрически расположенных оболочек. Это свидетельствует о длительной эволюции родоначальной космической материи, о плотностной дифференциации планетного или солнечного вещества. Одним из критериев скорости уплотнения и формирования внешних каменных оболочек космического тела является темп приливного торможения его вращения. Чем энергичней замедление вращения планеты, там активней процессы переформирования её внешних оболочек. Зная характер кривой замедления вращения Земли, можно с помощью несложных вычислений выяснить темпы торможения других планет солнечной системы и самого Солнца, а, следовательно, сопоставить между собой различные проявления активности вращающихся космических тел, понять их внутреннюю природу.

Список литературы Берри А. Краткая история астрономии. М.-Л.: ОГИЗ, 1946 История астрономии в России и в СССР. М.: Янус-К, 1999 Кириллов А., Зданович Д. Археастрономические исследования в степном Зауралье: укреплённые поселения «Страны городов» и их окрестности // Астрономия древних обществ. М.: Наука, 2002. С.158-161 Кертман Л.Е., Васильева Н.Е., Шустов С.Г. Первый на Урале. Пермь: Перм. кн. изд-во, 1987 Лёвшин Б.В. Советская наука в годы Великой Отечественной войны. М.: Наука, 1983 Паннекук А. История астрономии. М.: Наука, 1966 Перель Ю.Г. Выдающиеся русские астрономы. М.-Л.: ГИТТЛ, 1951 Пономарёв Д.Н. Астрономические обсерватории Советского Союза. М.: Наука, 1987 Результаты фундаментальных космических исследований в России. 1999-2001. Национальный доклад. М.: Наука, 2004 Ченакал В.Л. Очерки по истории русской астрономии. Л.-М.: Изд-во АН СССР, 1954

Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5.

Дайте характеристику основных этапов астрономических исследований на Урале. Какими путями современная наука пришла к пониманию рисков, связанных с космическими опасностями? Какие приёмы изучения опасной динамики космических тел вы относите к наиболее эффективным? Какие средства защиты от космических опасностей вам известны? Каков вклад медико-биологических наук в решение проблемы космической безопасности? 75


76


Практическая работа № 11. Общие закономерности динамики планет и Солнца Целью данной работы являются изучение физических и математических оснований теории активности космических тел, расчётное подтверждение рабочей гипотезы о том, что главные проявления активности планет и Солнца по существу однопричинны: они связаны с вековым уплотнением космических тел, замедляющих своё вращение в результате действия приливного трения. При этом в недрах всех космических тел постоянно накапливаются особого рода термические, тектонические и магнитные напряжения, которые в конечном счёте проявляют себя той или иной активностью на поверхности тела, в ионосфере или магнитосфере. Разница между уровнями и формами проявления активности планет и Солнца обусловлены размерами космических тел, наличием в недрах светила таких дополнительных источников энергии как ядерные реакции, развивающиеся по протон-протонному и углеродному циклам. При работе над первой частью данного учебного пособия студентами усвоен порядок и содержание расчёта главных характеристик Земли как небесного тела. Вычислены вековые изменения периода суточного вращения, плотности, радиуса, ускорения силы тяжести на поверхности планеты за всё время её существования (табл. 21а). Напомним некоторые методические основания подобных расчётов, чтобы перейти к решению следующих аналогичных задач динамики космических тел. Открытая Дж. Уэллсом новая геохронологическая шкала векового увеличения продолжительности земных суток позволила воспользоваться планетологическими расчётами К.Э. Циолковского, проведёнными в двадцатые годы ХХ века и опубликованными в четвёртом томе первого издания собрания его сочинений (1965). Учёный разработал сбалансированную во всех отношениях концепцию векового перераспределения момента количества движения от Солнца к планетам через посредство сил приливного трения. Это значит, что вычисленные в первом разделе данного пособия первоначальные плотность и угловая скорость вращения Земли могут быть приняты в качестве исходных известных величин при расчётах эволюции Солнца и каждой планеты солнечной системы также за весь период их существования. Задача. Выполните расчёты эволюции основных характеристик Луны, Марса, Солнца. Постройте графики, аналогичные показанным на табл. 21б,в,г. Вначале при рассмотрении получившихся астрофизических графических систем может показаться, что Солнце в сравнении с Землёй, да и другими планетами, держит безусловный приоритет по числу и масштабам космических опасностей и катастроф. Но не торопитесь с окончательными выводами. По существу и о Солнце, и о планетах наши знания пока ещё не являются исчерпывающими. Если в связи с этим очевидным фактом обратиться за советом к особо проницательным и дальновидным великим космическим поэтам, то у М. Ломоносова прочтём следующее видение Солнца: Когда бы смертным толь высоко Возможно было возлететь, Чтоб к солнцу бренно наше око Могло, приближившись, воззреть, Тогда б со всех открылся стран Горящий вечно океан. Там огненны валы стремятся И не находят берегов, Там вихри пламенны крутятся, Борющись множество веков, 77


78


Там камни, как вода, кипят. Горящи там дожди шумят. А у Николая Гумилёва: Земля, к чему шутить со мною: Одежды нищенские сбрось И стань, как ты и есть, звездою, Огнём пронизанной насквозь. Отнесёмся с должным учёным вниманием к этим провидческим строчкам. Ломоносов одевает пылающее Солнце в раскалённые каменные одежды, Гумилёв срывает с казалось бы полностью окаменевшей нашей планеты её «нищенские» литосферные оболочки, под которыми, по его мнению, скрыто подлинное «огнём пронизанное» звёздное вещество. Если воспринять премудрость названных великих поэтов по большому счёту, то, вероятно, вывод можно сделать такой: попытаться изучать Солнце по аналогии с Землёй, а Землю – по аналогии с Солнцем. Попробуем принять эту рекомендацию к сведению как одну из многих парадоксальных рабочих гипотез.

Список литературы Астрономия: век XXI / Ред.-сост. В.Г. Сурдин. – Фрязино: «Век-2», 2007 Баньковский Л.В. Опасные ситуации природного характера: Учеб.-методич. пособие: Ч. I. Соликамск: Изд-во СГПИ, 2006 Дёмин В.Г. Судьба солнечной системы. М.: Наука, 1975 Каттерфельд Г.Н. Лик Земли. М.: Географгиз, 1962 Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учеб. пособие. М.: Едиториал УРСС, 2004 Личков Б.Л. К основам современной теории Земли. Л.: Изд-во ЛГУ, 1965 Чечельницкий А.М. Экстремальность, устойчивость, резонансность в астродинамике и космонавтике (проблемы, методы, решения). М.: Машиностроение, 1980

Тема: Опасные излучения космоса: солнечная радиация Прежде чем приступить к изложению некоторых теоретических оснований новой, весьма сложной темы, проведём предварительный опрос. Попытаемся прояснить круг ваших исходных знаний по данной теме с помощью небольшого научного теста: «Опасные космические излучения: что это?» Выберите из предлагаемого списка определений, на ваш взгляд, наиболее точные, по возможности адекватные так или иначе понимаемой действительности. Предложите свои определения предмета нашего исследования. 1. Особая форма межзвёздного вещества, существенная часть материи Галактики 2. Загадочный и могучий феномен природы, одна из ключевых загадок современной физики и астрономии 3. Поток «космических карликов» – заряженных частиц высоких скоростей и поистине фантастических энергий 4. Поток «космических карликов» – заряженных частиц высоких скоростей и поистине фантастических энергий 5. Довольно своеобразный вид материи, свойства которой определяются в значительной мере огромными энергиями отдельных частиц и их бурными превращениями 79


6. Материя, в каком-то смысле стоящая на грани между веществом и лучами, точнее – между потоком частиц вещества и квантов поля 7. Релятивистский газ заряженных частиц с недостижимой для земных ускорителей энергией 8. Неиссякаемое разнообразие ядерных процессов 9. Один из «продуктов» бурь во Вселенной и в нашей Галактике 10. Разреженный газ, состоящий из частиц, редко взаимодействующих друг с другом 11. Инструмент изучения физических процессов на Солнце и в космическом пространстве 12. Участники эволюции земной биосферы и многих астрофизических процессов 13. Незаменимое средство исследования атомных ядер и хранящейся в них ядерной энергии Проверьте свои заключения по тесту, проанализировав некоторые теоретические медико-биологические сведения, изложенные в формах структурных схем в таблицах 2227.

