Временные вариации силы тяжести

АЛ. Конопихин,

Земное гравитационное поле — это результирующее силовое поле, создаваемое земными массами, массами других космических тел и ротационным режимом Земли. Элементы, характеризующие гравитационное поле Земли, в частности величина и направление силы тяжести, в любой точке земной поверхности непостоянны во времени.

К рассмотрению проблемы временных изменений земного гравитационного поля можно подходить с разных позиций. Можно, например, из всего спектра явлений, приводящих к вариациям гравитационного поля, выделить определяющие группы возмущающих причин и последовательно исследовать влияние каждой из них. Можно сгруппировать возмущающие геодинамические явления по длительности существования самого возмущения или по его амплитуде. Можно, наконец, анализировать ход изменения гравитационного поля, сообразуясь с протяженностью области, на которой наблюдаются вариации силы тяжести.

На схеме (рис. 8.2.1) приведены причинно-логические связи между различными геодинамическими явлениями и процессами, оказывающими возмущающее воздействие на гравитационное поле нашей планеты. Основное смысловое разделение проведено между двумя категориями возмущений: «Приливными» и «Неприливными» изменениями силы тяжести. Категория «Приливных изменений» в свою очередь делится на два блока: «Приливные изменения силы тяжести в твердой Земле» и «Приливные изменения силы тяжести в океане».

Более сложна иерархия категории «Неприливные изменения силы тяжести». Здесь уже можно выделить четыре блока: «Вековые изменения силы тяжести», «Периодические изменения силы тяжести», «Непериодические изменения силы тяжести» и «Неприливные изменения силы тяжести в океане», причем в трех первых блоках превалируют временные аспекты гравитационных вариаций.

В блок «Вековые изменения силы тяжести» входят три группы природных явлений, которые оказывают (или могли бы оказать) влияние на параметры гравитационного поля: во-первых, реакция планеты на реально существующие «Изменения центробежной силы», во-вторых, гипотетически возможное «Изменение гравитационной постоянной G», в третьих, обширный комплекс явлений, порожденный «Глубинными процессами в недрах Земли».

Блок «Периодических изменений силы тяжести» так же определяется тремя группами возмущающих гравитационное поле явлениями и процессами. В их число входят: «Колебания атмосферного давления», «Сезонные осадки», «Миграция грунтовых вод».

Самый обширный блок «Непериодические изменения силы тяжести» включает в себя вдвое большее число групп возмущающих явлений. Эти явления существенно отличаются между собой по амплитуде возмущения и по длительности их существования. В трех группах геодинамических явлений внимание акцентировано на временной нерегулярности их проявления: «Непериодические колебания скорости осевого вращения Земли», «Непериодические колебания атмосферного давления», «Непериодические колебания уровня грунтовых вод». К ним примыкает еще группа из двух геодинамических явлений, имеющих отчетливо эпизодический характер проявления своей активности: «Землетрясения и вулканизм» и «Выпадение осадков». Кроме того, к этому блоку по нерегулярности своего воздействия на земное гравитационное поле следует отнести такое «экзотическое» современное явление, как «Техногенное воздействие человека».

И, наконец, четвертый блок, объединяющий геодинамические процессы с неприливным механизмом воздействия на параметры гравитационного поля — «Неприливные изменения силы тяжести, порожденные Мировым океаном». Здесь собраны геодинамические процессы, ответственные за вариации силы тяжести очень широкого временного диапазона, от нескольких секунд до десятков миллионов лет, и не менее различных амплитуд возмущений. В силу особой склонности основной субстанции Мирового океана к изменению формы, высокой подвижности и реактивности воздействие на гравитационное поле многих геодинамических явлений через водные массы оказывается существенно иным, чем через твердую землю.

В принципе амплитудный спектр вариаций земной силы тяжести не слишком велик. Так, различие в широтном положении точки наблюдения (от экватора до полюса) предопределяет изменение силы тяжести не более чем на 5-10~3д. Такую же величину можно получить за счет перепада высот точки наблюдения (высокие горы — глубокое море). Плотностная неоднородность земных недр (кора-мантия) порождает вариации гравитационного поля порядка (5-10“4-5-10“5)^. Долгопериодические процессы, постоянно происходящие глубоко в теле Земли, вызывают изменения силы тяжести в пределах (10“8- 10~9)д. Лунно-солнечное приливное воздействие на земное гравитационное поле характеризуется величиной 310~7д. Таким образом, можно заключить, что для изучения особенностей «стационарного» земного гравитационного поля достаточно выполнять наблюдения не грубее 10~*д. Для оценки же величин временных вариаций силы тяжести требуется уже точность наблюдений порядка \0~8д. Наиболее хорошо на сегодня изучено приливное лунно-солнечное воздействие на земное гравитационное поле.

