Фигура и гравитационное поле Земли

То, что Земля должна быть сплюснута вдоль полярной оси и иметь форму эллипсоида вращения, впервые предсказал И. Ньютон. Это предположение было подтверждено в 30-х годах XVIII в. специально созданными экспедициями французских геодезистов. Сплюснутость Земли обусловлена вращением планеты вокруг собственной оси и пластичностью слагающего её вещества. Если бы вещество планеты было жидкостью с однородной плотностью и находилось бы в состоянии гидростатического равновесия, то под действием гравитационных и центробежных сил оно приобрело бы форму идеального эллипсоида вращения. Такой эллипсоид называется сфероидом или референц-эллипсоидом. Увеличение плотности к центру, что характерно для реальной Земли, приводит к отклонению её поверхности от поверхности идеального референц-эллипсоида не более чем на 3 м. Состояние Земли также несколько отличается от гидростатического равновесия: современное экваториальное вздутие планеты несколько больше того, каким оно должно было быть при полном равновесии.

Причина этого, вероятнее всего, состоит в том, что вследствие значительной (10²⁴—10²⁶ пуаз) вязкости вещества нижняя мантия при постепенном замедлении вращения Земли приливным трением не успевает принять равновесную форму. По расчётам Г. Макдональда (1964–1965 гг.) современная фигура планеты соответствует той, которую Земля должна была иметь примерно 10 млн. лет назад. Поэтому реальная фигура Земли не совпадает с фигурой эллипсоида вращения. Она называется геоидом. Наблюдения орбит искусственных спутников Земли позволили очень точно определить величины отклонения поверхности геоида от сфероида. Они в среднем не превышают 20 м. Напомним, экваториальное вздутие Земли, обусловленное гравитационными и центробежными силами, достигает 20 км. Важно отметить, что фигура Земли практически соответствует современной скорости её вращения. Это снимает предположение, будто она сформировалась ещё при рождении планеты, когда вещество Земли могло находиться в принципиально ином состоянии, вплоть до жидкого.

Обладая определённой массой, Земля создаёт вокруг себя силы притяжения — гравитационное поле. За единицу измерения этого поля принято ускорение силы тяжести, равное 1 см/с2. Эта единица в честь Галилея названа галом. Поле измеряется с точностью в одну тысячную гала (миллигал). Полное значение ускорения силы тяжести на поверхности Земли составляет около 980 гал. На экваторе оно за счёт противодействующего влияния центробежной силы вращающейся Земли несколько меньше этой величины; на полюсах, где центробежных сил нет,— больше. Гравиметрические исследования сводятся обычно к сравнению реальных значений ускорения силы тяжести с расчётными значениями, вычисленными для разных точек поверхности референц-эллипсоида. Отклонения реальных значений от расчётных называются гравитационными аномалиями. Перед тем как сравнивать реальные и расчётные величины, в наблюдённые данные вносят определённые поправки. Поэтому при интерпретации гравиметрических материалов, исследуется не один, а три вида аномалий: 1 — аномалии в «свободном воздухе» (в измеренные значения внесена поправка за свободный воздух, учитывающая изменение силы тяжести, обусловленное удалением точки наблюдения от поверхности сфероида) ; 2 — аномалии Буге (внесены поправки за «свободный воздух», за реальную топографию местности и специальная поправка Буге, учитывающая гравитационное влияние масс в слое, заключённом между уровнем моря и точкой наблюдения); 3 — изостатические аномалии, которые получаются в результате вычитания гравитационного эффекта структурных и плотностных неоднородностей коры из аномалий Буге.

Изучение гравиметрических данных позволило получить многие дополнительные сведения о Земле и её макроструктурных компонентах. В частности, с помощью гравиметрии была вычислена средняя плотность земной коры; выявлена и количественно охарактеризована латеральная плотностная неоднородность земной коры; доказано наличие плотностной неоднородности в мантии; подтверждено открытое геодезистами гидростатически уравновешенное состояние планеты в целом и земной коры в отдельности (явление изостазии) и, наконец, выявлены на Земле зоны, где изостазия в той или иной мере нарушена и где, следовательно, глубинные процессы, активно проявляясь в настоящее время, вывели земные массы из состояния равновесия.