Список литературы Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Биологические опасности космических полётов. М.: Машиностроение, 1977 Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности. М.: Астрель АСТ, Профиздат, 2006 Григорьев Ю.Г. Радиационная безопасность космических полётов: радиобиологические аспекты. М.: Атомиздат, 1975 Киммель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений: Справочник. М.: Атомиздат, 1966 Космическая биология и медицина: Совместное советско-америк. изд-е в 5 тт.: Т.IV. Здоровье, работоспособность, безопасность космических экипажей. М.: Наука, 2001 Краткий справочник по космической биологии и медицине. М.: Медицина, 1967 Основы космической биологии и медицины: Совместное советско-америк. изд-е в 3-х тт. М.: Наука. Т.1, 1975; Т.2, кн. 1,2, 1975; Т.3, 1975. Радиационные условия в космическом пространстве: Учеб. пособие. М.: Библион-Русская книга, 2006 Русак О.Н., Малаян К.Р., Занько Н.Г. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие. СПб: Лань; М.: Омега-Л, 2005 Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, 1982 Яковлев Н.Н. Живое и среда. Л.: Наука, 1986

80


81


82


83


84


85


86


Контрольные вопросы 1.

2.

3. 4. 5.

Пользуясь таблицей 23, дайте по возможности наиболее полную характеристику взаимодействия живого организма с различными диапазонами электромагнитного излучения Солнца. Каковы основные различия в воздействии всего спектра космических электромагнитных излучений на человека, находящегося на земной поверхности или в условиях высотного перелёта на пассажирском самолёте (или на околоземной орбите)? Назовите основные последствия лучевого поражения организма ионизирующими излучениями космической и иной природы. Охарактеризуйте принятые радиобиологами дозы ионизирующего излучения. С какими принципами устройства радиационных дозиметров вы знакомы? Практическая работа № 12. Незащищённый человек на открытом солнце

Определите наиболее сложную часть взаимоотношений своего организма при длительном нахождении на открытом солнце. Опираясь на данные таблиц 24 и 25, проведите самоконтроль и запись состояний незащищённой кожи и самочувствия во время вашего очередного длительного пребывания на прямых солнечных лучах в условиях пляжа, огорода, загородного отдыха. Постарайтесь не доводить этот эксперимент над собой до стадий фотоофтальмии и влажной десквамации, не говоря уже о возможном более значительном ущербе для вашего здоровья. Список литературы Барабой В.А. Солнечный луч. М.: Наука, 1976 Бардычев М.С., Цыб А.Ф. Местные лучевые повреждения. М.: Медицина, 1985 Радиационная медицина: Пособие для врачей и студентов. М.: Госатомиздат, 1963 Тёльдеши Ю., Кенда М. Радиация – угроза и надежда. М.: Мир, 1979 Усманов С.М. Радиация: Справочн. мат-лы. М.: Гуманит, изд. центр ВЛАДОС, 2001 Холл Э.Д. Радиация и жизнь. М.: Медицина, 1989

87


Тема: Опасные излучения космоса: галактические и солнечные космические лучи Для знакомства с теоретическими основами темы предлагается проанализировать текстовое и графическое содержание таблиц 9-14. Список литературы Астрофизика космических лучей. М.: Наука, 1990 Вильсон Д., Воутуйзен З. Физика элементарных частиц и космических лучей. М.: ИЛ, 1960 Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И. Происхождение космических лучей. М.: Изд-во АН СССР, 1963 Григоров Н.Л., Кондратьева М.А., Рапопорт И.Д. Космические лучи: Практикум по ядерной физике. В. 2. М.: ГИФМЛ, 1962 Добротин Н.А. Космические лучи. М.: Изд-во АНСССР, 1963 Дорман И.В. Космические лучи, ускорители и новые частицы. М.: Наука, 1989 Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975 Дорман Л.И., Мирошниченко Л.И. Солнечные космические лучи. М.: Наука, 1968 Жданов Г.Б. Частицы высоких энергий. М.: Наука, 1965 Зусманович А.Г. Галактические космические лучи в межпланетном пространстве. Алма-Ата: Наука, 1986 Космические лучи и изотопная экология. Л.: Изд-во ФТИ, 1988 Космические лучи и солнечный ветер. Новосибирск: Наука, 1981 Космическое излучение предельно высокой энергии. Новосибирск: Наука, 1991 Лаврухина А.К., Устинова Г.К. Метеориты – зонды вариаций космических лучей. М.: Наука,1990 Мирошниченко Л.И. Космические лучи в межпланетном пространстве. М.: Наука, 1973 Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.: Изд-во МГУ, 1988 Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Космические лучи и их взаимодействие. М.: Атомиздат, 1968 Панасюк М.И. Странники Вселенной или Эхо Большого взрыва. Фрязино: «Век-2», 2005 Росси Б., Грейзен К. Взаимодействие космических лучей с веществом. М.: ИЛ, 1948 Сокуров В.Ф. Физика космических лучей: космическая радиация. Ростов н/Д: Феникс, 2005 Хаякова С. Физика космических лучей. I. Ядерно-физический аспект. М.: Мир, 1973 Хаякова С. Физика космических лучей. II. Астрофизический аспект. М.: Мир, 1974

88


89


90


91


92


93


94


Контрольные вопросы 1. Где зарождаются космические лучи и как они приобретают такую громадную энергию? 2. Какие астрофизические объекты ответственны за генерацию космических лучей; где они расположены: в нашей Галактике или за её пределами? 3. Из чего состоят космические лучи? 4. Как химический состав космических лучей соотносится с составом звёзд во Вселенной, с составом Солнца? 5. Как сформировался состав космических лучей? 6. Какова максимальная энергия частиц, генерируемых на Солнце во время мощных солнечных событий? 7. Как солнечные космические лучи ведут себя в магнитном поле Земли?

Практическая работа № 13. Наблюдения за космическими лучами на фоне ночного неба. Изучение последствий возможного редчайшего воздействия особо тяжёлых космических ядер на ваш организм. Лабораторные исследования космических лучей студентами Московского государственного университета Более двух десятков лет тому назад московские дети и их руководители, увлекающиеся астрономией и космонавтикой в Московском городском дворце пионеров и школьников, впервые обратили внимание на возможность непосредственного изучения космических лучей невооружённым глазом. Во время летних экспедиций они начали наблюдать на ночном небе слабые вспышки, возникающие при встрече высокоэнергичных космических частиц с атомными ядрами газов воздуха. Первичные заряженные частицы с энергией больше 1013 эВ образуют в воздухе так называемые широкие атмосферные ливни, состоящие из вторичных частиц. В журналах наблюдений записываются звёздные величины вспышек, формы и ориентации вспышечных областей размерами в несколько квадратных градусов. Наносятся положения вспышек на карту звёздного неба. Выявлены основные формы вспышек: круг, кольцо, эллипс, конус, струя, фронт. При проведении наблюдений одновременно в нескольких пунктах можно делать заключения о пространственном положении и структуре широких атмосферных ливней. В пятидесятые годы прошлого столетия с помощью высотных ракет были проведены эксперименты по оценке степени воздействия особо тяжёлых космических частиц сверхвысокой энергии на кожу человека. Тяжёлые космические ядра регистрируются на Земле в ничтожном количестве, но при пролёте через живые ткани они поражают клетки очень сильной местной ионизацией. На высотной геофизической ракете учёные подняли на границу земной атмосферы небольшой кусок человеческой кожи, обеспечив её жизнеспособность. После прямого космического экспонирования кожа была возвращена на Землю и вновь пришита к «родительскому» месту. Примерно чере�� восемь месяцев на приживлённом лоскутке кожи проявились небольшие пятнышки коричневого «загара». Это произошло в местах ударов тяжёлых ядер космических лучей. Эти пятнышки очень напоминают всем известные родинки. Так возникло предположение, что родинки человека – это следы пролёта через его организм редчайших в природе особо тяжёлых космических ядер. Если это так, то ещё одной частью практической работы по космическим лучам может быть «инвентаризация» своих собственных родинок, установление числа их пар, соответствующих пролётам тяжёлых космических ядер через ваш организм. В Московском госуниверситете создана установка, регистрирующая космические лучи для оценки их энергии на студенческих лабораторных занятиях. Схема этой 95


установки (приведена на таблице 31.9) не слишком сложна и это устройство может быть изготовлено самими студентами.