Рис. 8.2.1. Схема причинно-логических связей вариаций силы тяжести.

Под интегральным воздействием масс Луны и Солнца возникают приливообразующие силы, которые представляют собой разность между силами притяжения возмущающего тела (Луны и/или Солнца) в точке центра Земли и в любой другой точке нашей планеты. Вертикальная компонента приливной силы Квер изменяет силу тяжести на величину

где G — гравитационная постоянная, R — радиус Земли, т — масса возмущающего тела, г — расстояние между Землей и возмущающим телом, z — зенитное расстояние возмущающего тела.

Горизонтальная компонента Fr может быть определена по формуле

Величина горизонтальной компоненты максимальна, когда зенитное расстояние z = 45° и достигает 0,082 мГал для Луны и 0,037 мГал для Солнца. Разделив значения горизонтальных компонент на ду получим поправку за уклонение отвесной линии. Максимальная величина поправки в уклонение отвеса из-за приливных воздействий Луны составит $луна = 0,017", а для Солнца Фсолн = 0,008".

Из-за суточного вращения Земли и из-за орбитальных движений Земли, Луны и Солнца приливообразующая сила в каждой точке земной поверхности непрерывно меняется во времени, никогда точно не повторяясь. Непосредственное лунно-солнечное приливное воздействие на земное гравитационное поле удобно характеризовать оценкой вклада основных приливных волн (табл. 8.1) [Торге 1999]

Однако в приведенных выше цифрах не учитывается влияние приливообразующих сил на твердые части самого тела Земли. Это влияние выражается в изменении формы Земли (земной прилив), а это, естественно, влечет за собой и изменение земного гравитационного поля [Melchior 1968]. Кроме того, проявляется еще один аспект земного прилива — изменение гравитационного потенциала за счет смещения точки наблюдения в радиальном направлении. Приливные волны, возникающие в твердой Земле, могут вызывать вертикальные смещения в твердой земной поверхности до 50 см, а горизонтальные — до 5 см.

Под влиянием приливных сил на нашей планете возникают и океанские приливы водных масс, которые, в свою очередь, также приводят к изменению силы тяжести из-за переменной дополнительной нагрузки на земную кору.

Высокие океанские приливы приводят к опусканию земной поверхности и соответствующему увеличению силы тяжести (интенсивность опускания поверхности с удалением от моря уменьшается). Однако сопутствующее этому эффекту некоторое смещение масс несколько уменьшает общее суммарное изменение силы тяжести. В любом случае интегральное воздействие океанской нагрузки на изменение ускорения силы тяжести не превышает единиц процентов от гравиметрического приливного воздействия (в пределах 0,1-0,2 мкм с-2).

На параметры, характеризующие земное гравитационное поле, оказывают влияние приливные вариации атмосферного давления. Изменение нагрузки атмосферных масс на земную поверхность вызывает деформационный эффект, который проявляется в виде смещения притягиваемой точки по вертикали и в появлении соответствующего деформационного потенциала. Модельные расчеты [Stacey 1977] дают следующую оценку интенсивности влияния неприливных атмосферных изменений на силу тяжести:

где ЬР — амплитуда изменения атмосферного давления в ГПа.

Изменения атмосферного давления охватывают временной диапазон от нескольких часов до 1 года. Быстрые (единицы часов) апериодические изменения и атмосферные приливы, в основном солнечного происхождения, имеют величину меньшую 1 ГПа.

Приливное атмосферное воздействие на гравитационное поле весьма небольшое. Оно выражается в очень слабых суточных и несколько более сильных полусуточных изменениях атмосферного давления. Четкое выделение приливных изменений чрезвычайно затруднено из-за активного воздействия на параметр давления других характеристик атмосферы. Амплитуды приливных вариаций давления максимальны в тропической зоне и сильно уменьшаются в умеренных и высоких широтах.

Далее рассмотрим два вопроса изменения силы тяжести, связанные, во-первых, с изменениями силы тяжести из-за гипотетически возможного уменьшения гравитационной постоянной G и, во-вторых, из- за вариаций суточного вращения Земли и движений полюса.

