Ф. Бублейников - Земля
Б. Б. Голицын изобрёл и построил чувствительнейшие приборы, сейсмографы, которые отзываются и на такие ничтожные колебания почвы.
Сейсмографы Б. Б. Голицына основаны на очень простом явлении.
Представьте себе, что в подвале, куда не достигают сотрясения почвы от проходящих грузовых машин и поездов, неподвижно висит маятник.
Когда приходит колебание от далёкого землетрясения и почва сдвигается вправо, маятник по инерции остаётся в покое, а наблюдателю кажется, что маятник отклоняется влево. Когда почва затем двинется влево, будет казаться, что маятник качнулся вправо.
На конце маятника укреплено перо, которое чертит при этих кажущихся колебаниях на движущейся ленте зигзагообразную линию — сейсмограмму. По ней можно видеть, сколько раз в секунду и с каким размахом «отклонялся» маятник.
Чтобы приборы давали правильные показания, необходимо соблюдение некоторых условий. Главное из них, чтобы сам маятник не раскачивался, в противном случае он начнёт записывать собственные колебания, а не колебания почвы.
Сейсмограф — это обычно горизонтальный стержень с грузом на свободном конце. За середину он подвешен к верхней части стойки, а за один из концов прикреплён нитью к её основанию. Так стержень висит горизонтально, поддерживаемый в пространстве двумя нитями (рис. 6).
Рис. 6. Горизонтальный маятник.
Стержень колеблется в горизонтальной плоскости. Регулируя длину нити, на которой он подвешен за середину, можно добиться того, что его собственные колебания будут во много раз медленней, чем колебания почвы.
Такой маятник сам не выйдет из состояния покоя и будет показывать только отклонения почвы. Им и воспользовался Голицын для своего сейсмографа.
Однако отмечаемые этим прибором отклонения составляют лишь десятые или даже сотые доли миллиметра. Для записи же нужно увеличить их в сотни и тысячи раз.
Самый простой способ увеличения — прикрепить к маятнику маленькое зеркальце, которое отбрасывает свет лампы — «зайчик» — на далеко отставленный экран. При малейшем повороте зеркала «зайчик» будет заметно передвигаться.
Маятник остаётся неподвижным, а почва со стоящими на ней лампой и экраном колеблется из стороны в сторону, и «зайчик» передвигается по экрану.
Отражённый свет падает на фотографическую плёнку, и его движение запечатлевается на ней. Светочувствительная лента приводится в движение часовым механизмом, и светлое пятнышко чертит на ней зигзаги сейсмограммы, так что прибор работает автоматически.
Для регистрации вертикальных колебаний почвы применяется такое устройство. Стержень, один конец которого с помощью шарнира вращается на вертикальной стойке, подвешен за середину на спиральной пружине. На другом конце стержня укреплён груз с пером, которое касается ленты на вращающемся барабане (рис. 7).
Рис 7. Сейсмограф, отмечающий вертикальные колебания почвы.
При вертикальном колебании почвы груз остаётся в покое, а стойки и барабан перемещаются то вверх, то вниз. Наблюдателю же кажется, что колеблется перо и чертит на движущейся ленте зигзагообразную линию.
Советские учёные изобрели приборы ещё более совершенные, чем построенные Голицыным. Особенную известность получили сейсмографы Д. П. Кирноса, П. М. Никифорова, Г. А. Гамбурцева, Д. А. Харина и других советских учёных. В основном они сходны с сейсмографами Б. Б. Голицына, но показания их более точны, и они удобнее для работы.
Сейсмографы, установленные на сейсмических станциях нашей страны и других стран мира, отмечают приход колебаний на различные станции, а также определяют угол, под которым выходят эти колебания на поверхность Земли.
Изучая сейсмограммы, можно мысленно наметить путь, по которому колебания пришли на станцию, и узнать их среднюю скорость.
Но как определить, с какой скоростью шли колебания на разной глубине?
Это — сложная задача. Её можно решить, сравнивая время прихода колебаний на разные станции, находящиеся на различном расстоянии от центра землетрясения.
С помощью таких наблюдений и сложных расчётов учёные доказали, что чем глубже внутрь Земли, тем быстрее распространяются колебания. Это значит, что с глубиной увеличиваются её твёрдость и упругость.