Список литературы Архангельский С.П. Лечение кожных болезней. Л.: Медицина, 1971 Григоров Н.Л., Кондратьева М.А., Рапопорт И.Д. Космические лучи: Практикум по ядерной физике. В.2. М.: ГИФМЛ, 1962 Жданов Г., Тиндо И. Лаборатории в космосе. М.: Мол. гвардия, 1959 Иванов А.В., Алексанян Г.Г., Петров А.А. Визуальные наблюдения широких атмосферных ливней // Земля и Вселенная, 1987, № 4, с. 65-67 Штейнлухт Л.А., Зверькова Ф.А. Болезни кожи детей грудного возраста. М.: Медицина, 1979

Тема: Магнитные и гравитационные поля и бури во Вселенной и в человеке Для теоретического «вхождения» в тему исследования предлагается проанализировать содержание таблиц 34-39. Вопрос о внутренней природе и моделировании магнитных и гравитационных стихий – один из самых сложных в науках о противостоянии человека природным бедствиям и катастрофам. Все знают примеры воздействия магнитных и гравитационных, сейсмических бурь на природу Земли и человека, но глубинный механизм их действия до сих пор окончательно не проявлен, способы их предсказания и результативного противодействия этим стихиям пока не очень надёжны. Ещё в XVI веке, изучая магнитные свойства собственноручно изготовленного намагниченного шара, английский физик У. Гильберт пришёл к выводу, что эти обнаруженные свойства соответствуют магнитным свойствам Земли, то есть наша планета является большим магнитом. Учёный первым ввёл понятие магнитного поля как сферы действия намагниченного тела. Если Гильберт проводил свои эксперименты с маленьким шаром, выточенным из магнетита, то норвежский физик К. Биркеланд изготовил тереллу из сферического электромагнита и поместил её в большую вакуумную камеру, чтобы смоделировать условия космоса. Облучаемая потоками электронов, фосфоресцирующая поверхность шара расцвечивалась спиралями вокруг магнитных полюсов. Можно было видеть процессы огибания электронами модели Земли, перемещения частиц от полюса к полюсу. Впоследствии эти опыты были повторены и другими учёными с применением более совершенной техники. Соотечественник Биркеланда К. Штермер вычислил круговые орбиты заряженных частиц в плоскости магнитного экватора. Открытый таким образом кольцевой ток был принят за основную причину магнитных бурь в посвящённой им научной теории Биркеланда-Штермера. Тщательные исследования особенностей магнитного поля Земли помогли расшифровать главные черты магнитосферы Солнца. Солнечное магнитное поле образовано двумя главными составляющими: полоидальной (вдоль меридиана светила) и тороидальной (вдоль параллелей). Далее мы ещё приостановимся на анализе этой особенности Солнца. В обилии интересных научных фактов по данной теме вы можете убедиться, заглянув хотя бы в некоторые немногие книги, перечисленные в прилагаемом списке литературы.

96


97


98


99


100


101


102


Если Гильберт проводил свои эксперименты с маленьким шаром, выточенным из магнетита, то норвежский физик К. Биркеланд изготовил Внимательно ознакомившись с приведёнными в пособии сведениями, выскажите своё понимание магнитных и гравитационных стихий, дайте их природе своё толкование. В начале обмена мыслями по существу гравитации предлагается познакомиться с таким суждением о её природе. Так почему падает яблоко? Пожалуй, нет другой такой ощутимой и в то же время непонятной загадки природы, как само существование всемирного тяготения. Чтобы понять, что значит оно для человека, нужно представить себе безжизненный мир Луны. Сила тяжести, всего лишь в шесть раз меньшая земной, не в состоянии удержать на планете ни атмосферы, ни воды океана. По словам Эйнштейна, тайна тяготения – одна из проблем, к которым надолго привязано «табу». В своё время, излагая «систему мира», П. Лаплас записал, что познание сил притяжения «служит главной целью исследования природы». Намного опережая своё время, английский физик М. Фарадей искал связь между тяготением и электричеством. Подобными исследованиями занимаются, кстати, и современные учёные. Десятки оригинальных экспериментов отделяют самые «первобытные» взгляды на тяжесть, как на «естественное стремление» тел занять самое низкое к Земле положение, и современные представления о «гравитации», как «кривизне пространства», «тёмной материи». Может быть, гравитация – это потоки неведомых частиц-гравитонов, всепроникающих подобно нейтрино? А может быть, скоро удастся обнаружить волны тяготения, излучаемые «падающими одна на другую» звёздами? За краешек великой тайны впервые заглянул Ньютон. И яблоко в ньютоновском саду было здесь не при чём. Учёному помогли… звёзды, а точнее открытые астрономом Кеплером эллиптические формы планетных орбит. Математически описав законы движения тел, Ньютон тем самым нашёл удивительную связь между механическим движением и механической силой. Вот почему не Гук, не Галилей, а именно Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Ведь первая в мире формула гравитации есть самое простое математическое отражение движений планет по эллипсам вокруг Солнца. И всё же в том, что этот закон не называется «четвёртым законом Ньютона», есть веская причина. Ньютоновская механика убедительно объясняет лишь динамику систем, движущихся прямолинейно и равномерно. Учёный ограничил круг своей механики законами для инерциальных систем и большего по тем временам сделать не мог: «Открытие истинных законов тяжести должно предоставить будущему поколению». Наши современники называют эйнштейновский вклад в науку вновь открытым континентом научных идей. Эйнштейн первым понял, что ускоренно движущиеся системы имеют самое непосредственное отношение к теории тяготения. Этот учёный сам вооружал себя уникальной методикой научного исследования, позволяющей освободиться от груза научного предубеждения, обрести свободу в мире новых физических представлений и, в конечном счёте, открыть неизвестные закономерности Вселенной. Вслед за созданием специальной теории относительности Эйнштейн обобщил законы Ньютона на ускоренные движения, иначе говоря, – распространил принципы новой теории на неинерциальные системы. В итоге изнурительной внутренней борьбы с инерциальной системой Ньютона великий физик создал новое оружие – принцип эквивалентности. Представим себе утомлённого сборами пассажира, собравшегося в обычный межпланетный рейс и уснувшего в своём кресле ещё перед стартом ракеты с Земли. Путешественник проснулся у закрытого иллюминатора в то время, когда космический корабль ложился на межпланетный курс с орбиты спутника Земли. Если корабль выходит при этом из состояния невесомости с ускорением, равным земному, то пассажир не сможет понять, какая же сила вдавила его в кресло. Или ракета всё ещё стоит на Земле, и 103


эта сила – самое обычное земное тяготение, или это ускорение при разгоне ракеты к другой планете. Итак, тяготение совершенно равнозначно ускорению. Ньютону эта связь казалась случайным совпадением. У Эйнштейна же равенство гравитационной (тяжёлой) и инертной масс стало принципом, основой теории тяготения. Воспользовавшись принципами относительности и эквивалентности, Эйнштейн заменил тяготение ускоренной системой отсчёта и получил свои известные «мировые уравнения», то есть формулы, описывающие Вселенную. Однако полвека назад дать полное объяснение теории в физических понятиях оказалось невозможным. Фактический материал наук того времени не поддавался систематизации, соединительные звенья теории бели ещё неизвестны. Но в мире – едином, целом мире – действуют всеобъемлющие принципы. Это философское убеждение привело Эйнштейна к мысли о том, что в тайны природы тяготения можно проникнуть только через геометрию, а именно через неэвклидову геометрию! Так гравитация была отождествлена с искривлением пространства-времени. Но геометрическая интерпретация тяготения не является единственной. Внешне почти незаметный груз устаревших воззрений и неправильно понятых фактов сильно притормозил развитие гравитационной теории. Мысль Лапласа о подобии звёздных движений хаотическим движениям молекул газа была принята Эйнштейном и дожила до нашего времени. Наверное, поэтому в ньютоновской механике и в общей теории относительности осевое вращение небесных тел во всех основных расчётах просто не принималось во внимание. Это и неудивительно: учёные трёх последних веков хорошо знали о вращении Солнца и планет, а вращение звёзд было открыто спустя год после открытия Эйнштейном принципа эквивалентности и изучено спустя ещё двадцать лет. И только в последние полвека прояснилась важнейшая особенность эволюции небесных тел – вековое замедление осевого вращения из-за приливного трения. Именно здесь и необходим принцип эквивалентности Эйнштейна. Замедление вращения небесных тел и есть ускорение силы тяжести на поверхности планет и звёзд. Сферическая симметрия гравитационного поля Земли подтверждает этот вывод.