Согласно [Dirac 1938], интенсивность изменения гравитационной постоянной G не превышает (—10“10—10“ 11)/год, а по [van Flandern 1984] — ее величина (-6 ± 2)10~11. Если это так, то возможное глобальное уменьшение силы тяжести не превышает (1-0,1) нм-с_2/год.

Изменение величины угловой скорости вращения нашей планеты си приводит к изменению центробежного ускорения дш на величинугде си — угловая скорость вращения планеты;

(р — широта точки наблюдения.

По дифференциалу этого выражения              ' можно получить пред

ставление о характере влияния на силу тяжести изменения широты dlt;p (как следствие эффекта движения полюса) и собственно изменения угловой скорости dcu (из-за неравномерности осевого вращения планеты).

Интенсивность изменения угловой скорости вращения Земли dcu достигает значений (10-8-10~7) в столетие, что может привести к появлению вариаций силы тяжести порядка (0,7-7) нм-с“2.

Перемещения мгновенной оси вращения Земли относительно полюса МУН (СЮ) вызывают изменения широты точки на земной поверхности до 0,5", что может, в принципе, изменить д на величину порядка 80 нм-с~2. Для ее вычисления может быть применена формула

Рис. 8.2.2. Условный амплитудно-временной спектр вариаций силы тяжести (суша).

где 6П0Л “ значение амплитудного фактора за движение полюса (обычно это 1,0 или 1,2) \Wahr 1985], — координаты мгновенного полюса относительно полюса МУН (СЮ).

Представляется интересным рассмотреть проблему временных вариаций силы тяжести с точки зрения протяженности областей, в пределах которых фиксируются эти вариации. Следуя общепринятой в физике Земли (как раздела геофизики) традиции, здесь также можно выделить три блока геодинами- ческих явлений, которым приписывают «ответственность» за вариации земного гравитационного поля: глобальный, региональный и локальный (рис. 8.2.2) [Торге 1999].

В глобальном блоке превалируют геодинамические явления с диаметром области существования этих явлений свыше 104 км. Для региональных явлений характерна область их проявлений диаметром порядка 102-104 км. К локальным явлениям относят геодинамические процессы, протекающие на площадях менее 102 км2.

Размах вариаций ускорения силы тяжести, причиной которых могут быть геодинамические явления глобального масштаба может отличаться по величине на два порядка и достигать единиц миллигал. Время существования таких вариаций — от нескольких лет до 1000 лет. Изменения гравитационного поля глобального масштаба могут быть вызваны, например, спонтанными смещениями земного ядра, особенностями проявления тепловой конвекции в мантии, сопряженными перемещениями литосферных плит, изменением уровня Мирового океана, перемещением масс при землетрясениях и вулканизме.

Вариации ускорения силы тяжести регионального уровня имеют весьма широкий диапазон — от 1 мкГал до 0,1 мГал. Временной интервал существования этих вариаций чрезвычайно широк (от минут до многих сотен лет). Наиболее ощутимые региональные вариации (постледниковая изостатическая компенсация, процессы осадконакопления, современные движения земной коры) имеют многолетний, вековой характер.

Изменения параметров гравитационного поля, относимые к разряду локальных вариаций, вызываются, в основном, современными сейсмо-деформационными процессами, природными микросейсмами, антропогенными (техногенными) воздействиями человеческой цивилизации, местными вариациями атмосферного давления и изменениями уровня грунтовых вод. Асейсмические подвижки земной поверхности ответственны за вариации ускорения силы тяжести со временем существования годы—десятилетия. Вариации атмосферного давления, изменения уровня грунтовых вод и другие гидрологические процессы ответственны за изменения гравитационного поля нерегулярного или квазипериодического характера длительностью от нескольких суток до нескольких месяцев.

Перепады атмосферного давления (порядка ±60 гПа), вызываемые мощными циклоническими образованиями, имеют квазипериодический характер, а длительность их существования доходит до нескольких суток. Такие образования могут охватывать территории поперечником от нескольких сотен до тысячи километров. Отметим, что изменения такого масштаба (±10 гПа и более) имеют, как правило, сезонный характер [Ramsayег 1954]. Антропогенные воздействия современной цивилизации (промышленная откачка — закачка флюидов и углеводородного сырья, горные разработки, крупные инженерные сооружения) также приводят к локальным изменениям ускорения силы тяжести в диапазоне от десятых долей до нескольких микрогал.