Наблюдения показали также, что поперечные волны, распространяющиеся только в твёрдых телах, глубже 2900 километров не проходят.
Повидимому, глубже 2900 километров резко меняются свойства Земли: в центральном ядре Земли, как в жидкостях, не распространяются поперечные колебания.
Но мы не можем считать вещество ядра Земли жидким, так как оно находится под давлением около двух миллионов килограммов на один квадратный сантиметр.
При таком давлении сходное с жидкостью пластичное тело может обладать совсем новыми, незнакомыми нам свойствами.
Это доказывают даже лабораторные опыты. Например, лепёшка из глиняного теста под давлением в десятки тысяч атмосфер слегка вдавливается в твёрдые стальные плиты. Мягкий парафин под таким давлением проникает в сталь.
Поэтому пока ещё нельзя судить о физических свойствах центрального ядра Земли, находящегося под давлением, в сотни раз большим. Однако по отношению к поперечным колебаниям ядро Земли ведёт себя, как жидкое тело.
Новейшими исследованиями советских геофизиков доказано, что внутри ядра диаметром около 7000 километров находится меньшее ядро диаметром около 2800 километров. Это меньшее ядро проявляет свойства твёрдого тела, так как в нём, повидимому, могут распространяться и поперечные колебания.
10. Состав и происхождение Земли
Итак, мы познакомились с физическими свойствами Земли, но теперь остаётся ещё один интересный вопрос: а из чего же состоит наша планета и как она образовалась?
О составе Земли мы можем судить только по горным породам земной коры и средней плотности или удельному весу всей Земли в целом, или по каким-либо иным, но косвенным признакам.
Учёные уже давно исследовали горные породы земной коры. Как оказалось, земная кора состоит в основном из окислов, то-есть соединений с кислородом нескольких лёгких металлов — кремния, алюминия, кальция, магния, натрия и калия.
Как показали расчёты учёных, удельный вес земной коры в среднем равен 2,75, то-есть 1 кубический метр горных пород в среднем весит 2,75 тонны.
Если бы весь земной шар состоял из таких же горных пород, то легко было бы вычислить его массу. Для этого нужно было бы помножить 2,75 тонны на число кубических метров, заключающихся в объёме земного шара. Но мы не знаем, из чего состоит Земля внутри.
Как же всё-таки определить массу Земли? О ней можно судить только по силе притяжения Землёй других тел, так как сила притяжения Земли зависит от её массы.
Не только Земля, но и все другие тела притягивают друг друга. Мы не замечаем этого лишь потому, что притяжение их очень незначительно.
Но такое огромное тело, как гора, уже в состоянии чуть-чуть отклонить отвес, оттягивая в свою сторону его грузик.
Пользуясь этим, можно сравнить массу горы и Земли. Нужно только измерить действие притяжения грузика горой, а потом сравнить с силой притяжения его Землёй, учитывая при этом, что отвес находится гораздо ближе к центру тяжести горы, чем к центру Земли.
Производя наблюдения вблизи горы, учёные установили, что отвес действительно немного отклоняется в её сторону. Угол отклонения очень мал, по всё-таки его удалось измерить, а по этому углу вычислить и силу притяжения грузика горой.
Оказалось, что если бы Земля была вся из таких горных пород, как гора, то она притягивала бы отвес в два раза слабее, чем это происходит в действительности.
Такое наблюдение несколько раз производилось учёными ещё в XVIII веке. Они тщательно обмеряли гору, чтобы поточнее определить её объём и вес.
Но это задача не из лёгких. Тут всегда возможны большие ошибки. Нелегко, например, найти точно центр тяжести горы и определить расстояние от него до отвеса.
Поэтому учёные искали другой способ определения «веса» Земли.
Вот если бы сравнить притяжение маленького шарика Землёй и свинцовым шаром, то определить её массу можно было бы несравненно точнее: шар весь виден, его диаметр и вес известны точно, а расстояние от него до маленького шарика легко измерить.
Однако заметить притяжение большим свинцовым шаром маленького шарика долго не удавалось: для этого нужен был очень чувствительный прибор.
Только так называемые крутильные весы (рис. 8) позволили обнаружить притяжение между свинцовыми шарами.
Рис. 8. Крутильные весы — прибор, позволивший измерить притяжение между большими и маленькими свинцовыми шарами.