Список литературы по магнетизму Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971 Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Ч. I, II. М.: Мир, 1974, 1975 Белов К.П., Бочкарёв Н.Г. Магнетизм на Земле и в космосе. М.: Наука, 1983 Бинги В.Н. Магнитобиология. М.: ИММЕДИС, 2002 Бочкарёв Н.Г. Магнитные поля в космосе. М.: Наука, ГРФМЛ, 1985 Васильев Н.В., Богинич Л.Ф. Влияние магнитных полей на процессы инфекции и иммунитета. Томск, 1973 Владимирский Б.М., Нарманский В.Я., Темурьянц Н.А. Космические ритмы: в магнитосфере-ионосфере, в атмосфере, в среде обитания; в биосфере-ноосфере, в земной коре. Симферополь, 1994 Владимирский Б.М. Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли. М.: Наука, 1971 Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли. М.: Наука, 1971 Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните-Земле. М.: Изд-во АН СССР, 1956 Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974 Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности (справочное пособие). М.: Гидрометеоиздат, 1977; 2-е изд. – М.: Изд-во ЛКИ, 2007 Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2003 Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М.: Наука, 1982 104


Казимировский Э.С. Планета в космической плазме. Л.: Гидрометеоиздат, 1990 Киренский Л.В. Магнетизм. М.: Наука, 1967 Коваленко А.П. Приключения путеводной стрелки. М.: Мысль, 1991 Копылов И.П. Космическая электромеханика. М.: Высш. школа, 2005 Красовский В.И. Штили и штормы в верхней атмосфере. М.: Наука, 1971 Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. Неведомый пульс Земли. М.: Вече, 2005 Мизун Ю.Г., Мизун П.Г. Космос и здоровье. М.: Знание, 1984 Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981 Николаев Ю.С., Рудаков Я.Я., Мансуров С.М., Мансурова Л.Г. Секторная структура межпланетного магнитного поля и нарушения деятельности центральной нервной системы. М.: Медицина, 1976 Паркер Е. Космические магнитные поля. ТТ. 1,2. М.: Мир, 1982 Почтарёв В.И. Земля – большой магнит. Л.: Гидрометеоиздат, 1974 Почтарёв В.И., Михлин Б.З. Тайна намагниченной Земли. М.: Педагогика, 1986 Солнечная и солнечно-земная физика: Иллюстрированный словарь терминов. М.:Мир, 1980 Соловьёва В.А. Магнитные бури и ваше здоровье. М.: Аст; СПб: Астрель-СПб, 2007 Справочник по переменному магнитному полю Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1954 Физика магнитосферы. М.: Мир, 1972 Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976 Электромагнитные поля в биосфере. ТТ. 1,2. М.: Наука, 1984 Ягодинский В.Н. Космический пульс биосферы. М.: Знание, 1975 Ягодинский В.Н. Нами правит Космос. М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2003 Яновский Б.М. Земной магнетизм. Ч. I. Л.: Изд-во ЛГУ, 1964

Список литературы по гравитации Апанович И.А. Гравитация. Прошлое, настоящее и будущее вечно движущегося мира. Красноярск, 2006 Асипова К.В. Есть ли тяготение закон? Сергиев Посад: «Весь Сергиев Посад», 2005 Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. М.: Энергоатомиздат, 1990 Бергман П. Загадка гравитации. М.: Наука, 1969 Бонди Г. Относительность и здравый смысл. М.: Мир, 1967 Васильев М.В., Климонтович Н.Ю., Станюкович К.П. Сила, что движет мирами. М.: Атомиздат, 1978 Вейнберг С. Гравитация и космология. Волгоград: Платон, 2000 Бесс Ю., Бессер Дж. Суперсимметрия и супергравитация. Новокузнецк: ФМИ, 1998 Гарднер М. Теория относительности для миллионов. М.: Атомиздат, 1967 Григорьев В.И., Мякишев Г.Н. Силы в природе. М.: Наука, 1978 Грушинский Н.П., Грушинский А.Н. В мире сил тяготения. М.: Недра, 1985 Гулиа Н.В. Инерция. М.: Наука, 1982 Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Общая теория относительности в физической картине мира. М.: Знание, 1970 Денисов В.И., Логунов А.А. Новая теория пространства, времени и гравитации. М.: Издво АН СССР, 1981 Дикке Р. Гравитация и Вселенная. М.: Мир, 1972 Дирак П.А.М. Общая теория относительности. М.: Атомиздат, 1978 Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. М.: Мир, 1981 Курганов В. Введение в теорию относительности. М.: Мир, 1968 Кузнецов Б.Г. Беседы по теории относительности. М.: Изд-во АН СССР, 1963 Ландау Л.Д., Румер Ю.Б. Что такое теория относительности. М.: Сов. Россия, 1963 Либшер Д.-Э. Теория относительности с циркулем и линейкой. М.: Мир, 1980 105


Лилли С. Теория относительности для всех. М.: Мир, 1984 Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высш. школа, 1976 Нарликар Дж. Гравитация без формул. М.: Мир, 1985 Подольный Р.Г. Чем мир держится? М.: Знание, 1978 Подольный Р.Г. Чертёж мироздания. М.: Моск. рабочий, 1987 Смородинский Я.А. Тяготение. М.: Знание, 1975 Федорин Е.Д. Силы в природе: характер и действие. М.: Новый Центр, 2006 Франкфурт У.И. Очерки по специальной теории относительности. М.: Изд-во АН СССР, 1961 Шмутцер Э. Теория относительности – современное представление. М.: Мир, 1981

Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Каковы причины возникновения на крупных небесных телах тороидального и полоидального магнитных полей? Каковы методики изучения магнитных полей в космосе? Расскажите о причинах возникновения магнитных бурь в космосе и на Земле. По каким механизмам развиваются магнитные бури? Каковы отрицательные последствия магнитных бурь? Как прогнозируются магнитные бури? Как развивается международное сотрудничество при изучении магнетизма на Земле и в космосе? Каковы этапы изучения на Земле сил гравитации? Какова роль приливообразующих сил в истории Земли, других планет и Солнца? Каковы природа и механизм сейсмических явлений на планетах и звёздах? Каковы современные достижения гелиосейсмологии? Какова методика гелиосейсмологических исследований Гравитационные волны – что это?

Практическая работа № 14. Задача Эйнштейна Цель работы: исследование поведения фундаментальных сил природы с помощью внешне как будто бы несложных экспериментов и наблюдений. В середине двадцатых годов прошлого столетия Эйнштейн «покинул» практическую физику. До конца жизни он работал почти один в мире общих идей математики и философии. До последних дней пытался усовершенствовать теорию тяготения, анализировал по этому поводу множество природных явлений, в основе которых так или иначе, явно или скрытно, но основным «действующим лицом» всегда проступала гравитация. Учёный обратил внимание даже на такой повседневный житейский факт, как помешивание ложечкой сахара в стакане с чаем. Призадумался Эйнштейн над поведением чаинок и опубликовал в одном из научных журналов очень незаурядную задачу. В переводе с оригинала она формулируется так: «Возьмём наполненный чаем сосуд с плоским дном. На дне сосуда должно находиться несколько крупных чаинок, прочно удерживающихся у дна вследствие того, что их вес больше веса вытесненной ими жидкости. Начнём вращать ложечкой жидкость, и чаинки тотчас же соберутся в центре дна чашки». Почему? Какова причина данного явления? На первый взгляд всё в этой задачке так просто-естественно и в то же время более чем загадочно и замысловато. Выдающийся российский математик академик М.А. Лаврентьев как-то заметил, что подробное и полноценное количественное решение этой задачи может быть основой исследования в кандидатской диссертации. 106


Попробуйте и вы решить эту задачу хотя бы не на количественном, а на качественном уровне. Для более глубокого понимания существа задачи некоторые исследователи предлагают воспользоваться в этом нехитром эксперименте не только стаканом и чайной ложечкой, но и целой кастрюлей, установленной на вращающийся диск проигрывателя, который может вращаться в режимах ускорения и замедления. Оформление результатов практической работы: составьте краткий отчёт о проведённом эксперименте. Изложите свои собственные суждения о явлениях, наблюдавшихся в ходе эксперимента. Ещё одна «попутная» задача. Не только на крутых, но и на очень пологих склонах Тянь-Шаня известны валуны-путешественники, которые иногда называют «странствующими», «блуждающими», «бороздящими», «пашущими», «валунамибульдозерами». Вёснами льдистый грунт под такими валунами становится настолько киселеобразным, что валуны скользят вниз по склонам, сминая перед собой в валик дерновый покров. По путям движения валунов остаются ложбины длиной до трёх десятков метров. А вот в Северной Америке валуны скользят по идеально горизонтальной поверхности дна высохшего солёного озера. Здесь зарегистрированы ложбины длиной до километра, ложбины изогнутые и даже петляющие. Каким образом столь тяжёлые камни преодолевают столь немалые расстояния по столь сложным траекториям?