Определенный интерес представляет анализ воздействий на земное гравитационное поле быстро изменяемого состояния водной массы Мирового океана (рис. 8.2.3). Ярким индикатором происходящих гидротермодинамических изменений в количественном и качественном составах водной среды является высотное положение водной поверхности (уровень) океана. Изменение высотного положения внешней поверхности моря на 1 мм предопределяет изменение ускорения силы тяжести примерно на 3 мкГал.

В высотных изменениях поверхности Мирового океана можно выделить три группы возмущающих причин, отличающихся «механизмом» воздействия на земное гравитационное поле. В первой группе основным источником возмущений являются приливные силы — прямое гравитационное приливное воздействие Луны и Солнца на водные массы Мирового океана, приводящее к соответственному изменению формы и уровня морской поверхности, а следовательно и силы тяжести. Эти же силы опосредованно влияют на высоту водной поверхности, но уже через воздействие земных приливов.

Ко второй, наиболее многочисленной, группе относят: вариации гравитационного поля, объясняемые переменным состоянием океанских водных масс, причиной которых являются атмосферные изменения над Мировым океаном. Различают непосредственное и косвенное влияния атмосферы на высотный уровень океанской воды.

К атмосферным факторам, непосредственно воздействующим на высотное положение водной поверхности, относят: атмосферные ситуации, при которых становятся возможными процессы, реализующие принцип «обратного барометра»; изменения в океане, вызываемые мощными и/или долгодействующими ветрами; вариации океанских, морских и медленных круговых течений от высоких широт к экватору и обратно. Сюда же следует отнести влияние эффекта интегрального баланса воды, поступающей в Мировой океан (атмосферные осадки и речной сток) и испаряющейся с океанской поверхности.

Косвенное влияние атмосферы на положение уровня усматривается в ряде особенностей ее тепло- и массообмена с Мировым океаном. Именно этот обменный процесс в основном определяет соленость и плотность поверхностных вод, а следовательно и структуру океанической циркуляции воды.

Третья группа — это колебания уровня океана, вызываемые процессами, проходящими в земных недрах, их источник — внутренняя энергия планеты. Это прежде всего цунами — последствия подводных землетрясений, это и медленные колебания уровня океана вследствие изменения объема океанических впадин в результате геологической эволюции Земли. К этой же группе, в принципе, можно отнести и колебания уровня, связанные с вариациями ротационного режима планеты и смещения ее полюса.

Во влиянии атмосферных факторов на гравитационное поле можно усмотреть три аспекта: прямое гравитационное действие избыточных (или недостаточных) воздушных масс в зонах повышенного или пониженного атмосферного давления Мирового океана. Два других аспекта связаны, во-первых, с изменениями высоты водной поверхности под воздействием ветровых волн, зыби, сгонно-нагонных явлений и, во-вторых, с реакцией внешней поверхности воды на изменение атмосферного давления.

Изучение гравитационных возмущений как результата влияния ветровых волн и зыби из-за большой нерегулярности и неопределенности существования этих явлений весьма затруднено. Однако для небольшого количества областей, подверженных сильным ветровым воздействиям и штормам, получены оценки некоторых параметров ветровых возмущений. Наибольшие возмущения ускорения силы тяжести, вызванные ветровыми волнами, характерны для средних широт (40-50°), которые могут достигать величин 200-250 мГал при высоте волн в десятки метров (правда, в штормовые сезоны).

Сгонно-нагонные эпизодические (длительностью до нескольких суток) колебания уровня океанской воды также являются результатом относительно длительного ветрового воздействия. Пространственные масштабы этих возмущений достигают сотен километров. Высота уровня океана при этом может изменяться на 1,5-2,0 м, а ускорение силы тяжести в таких областях — на 0,4-0,5 мГал.

Гравиметрическая реакция океанской водной массы на изменение атмосферного давления в случае, когда перепады атмосферного давления компенсируются только изменением высоты водной поверхности (принцип «обратного барометра»), может быть выражена формулой

где— нормальное атмосферное давление, Ра — реально наблюдаемое атмосферное

давление.

Особенно заметные возмущения в гравитационное поле Мирового океана вносят локальные неоднородные барические образования типа тропических циклонов. Их характерной особенностью является крайне низкое атмосферное давление в центральной зоне циклона. Перепад атмосферного давления в центральной и периферийной частях тропического циклонического образования, отстоящих друг от друга на 200-300 км, может достигать 100 мбар и более, что, в конечном счете, «порождает» появление локальной вариации ускорения силы тяжести в несколько миллигал.