Список литературы Гернек Ф. Альберт Эйнштейн. М.: Мир, 1984 Лаврентьев М.А. О некоторых загадках природы // Наука и жизнь, 1965, № 7 Ланцош К. Альберт Эйнштейн и строение космоса. М.: Наука, 1967 Львов В.Е. Эйнштейн. М.: Мол. гвардия, 1959 Френкель В.Я., Явелов Б.Е. Э��нштейн изобретения и эксперимент. М.: Наука, 1990 Хофман Б. Альберт Эйнштейн – творец и бунтарь. М.: Прогресс, 1983 Эйнштейн и философские проблемы физики ХХ века. М.: Наука, 1979

Тема: Кометные опасности Краткая история исследования комет, различные способы их изображения, фотографирования, изучение структуры, состава, кометных орбит наземными и внеземными средствами приведены в таблицах 40-51.

Список литературы Активные процессы в кометах. Киев: Наукова думка, 1967 Баранов В.В. Газодинамическое взаимодействие кометных атмосфер с солнечным ветром // Соросовский образовательный журнал, 1997, № 1, с. 65-72 Беляев Н.А., Чурюмов К.И. Комета Галлея и её наблюдение. М.: Наука, 1984 Всехсвятский С.К. Кометы в солнечной системе. М.: Знание, 1974 Всехсвятский С.К. Природа и происхождение комет и метеорного вещества. М.: Просвещение, 1967 Всехсвятский С.К. Физические характеристики комет. М.: ФМГ, 1958 Гетман В.С. Внуки Солнца: Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989 Глазенап С.П.Кометы. СПб., 1910 Давыдов В.Д. Загадки кометных ядер. М.: Знание, 1988 Добровольский О.В. Кометы. М.: Наука, 1966 Исследования комет по программе МГСС. Киев: Наукова думка, 1964 107


Колдер Н. Комета надвигается. М.: Мир, 1984 Кометы и происхождение жизни. М.: Мир, 1984 Левин Б.Ю., Симоненко А.Н. Комета Галлея. М.: Знание, 1984 Марочник Л.С. Свидание с кометой. М.: Наука, 1985 Марочник Л.С. Экспедиция к комете Галлея. М.: Знание, 1987 Орлов С.В. Природа комет. М.-Л.: Гостехиздат, 1944 Поннамперуна С. (ред.) Кометы и происхождение жизни. М.: Мир, 1984 Структура и эволюция космических объектов. Алма-Ата: Наука, 1987 Телевизионная съёмка кометы Галлея. М.: Наука, 1989 Томита К. Беседы о кометах. М.: Знание, 1982 Уипл Ф.Л. Природа комет: Кометы и происхождение жизни. М.: Мир, 1984 Чурюмов К.И. Кометы и их наблюдение. М.: Наука, 1980 Шульман Л.М. Динамика кометных атмосфер. Киев: Наукова думка, 1972 Шульман Л.М. Ядра комет. М.: Наука, 1987

108


109


110


111


112


113


114


115


116


117


118


119


120


Контрольные вопросы Каков механизм газообразования в кометах? Каковы причины ионизации молекул в кометах? Каково происхождение комет? Каково механическое и химическое устройство комет? Расскажите об особенностях классификации комет. Какова связь комет с метеорным веществом и астероидами? Каковы причины вспышек в ядрах комет? Каковы причины своеобразия кометных форм? Какую опасность несут с собой кометы? Практическая работа № 15. Ситуационная задача – выяснить причины Тунгусской катастрофы 1908 г. Цель работы: освоение методологии сложных научных разработок, связанных с составлением панорамы версий о природе феномена, критическим анализом основных подходов к изучению феномена и результатов промежуточных исследований. Ход работы: а) изучение спектра альтернативных гипотез о феномене; б) концентрация и систематизация представительных материалов о феномене; в) попытки самостоятельной реконструкции и интерпретации явления; г) участие в полемике по поводу итогов практической работы группы. Оформление результатов: написание отчёта о практической работе. Содержание отчёта: а) описание хода личного исследования проблемы; б) формулировка оснований для конечной самостоятельной интерпретации природы феномена; в) формулировка заключения; г) особенности личного участия в общей полемике.

Список литературы Бронштэн В.А. Тунгусский метеорит: история исследований. М.: Изд-ль Сельянов, 2000 Васильев Н.В. Тунгусский метеорит: космический феномен лета 1908 г. – М., Русская панорама, 2004 Войцеховский А.И. Тунгусский метеорит и загадки кометы Галлея. М.: Вече, 2001 Войцеховский А.И. Тунгусский метеорит: 100 лет великой загадке. – М.: Вече, 2008 Войцеховский А.И. Что это было? Тайна Подкаменной Тунгуски. М.: Знание, 1991 121


Вронский Б. Тропой Кулика. М.: Мысль, 1977 Катастрофические воздействия космических тел. – М.: Академ книга, 2005 Кринов Е.Л. Тунгусский метеорит. М.: Изд-во АН СССР, 1949 Ромейко В.А., Тунгусский метеорит: поиски и находки. – М.: МИОО, 2004 Смирнов О.Г. Космические и земные катастрофы. – М.: Компания Спутник+, 2007 100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее: Тезисы докладов междунар. конф. 26-28 июня 2008. Москва. – М.: ИДГ РАН, 2008 Феномен Тунгуски: многоаспектность проблемы. – Новосибирск, Агрос, 2008 Спектр гипотез I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII.

Болидные Метеоритные Кометные Геолого-геофизические Электрические Техногенные Космические Синтетические и т.д.

Некоторые этапы реконструкции и интерпретации явления 1. Оценка высоты взрыва и эксплозивных структур 2. Выяснение особенностей рассеивания материала Тунгусского космического тела (ТКТ) 3. Оценка плотности и скорости ТКТ, его вещественного состава Характеристика траектории ТКТ 4. 5. Объяснение особенностей вывала леса на месте катастрофы 6. Выяснение особенностей рассеивания материала ТКТ и т.д.

Тема: Метеоритные и метеорные опасности В таблицах 52-69 содержится краткая информация о классификации минералов и метеоритов, сведения о петрохимическом составе и микроструктуре метеоритов, данные о падении метеоритов на Урале. Кроме того, кратко изложены материалы о космической пыли и микрометеоритах, о метеорных потоках и системах их наблюдений.

Список литературы Астапович И.С. Метеоритные явления в атмосфере Земли. М.: ГИФМЛ, 1958 Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдения. М.: Наука, 1987 Бредихин Ф.А. Этюды о метеорах. М.: Изд-во АН СССР, 1954 Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеороиды. М.: Наука, 1987 Войткевич Г.В. Химическая эволюция солнечной системы. М.: Наука, 1979 Волощук Ю.И., Кащеев Б.Л., Кручиненко В.Г. Метеоры и метеорное вещество. Киев: Наукова думка, 1989 Воробьёв Г.Г. Что вы знаете о тектитах? М.: Наука, 1966 Гетман В.С. Метеоры и метеориты. М.: Знание, 1984 Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989 122


Додд Р.Т. Метеориты. Петрология и геохимия. М.: Мир, 1986 Еремеева А.И. Рождение научной метеоритики. М.: Наука, 1982 Еремеева А.И. История метеоритики: Истоки. Рождение. Становление. Дубна: Феникс+, 2006 Заварицкий А.Н., Кваша Л.Г. Метеориты СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1952 Кащеев Б.Л., Лебединец В.И., Лагутин М.Ф. Метеорные явления в атмосфере Земли. М.: Наука, 1967 Кринов Е.Л. Вестники Вселенной. М.: Географгиз, 1963 Кринов Е.Л. Железный дождь. М.: Наука, 1981 Кринов Е.Л. Метеориты. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1948 Кринов Е.Л. Основы метеоритики. М.: ГИТТЛ, 1955 Кузнецова Л.И. Вестники Вселенной. М.: Знание, 1980 Лебединец В.И. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль. Л.: Гидрометеоиздат, 1981 Левин Б.Ю. Физическая теория метеоров и метеорное вещество в солнечной системе. М.: Изд-во АН СССР, 1956 Ловелл Б. Метеорная астрономия. М.: Физматгиз, 1958 Мак Кинли Д. Методы метеорной астрономии. М.: Мир, 1964 Метеоритные структуры на поверхности планет. М.: Наука, 1979 Метеорные явления в атмосфере Земли. М.: Физматгиз, 1958 Мэйсон Б. Метеориты. М.: Мир, 1965 Святский Д.О. Астрономические явления в русских летописях. Пг., 1915 Симоненко А.Н. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука, 1979 Тектиты. М.: Мир, 1966 Угроза неба: рок или случайность? Под ред. А.А. Боярчука. М.: Космосинформ, 1999 Федынский В.В. Метеоры. М.: Гостехиздат, 1956 Фесенков В.Г. Метеориты и метеорное вещество. М.: Наука, 1978 Чирвинский П.Н. Палласиты. М.: Недра, 1967

Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Каким образом учёные устанавливают лунное или марсианское происхождение метеоритов? Почему метеориты называют зондами солнечной системы? Какова природа и эволюция метеорных потоков? Как образуются метеоритные кратеры? Каковы метеорная и метеоритная опасности на околоземных орбитах? Каков ущерб космическим аппаратам от микрометеоритов? Какими способами собираются и изучаются на Земле космические пылинки? Как устроена информационно-измерительная система для метеоров и метеорного вещества? Как движутся и дробятся метеориты в атмосфере Земли? 123


124


125


126


127


128


129


130


131


132


133


134


135


136


137


138


139


140


141


Практическая работа № 16. Ситуационная задача – дать минералогическую и петрохимическую характеристику метеоритам, выпавшим на Урале Список литературы Баньковский Л.В. Оханский метеорит // Памятники природы Пермской области. Пермь: Перм. кн. изд-во, 1983. С. 65-68 Дьяконова М.И., Харитонова В.Я., Явнель А.А. Химический состав метеоритов. М.: Наука, 1979 Заварицкий А.Н., Кваша Л.Г. Метеориты СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1952 Кузнецова Л.И. Вестники Вселенной. М.: Знание, 1980 Тетаев М. Метеорит Стерлитамак: год спустя // Наука Урала, 1991, № 25 (525), июль. С. 2 Тютюникова Л. «Пришельцы» из космоса // Березники вечерние, 2007, № 10 (731), 14 марта Хотинок Р. О наблюдении ярких болидов и поиске метеоритов // Наука и жизнь. 1998, № 1. С. 47-49 Чирвинский П.Н. Палласиты. М.: Недра, 1967

Тема: Астероидные опасности В таблицах 70-78 приведена сжатая информация о классификации астероидов, возможном их составе и свойствах, об изучении астероидов с помощью автоматических межпланетных станций. Даны некоторые сведения о генетическом единстве астероидов и метеоритов. Названы несколько ныне известных наиболее опасных астероидов, орбиты которых пролегают в относительной близости к Земле. Охарактеризована принятая среди современных учёных шкала астероидной опасности.

Список литературы Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. М.: Наука, 1977 Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989 Дёмин В.Г. Судьба Солнечной системы. М.: Наука, 1975 Дёмин В.Г., Журавлёв С.Г. Астероиды: происхождение, статистика и эволюция // Итоги науки и техники. Сер. Астрономия. 1979.- 15. Малые планеты. М.: Наука, 1973 Приливы и резонансы в Солнечной системе. М.: Наука, 1975 Путилин И.И. Малые планеты. М.: Гостехиздат, 1953 Рябов Ю.А. Движение небесных тел. М.: Физматгиз, 1962 Симоненко А.Н. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука, 1979 Симоненко А.Н. Астероиды, или тернистые пути исследований. М.: Наука, 1985 Современные проблемы небесной механики и астродинамики. М.: Наука, 1973 Чеботарёв Г.А., Шор В.А. Структура пояса астероидов: Труды Института теоретическ. астрономии: В. 15. Л.: Наука, 1976 Чечельницкий А.М. Экстремальность, устойчивость, резонансность в астродинамике и космонавтике. М.: Машиностроение, 1980

Контрольные вопросы 1. 2.

Что такое резонансность в мире больших и малых планет? Что такое люки Керквуда, как они образуются? 142


3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Какие новые сведения об астероидах получены с помощью автоматических межпланетных станций? Какими космическими силами формируется рельеф астероидов? Как оценивается на Земле астероидная опасность? Астероиды и астроблемы: какая связь между ними? Есть ли спутники у астероидов? Какие общие особенности связывают между собой астероиды и метеориты? Какие способы защиты разработаны учёными для предотвращения падения астероидов на Землю? Какие технические устройства и их системы способны вести мониторинг астероидной опасности?

Практическая работа № 17. Ситуационная задача – провести исследование генетической связи между кометами, астероидами и метеоритами Цель, ход работы, оформление результатов, содержание отчёта аналогичны таковым в практических работах №№ 15,16.

Список литературы Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеороиды. М.: Наука, 1987 Воронцов-Вельяминов Б.А. Лаплас. М.: Наука, 1985 Всехсвятский С.К. Природа и происхождение комет и метеорного вещества. М.: Просвещение, 1967 Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды, кометы, метеорные тела. М.: Наука, 1989 Левин Б.Ю. Физическая теория метеоров и метеорное вещество в солнечной системе. М.: Изд-во АН СССР, 1956 Симоненко А.Н. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука, 1979 Фесенков В.Г. Метеориты и метеорное вещество. М.: Наука, 1978

143


144


145


146


147


148


149


150


151


152


Тема: Опасности Активного Солнца В предшествующих разделах пособия мы охарактеризовали целый ряд космических опасностей, некоторые научные методы их изучения и способы противостояния им. Автор упомянул о содержании некоторых приёмов исследования опасных явлений, в основном тех, которые доступны современному студенчеству, не ориентированному специально на астрофизику и космонавтику. В заключительном разделе данного пособия приведём полученные знания в систему. Главным её «действующим лицом», конечно же, выступает Солнце. Именно к нему сходятся все «ниточки» исследований по опасности космоса. Одна из задач этого раздела пособия – приобрести определённый системный взгляд на наше светило, необходимый в том числе и для того, чтобы ещё раз самостоятельно и уверенно пройти с научным анализом по всему миру космических опасностей, выработать своё собственное отношение к этим опасностям на основе единого мировоззрения. Вторая половина двадцатого столетия привнесла в исследования Солнца совершенно неожиданные для астрономов прошлых времён открытия. Назовём и кратко изложим существо этих открытий по порядку. 1. В 1960 г. американский астрофизик Лейтон обнаружил, что наше светило дышит с периодом 5 минут. Несколько позже эти колебания были идентифицированы как глобальные моды собственных акустических колебаний Солнца. В 1976 г. А.Б. Северный и его сотрудники открыли глобальные колебания светила со стабильным периодом 160 минут. Обнаружены колебания Солнца и с другими периодами. Так родилось новое направление солнечных исследований, которое назвали гелиосейсмологией. Пользуясь достижениями земной сейсмологии, удалось быстро усовершенствовать высокоточные гелиосейсмологические методы и доказать, что структуризация охватывает все глубины на Солнце. 2. В 1973 г. на околоземную орбиту выведена космическая лаборатория «Скайлэб», которая впервые позволила оперативно отслеживать все пространственные взаимоотношения солнечных явлений в проекциях на поверхность Солнца, достигла высокой точности и результативности в рентгеновских исследованиях светила (таблицы 79-80). Были открыты многие, ранее неизвестные особенности строения и жизни Солнца, непрерывно запускающего на околосолнечные орбиты или в межпланетное пространство разнообразные плазменные сгустки вещества. 3. В 60-е годы сравнительно простые солнечные магнитографы были заменены на новые высокочувствительные многоканальные системы, которые позволили измерять пространственные магнитные поля на разных глубинах солнечной атмосферы и даже в недрах Солнца. Благодаря этому обнаружена сверхтонкая структура многих солнечных образований. В 1961 г. Бэбкок установил, что в активных областях всплывают из глубин светила магнитные поля в виде спирально закрученных вертикальных и наклонных магнитных жгутов, напоминающих в общем картину поднимающегося ветвистого дерева (Врабец, Цваан и др.). Астроном Дж.Г. Пиддингтон из Национальной лаборатории измерений в Сиднее воссоздал в высокой степени упорядоченную детальную картину подъёмов магнитных жгутов из солнечных недр (1979). Пиддингтон обосновал также концепцию взаимопереходов солнечных тороидального и полоидального магнитных полей (табл. 81).

153


154


155


156


4.

5.

6.

Ранее считалось вполне естественным, что наше светило есть ни что иное как вполне однородный раскалённый газовый шар. Оказалось же, что кроме элементарной грануляции фотосферы есть ещё супергрануляция, гипергрануляция и множество других проявлений дискретности, структурированности как солнечной поверхности, так и недр Солнца. В книге С.И. Вайнштейна и др. (1989) приведена следующая классификация фотосферных полей по масштабам их развития: - сверхтонкая структура (меньше 107 см); - мелкомасштабные поля (поля гранул 3·107 см и более мелкие); - поля супергранул и солнечных пятен (3·109 см); - гигантские поля и структуры (3·1010 - 1011см); - глобальные поля (свыше 1011 см). Многие астрономы-наблюдатели обратили внимание на кинематику и динамику систем вполне чётко выраженных спиралевидных и дугообразных структур, проявляющихся не только на поверхности солнечных пятен и в их окрестностях, но и в группах солнечных пятен и в комплексах активности, включающих несколько групп. На Солнце обнаружены также глобальные дугообразные структуры, простирающиеся в обоих солнечных полушариях и свободно переходящие из одного полушария в другое. Наиболее обстоятельный цикл работ по дугообразным структурам на Солнце в низших их классах выполнила ташкентская исследовательница З.Б. Коробова со своими коллегами (1989, 1991 и др., табл. 82). Своеобразных типичных разномасштабных структур на Солнце обнаружилось столь большое множество, что их оказалось возможным изучать с помощью такой универсальной области научного знания, как фрактальная геометрия. Известный астроном-наблюдатель Э.И. Могилевский, посвятивший этому вопросу более трёх десятков лет исследований, написал специальную монографию «Фракталы на Солнце» (2001). Много лет астрофизики обсуждают вопрос об очертаниях элементарных солнечных «кирпичиков» – фракталов. Сравнивают их с овалами, каплями, зёрнами, травяными и древесными ланцетными листьями, крыльями бабочек и другими простыми и сложными формами природы. Несколько фильтрограмм и спектрогелиограмм с изображениями характерных форм разномасштабных солнечных структур приведены на таблице 83. Интересным является также вопрос о динамических особенностях этих структур в активных областях и комплексах активности Солнца. В подписи к рис. 3 (табл. 81) упоминается такое солнечное образование, как прилегающий к внешней границе пятна ров. Эта кольцевая зона вокруг всего пятна или некоторой его части была выделена по существенно ослабленному в этом месте магнитному полю (Гарви К., Гарви Дж.. 1963). Ширина рва достигает 20 тыс. км и более, 157


он накатывается вместе с активным краем солнечного пятна на

158


159


6.

7.

прилегающее фоновое поле и устойчиво существует до шести дней. Астрономов-солнечников весьма занимает поиск природы светлого фотосферного вещества, постепенно заполняющего рвы и образующего так называемые световые мосты (табл. 84). 7. Взглянуть «в упор» на световые мосты и другие столь же загадочные солнечные образования позволили современные космические зонды самых различных конструкций и назначений (табл. 85). О том, какое впечатление производят передаваемые ими телевизионные фотоизображения на астрономов, рассказывает известный английский учёный Д. Уайтхаус в недавно вышедшей книге «Биография Солнца» (2008). Процитируем несколько строк: «Исследование Солнца из космоса коренным образом изменило наше представление об этой звезде. Во время путешествия по солнечной системе были взяты и изучены образцы солнечного ветра и исследованы взрывные волны; зонды «заглянули» прямо в сердце солнечных пятен и увидели как языки п��амени разрезают магнитные поля и проливается перегретый газ».

Приведённый здесь перечень семи последних открытий на Солнце, конечно же, не является полным, но и всего перечисленного достаточно, чтобы определиться с общим направлением современных солнечных исследований. А направление это весьма прозрачно: предстоит появление полной аргументации о том, что Солнце – звезда более позднего класса. Графики эволюции нашего светила, рассчитанные в начале этого пособия, также свидетельствуют о том, что Солнце – не вполне газовый шар из первобытной звёздной материи, а звезда с довольно далеко продвинутой, стабильно покрывающей светило горячей корой. О незавершённости корообразования на Солнце прежде всего свидетельствует его дифференциальное вращение. Как давно уже известно, наше светило на экваторе вращается быстрее, чем на полюсе – от 26 до 37 дней, если определять период осевого вращения Солнца относительно неподвижных звёзд. Такой период называется сидерическим. А если период вращения светила измерять с Земли, то он меняется от 27 до 40 дней и называется синодическим. Такая неравномерность осевого вращения Солнца является остаточным явлением его эволюционного развития. Вся неимоверно огромная масса Солнца космическими приливными силами подтормаживается во вращении несколько быстрее, чем мощный своеобразный маховик – экваториальное кольцо, отделённое от остальной массы светила поверхностями изоротации (см. рис. 5 табл. 81). Дифференциальное вращение постепенно исчезает при увеличении толщины и монолитности коры. В каменной оболочке Земли достаточно наглядно просматриваются меридиональные, широтные, диагональные разнопорядковые структуры или их реликты. Первые два 160


названных типа структур изображены на таблицах 86 и 87. Фракталы на

161


162


163


164


165


Солнце имеют примерно такие же очертания, как и земные, что связано с однородностью процессов векового общего сжатия крупных небесных тел. Кора есть и у Земли, и у Солнца. Естественно, что литосферы планет и звёзд отличаются по составу, плотности, температурам, магматическим, плазменным и магнитным проявлениями. Но типологическое сходство между этими корами бесспорно. Обратите внимание, как выглядят на привычных для геологов схемах системы подводящих магматических и вулканических каналов к отдельным вулканическим постройкам, активным вулканическим областям или поясам (табл. 88). Сравните теперь таблицы 81 и 88. И вы наверняка обнаружите, что открытые на Солнце магнитные жгуты в виде деревьев («магнитные» потому, что солнечная магма обладает высокой магнитной ёмкостью) и земные вулканомагматические каналы по динамической сути своей есть явления одинаковой природы. Сравним ещё световые мосты на Солнце с динамикой и вулканизмом рифтовых зон Земли. И снова увидим несомненные типологические аналогии (табл. 89). При анализе происхождения и эволюции комет, астероидов и метеоритов постепенно выясняются особенности гравитационной дифференциации вещества в солнечных недрах. На глубине литосфера светила сложена преимущественно железо-никелевыми породами, которые ближе к поверхности сменяются силикатными и углистыми образованиями. Отсюда и само собой образовавшееся деление метеоритов на известные классы. Внутреннюю активность комет можно объяснить особым составом и энергетикой выброшенной в космос солнечной материи. Лёд в кометах – это вещество вторичного происхождения, намораживающееся в космосе при далёких странствиях первоначально внутри горячих комет Несомненно, что в сложных научных построениях как теоретического, так и практического характера постоянно встречаются трудности адекватного объяснения особенно неожиданных и запутанных природных явлений. Однако, со временем неизбежно вполне рационально и строго решаются и такие, на первый взгляд, совершенно нерешаемые задачи. Например, ещё совсем недавно определяемые точными методами температуры солнечных пятен в 300-600º С считались «совершенно неприемлемыми». «Абсолютно нереальными» оказывались такие же и даже ещё меньшие температуры, определённые по многим молекулярным спектральным линиям в тенях пятен. Однако наличие мощной гелиосферы, изолирующей внутреннее ядерное тепло светила от его поверхности, снимает эти теоретические затруднения и открывает путь к решению многих подобных важных, но пока ещё отодвинутых в сторону от науки как бы «бесперспективных» задач. В числе новых задач большой степени трудности является подробное объяснение существования на Солнце Мирового океана, но не простой, а 166


магматической природы, например, из сжиженного газа. Конвективные

167


168


течения над таким океаном имеют, конечно, не глубинную, а приповерхностную природу. Поражают также разнообразие и энергетика вулканических извержений на Солнце. Именно эти идущие друг за другом извержения создали над светилом корону, нагретую до температур в миллионы градусов. Но корона настолько разрежена, что вряд ли эти высочайшие температуры способны оказать столь же внушительное тепловое воздействие на поверхность солнечной литосферы. Ведь даже прилежащая к короне снизу и тоже весьма разреженная хромосфера Солнца и верхушки конвективных течений нагреты только до шести с небольшим тысяч градусов. Таковы в общем могут быть обращённые к Солнцу последствия достижений научнотехнической революции прошлого ХХ века. Успешно начатое всемерное освоение человеком космического пространства, несомненно, в нашем столетии будет интенсивно продолжено. Вот почему вопросы и решения задач о мерах космических опасностей постоянно приближаются к повседневной, в том числе и образовательной, реальности.

Список литературы Агаджанян Н.А. Человек, атмосфера и Солнце. М.: Знание, 1968 Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. ЧЧ. 1,2. М.: Мир, 1974-1975 Алтынцев А.Т., Банин В.Г., Куклин Г.В.. Томозов В.М. Солнечные вспышки. М.: Наука, 1982 Анализ данных «Года Солнечного максимума». Новосибирск: Наука, 1988 Антонова Л.А., Иванов-Холодный Г.С. Солнечная атмосфера и ионосфера. М.: Наука, 1989 Брей Р., Лоухед Р. Солнечные пятна. М.: Мир, 1967 Витинский Ю.И. Солнечная активность. М.: Наука, 1983 Витинский Ю.И., Конецкий М.. Куклин Г.В. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. М.: Наука, 1986 Витинский Ю.И. Морфология солнечной активности. М.-Л.: Наука, 1966 Витинский Ю.И., Оль А.И., Сазонов Б.И. Солнце и атмосфера Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1976 Витинский Ю.И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. Л.: Наука, 1973 Гневышев М.Н. История Служб Солнца // Историко-астрономические исследования. В.17. М.: Наука, 1984. С. 161-184 Год Солнечного максимума. ТТ.1,2. М.: Наука, 1981 Дубкова С.И. Солнце в интерьере Галактики. М.: Белый город, 2005 Железняков В.В. Радиоизлучение Солнца и планет. М.: Наука, 1964 Зосимович И.Д. Геомагнитная активность и устойчивость корпускулярного поля Солнца. М.: Наука, 1981 Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М. Солнце и ионосфера. М.: Наука, 1969 Исследования солнечной активности. Ташкент, ФАН, 1991 Исследования солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1984 Казимировский Э.С. Мы живём в короне Солнца. М.: Наука, 1983 Киппенхан Р. Сто миллиардов Солнц. М.: Мир, 1990 Коваленко В.А. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983 Комплексное исследование Солнца и солнечно-земных связей. Труды III международ. совещания «КОРОНАС-И» (Калуга, 5-10.XII.1988). Л.: Изд-во ФТИ, 1989 Кононович Э.В. Солнце – дневная звезда. М.: Просвещение, 1982 Крюгер А. Солнечная радиоастрономия и радиофизика. М.: Мир, 1984 Мензел Д. Наше Солнце. М.: Мир, 1963 Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981 169


Митра А. Воздействия солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир, 1977 Миттон С. Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце. М.: Мир, 1984 Несмеянович Э.И., Несмеянович А.Т. Вспышечная активность Солнца и некоторые индексы межпланетного и геомагнитного полей. М., 1977 Обридко В.Н. Солнечные пятна и комплексы активности. М.: Наука, 1985 Пасатофф Д.М. Солнце. М.: АСТ: Астрель, 2008 Поток энергии Солнца и его изменения. М.: Мир, 1980 Проблемы солнечной активности. М.: Мир, 1979 Проблемы солнечной активности. Л.: Изд-во ФТИ, 1991 Проблемы солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1977 Рубашев Б.М. Проблемы солнечной активности. М.-Л.: Наука, 1964 Северный А.Б. Некоторые проблемы физики Солнца. М.: Наука, 1988 Современные проблемы солнечной активности. СПб: ГАО РАН, 1997 Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1974 Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1968 Солнечно-земные связи, погода и климат. М.: Мир, 1982 Солнечные вспышки. М.: Наука, 1982 Солнечный ветер и околоземные процессы. М.: Наука, 1986 Солнце в максимуме активности и солнечно-звёздные аналоги. СПб.: ГАО РАН, 2000 Солнце и солнечно-земные связи. М.: Изд-во АПН, 1979 Солонский Ю.А., Хилов Е.Д. Солнце – загадки и открытия. Л.: Знание, 1989 Уайтхаус Д. Биография Солнца. М.: ЭКСМО, 2008 Физика Солнца: Исследования по физике солнечной активности. М.: Наука, 1979 Чертков А.Д. Солнечный ветер и внутреннее строение Солнца. М.: Наука, 1985 Эйгенсон М.С. Солнечная активность и её земные проявления. М.-Л.: Гостехиздат, 1948 Энергичные частицы и фотоны солнечных вспышек. Л.: Изд-во ФТИ, 1984 Ягер Де К. Стро��ние и динамика атмосферы Солнца. М.: ИИЛ, 1962

Контрольные вопросы 1. Каков энергетический спектр частиц, ускоренных солнечной вспышкой? 2. Какое явление служит спусковым механизмом солнечной вспышки? 3. Каковы детальные механизмы, действующие в период вслед за первоначальным высвобождением энергии солнечной вспышки? 4. Где и как накапливается энергия для солнечной вспышки? 5. Каковы механизмы нагрева солнечной короны? 6. Какова физическая природа связи между солнечными пятнами, факелами, флоккулами, протуберанцами, вспышками, выбросами коронального вещества?

Практическая работа № 18. Разработать схему информационной поддержки научно-исследовательских работ и практического обеспечения космической безопасности населения региона, страны, земного шара. В качестве исходных данных воспользуйтесь материалами таблицы 70 и другой содержащейся в пособии информацией. Цель работы: знакомство и освоение одной из современных важнейших отраслей практической астрономии – обеспечением космической безопасности населения планеты. Ход работы: изучение литературы по теме, поиск, извлечение из банков данных необходимой информации, анализ этой информации, её обощение в соответствии с заданием. 170


Оформление результатов работы: составление отчёта со схемой проведённого вами исследования и схемой информационной поддержки НИР, а также системой практического обеспечения космической безопасности населения региона, страны, планеты.

Список литературы Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971 Алексеев М.А. Стихийные явления природы: проявления, эффективность защиты. М.: Мысль, 1988 Бинги В.Н. Магнитобиология. М.: ИММЕДИС, 2002 Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Биологические опасности космических полётов. М.: Машиностроение, 1977 Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности. М.: Астрель АСТ, Профиздат, 2006 Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974 Здоровье, работоспособность, безопасность космических экипажей. М.: Наука, 2001. (Космическая биология и медицина; Т. IV) Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2003 Исследования солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1984 Казимировский Э.С. Мы живём в короне Солнца. М.: Наука, 1983 Казимировский Э.С. Планета в космической плазме. Л.: Гидрометеоиздат, 1990 Куклев Ю.И. Физическая экология. М.: Высш. школа, 2001 Курбатова А.С., Мягков С.М., Шныпарков А.Л. Природный риск для городов России. М.: НИиПИ экологии города, 1997 Мизун Ю.Г., Мизун П.Г. Космос и здоровье. М.: Знание, 1984 Мизун Ю.Г., Хаснулин В.И. Наше здоровье и магнитные бури. М.: Знание, 1991 Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.: Наука, 1981 Основы космической биологии и медицины: Совместн. совет.-америк. изд-е в 3-х тт. М.: Наука. Т.1, 1975; т.2, кн. 1,2, 1975; т.3, 1975 Поток энергии Солнца и его изменения. М.: Мир, 1980 Проблемы солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1977 Радиационные условия в космическом пространстве: Уч. пособие. М.: Библион - Русская книга, 2006 Русак О.Н., Малаян К.Р., Занько Н.Г. Безопасность жизнедеятельности: Уч. пособие. СПб.: Лань; Омега-Л, 2005 Современные проблемы солнечной активности. СПб.:ГАО РАН, 1997 Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1974 Солнечно-земные связи, погода и климат. М.: Мир, 1982 Соловьёва В.А. Магнитные бури и ваше здоровье. М.: АСТ; СПб.:Астрель-СПб., 2007 Угроза неба: рок или случайность? М.: Космосинформ, 1999 Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, 1982 Чижевский А.Л.Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976 Электромагнитные поля в биосфере. ТТ.1,2. М.: Наука, 1984 Ягодинский В.Н. Космический пульс биосферы. М.: Знание, 1975 Ягодинский В.Н. Нами правит Космос. М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2003 Яковлев Н.Н. Живое и среда. Л.: Наука, 1986

171


Опасные ситуации природного характера. Ч. 1-1 | Баньковский Лев Владимирович